Thèse soutenue

Étude du phénomène de corrosion-érosion du zirconium : cas d’un jet de particules érosives

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Auteur / Autrice : Vinicius Soares Teixeira
Direction : Éric SchaerSophie Charton
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
Date : Soutenance le 11/05/2022
Etablissement(s) : Université de Lorraine
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
Jury : Président / Présidente : Bernard Normand
Examinateurs / Examinatrices : Éric Schaer, Sophie Charton, Caroline Richard, Christine Blanc, Benoît Gwinner, Vincent Vivier, Delphine Veys
Rapporteur / Rapporteuse : Caroline Richard, Christine Blanc

Mots clés

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Résumé

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La corrosion-érosion est un mode de dégradation des matériaux rencontré dans de nombreux équipements industriels (canalisations, cuves, pompes, échangeurs de chaleur, ...) fabriqués en métal et contenant une phase liquide oxydante (capable de provoquer leur dissolution) en chargée en particules et en écoulement. De par leur mouvement, ces particules peuvent provoquer l’endommagement mécanique lors de leurs impacts répétés contre la paroi. L’endommagement global du matériau résulte donc à la fois de sa dissolution, de son usure érosive et d’une possible synergie entre les deux phénomènes. Le présent travail est consacré à l’investigation des mécanismes physico-chimiques conduisant à la perte de masse du zirconium exposé à des conditions oxydantes (acide nitrique) et érosives (particules d’acier inoxydable), dans le contexte industriel du traitement-recyclage du combustible nucléaire usé. Différents outils expérimentaux ont été développés et exploités pour permettre de quantifier et analyser chacune des contributions à la corrosion-érosion (corrosion, érosion et synergie) dans les conditions d’intérêt. En absence de toute forme d’endommagement mécanique (corrosion), la dissolution du zirconium est très faible en milieu nitrique : sa bonne tenue en corrosion est due à la croissance d’une couche de zircone protectrice qui s’épaissit avec le potentiel et le temps d’immersion dans l’électrolyte. Cependant, sa perte de masse est de plusieurs ordres de grandeur supérieure dans des conditions faiblement oxydantes (eau) et en présence de particules (érosion). La dégradation de Zr augmente davantage en milieu oxydant (acide nitrique + particules). L’élément amorceur de cette synergie semble être la dépassivation mécanique du substrat à la suite des chocs particulaires. Des expériences complémentaires (essais de rayure) ont montré que l’exposition à l’acide nitrique d’une petite fraction de la surface métallique exempte de couche passive conduit à une dissolution transitoire du zirconium. Dans le cas d’impacts répétés observés en corrosion-érosion, il apparaît que cette quantité de matière dissoute dépend de deux paramètres : la fréquence des impacts et le temps nécessaire à la repassivation du matériau. Ces éléments permettent d’expliquer les résultats d’une étude de sensibilité réalisée autour des conditions d’intérêt qui montrent que le flux de perte de matière en corrosion-érosion est d’autant plus important que la vitesse et/ou la taille des particules sont importantes. Néanmoins, en présence d’une plus grande concentration de particules, la perte de masse devient moins significative, probablement en raison de la diminution de l’énergie cinétique incidente des particules au moment du choc et de leur accès à la surface.