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RÉSUMÉ
Cet article traite, sous l’angle de la R&D, de la gestion de la corrosion dans les usines françaises de traitement-recyclage du combustible nucléaire. L’acide nitrique utilisé pour la dissolution du combustible usé conduit à des phénomènes de corrosion spécifiques. Des matériaux adaptés comme des aciers inoxydables et le zirconium ont été choisis pour résister efficacement à un tel environnement oxydant. Cet article décrit les propriétés de ces matériaux, les différents modes de dégradation possibles, les facteurs influençant cette corrosion ainsi que les différents moyens mis en œuvre pour maîtriser le vieillissement des installations.
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Fanny BALBAUD : Ingénieur-chercheur - Université Paris-Saclay, CEA, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux dans leur Environnement, Gif-sur-Yvette, France
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Nathalie GRUET : Ingénieur-chercheur - Université Paris-Saclay, CEA, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux dans leur Environnement, Gif-sur-Yvette, France
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Benoît GWINNER : Ingénieur-chercheur - Université Paris-Saclay, CEA, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux dans leur Environnement, Gif-sur-Yvette, France
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Pierre LAGHOUTARIS : Ingénieur-chercheur - Université Paris-Saclay, CEA, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux dans leur Environnement, Gif-sur-Yvette, France
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Beatriz PUGA : Ingénieur-chercheur - Université Paris-Saclay, CEA, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux dans leur Environnement, Gif-sur-Yvette, France
INTRODUCTION
Dans tout domaine industriel, la maîtrise de la corrosion est un enjeu majeur sur le plan économique mais également sur le plan sécuritaire. À cela s’ajoute la sûreté des installations pour l’industrie nucléaire (avec entre autres les usines de traitement-recyclage du combustible nucléaire usé) pour laquelle le remplacement d’équipements corrodés devient particulièrement coûteux et contraignant en raison de l’environnement radioactif. De manière à maîtriser le risque lié à la corrosion, ce domaine fait l’objet d’une R&D active depuis des dizaines d’années en France. L’objectif de cette R&D est de préciser/comprendre les modes et mécanismes de corrosion des matériaux et de quantifier leurs cinétiques de dégradation. Cette connaissance aide à s’assurer du bon fonctionnement des installations existantes, à proposer des solutions palliatives en cas de dégradation non anticipée, à préparer le remplacement d’équipements et à faire des choix adaptés de matériaux lors de la construction de nouvelles installations. Cet article a pour objectif de présenter un état des connaissances des mécanismes de corrosion des installations des usines de traitement-recyclage du combustible nucléaire usé. Par nature, la corrosion résulte de l’interaction entre un matériau et son environnement. Ainsi, une première partie décrit les propriétés de l’environnement principal rencontré dans l’usine, l’acide nitrique utilisé dans le procédé pour dissoudre le combustible (le cas de la vitrification et de la corrosion des installations par le verre fondu n’est pas traité ici). Il peut ainsi contenir des produits de fission et des actinides mineurs qui peuvent participer à la corrosion. De manière complémentaire, une deuxième partie présente les matériaux sélectionnés (aciers inoxydables et zirconium) pour résister à cet environnement acide et oxydant. Les modes de corrosion de ces deux familles de matériaux dans cet environnement font ensuite l’objet des troisième et quatrième parties, respectivement. Enfin, l’influence des paramètres majeurs sur la corrosion de ces systèmes est discutée dans une dernière partie.
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2. Matériaux du retraitement
Le traitement des combustibles usagés nécessite l’usage d’acide nitrique à des concentrations variables et une température pouvant aller jusqu’à l’ébullition. La composition de ce milieu montre une grande variété d’éléments présents principalement issus du combustible usé. Sa composition et sa concentration peuvent changer le long de la ligne de traitement.
Le choix des matériaux peut varier le long de cette ligne de traitement et il est conditionné par :
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la concentration en acide ;
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la composition (présence d’ions oxydants ou fluor notamment) ;
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la température ;
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les conditions d’exposition dans le composant (flux thermique, renouvellement, condensat).
Une grande partie des installations est constituée d’aciers inoxydables austénitiques hypertrempés (tableau 3 et figure 2 a , nuances : 1.4306/1.4307, 1.4404, 1.4335) avec une surépaisseur de corrosion. Ces aciers présentent, en général, un très bon comportement en milieu nitrique, lié à leur passivation. Dans ces conditions, la corrosion est uniforme (dite généralisée) avec des vitesses de corrosion maîtrisées. Dans les cas les plus sévères (HNO3 + ions oxydants), acidités fortes et températures élevées, ces aciers peuvent sortir de leur domaine de passivité et rentrer dans le domaine transpassif. Ils présentent alors une corrosion intergranulaire avec parfois des vitesses de corrosion incompatibles avec la durée de vie visée de l’installation. L’usage de matériaux plus résistants devient nécessaire : l’acier inoxydable enrichi en silicium (tableau 3, nuances : 1.4361, figure 2 b ) et dans les cas encore plus sévères (et en l’absence de fluor non complexé), le zirconium ou ses alliages (tableau 4, alliages 702, 704, 705 et figure 2 b ).
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - DAVIS (W.), De BRUIN (H.J.) - New activity coefficients of 0-100 per cent aqueous nitric acid. - Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry, 26(6) : p. 1069-1083 (1964).
-
(2) - POURBAIX (M.) - Atlas d'équilibres électrochimiques. Section 18.1 : Azote. - Éd. v. Gauthier (1963).
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(3) - PELLÉ (J.) - Étude de l’influence du Fe(III) sur les mécanismes de réduction de l’acide nitrique concentré sur un matériau inerte et sur acier inoxydable riche en Si. - Thèse de Sorbonne Université (2020).
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(4) - FALLET (A.) - Influence des ions oxydants issus de la dissolution du combustible nucléaire usé sur le comportement des matériaux de structures, in École doctorale Science Chimique Balard (ED459) et de l’unité de recherche ICSM. - Thèse de l'université de Montpellier (2015).
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(5) - ZIOUANE (Y.), LETURCQ (G.) - New Modeling of Nitric Acid Dissociation Function of Acidity...
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