Mise en forme des alliages de zirconium et de hafnium

Intimement liés à l’état naturel dans le minerai de zircon, et de propriétés chimiques voisines (ce qui rend leur séparation difficile), les éléments zirconium (Zr) et hafnium (Hf) possèdent des propriétés neutroniques singulières et diamétralement opposées qui font leur intérêt dans les applications nucléaires. Du fait de sa faible section efficace de capture neutronique, le zirconium est en effet le métal privilégié pour la constitution des assemblages de combustible nucléaire. Le hafnium ayant la propriété inverse, il peut être utilisé pour la régulation ou l’arrêt de la réaction de fission. En plus de ses propriétés neutroniques exceptionnelles, le zirconium présente une bonne résistance à la corrosion, au fluage et à l’irradiation, ce qui permet de répondre aux fortes exigences de sûreté de l’environnement nucléaire, en assurant l’intégrité du gainage du combustible tout au long de son utilisation et de son retraitement.

Que ce soit lors des opérations de métallurgie extractive, de l’élaboration des lingots ou de la mise en forme des demi-produits et des pièces finies, les propriétés finales du produit guident le choix des technologies et des paramètres des procédés utilisés. En effet, de nombreux paramètres métallurgiques tels que la chimie de l’alliage, la microstructure, la texture cristallographique, la composition chimique et la taille des précipités, qui sont hérités de la gamme de fabrication, ont une influence directe sur les propriétés durant l’utilisation dans les réacteurs. Tout en optimisant la performance économique des gammes, il convient donc de maîtriser l’ensemble des opérations d’un point de vue métallurgique, de manière à obtenir un produit conforme au cahier des charges très exigeant du domaine nucléaire.

L’objectif de cet article est de passer en revue les procédés de mise en forme par déformation plastique des alliages de zirconium et de hafnium, pour les formes simples (barres, tubes et plats) qui constituent les assemblages de combustible nucléaire. Après quelques rappels de métallurgie, qui permettront de mieux appréhender les évolutions de microstructure présentées par la suite, l’accent est mis sur les paramètres des procédés pouvant influencer les opérations en aval et les propriétés finales des produits, via la mise en évidence des évolutions de géométrie, d’états de surface et de microstructure au cours de la gamme.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés.