Thèse soutenue

Corrosion en eau supercitrique : Apport à la compréhension des mécanismes pour des alliages Fe-Ni-Cr de structure c.f.c

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Auteur / Autrice : Mickaël Payet
Direction : Jean-Pierre Chevalier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences des matériaux
Date : Soutenance le 28/06/2011
Etablissement(s) : Paris, CNAM
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Arts et Métiers (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des structures et des systèmes couplés (Paris)
Jury : Président / Présidente : Yves Wouters
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Chevalier, Yves Wouters, Gilles Bonnet, Krzysztof Wolski, Loïc Marchetti-Sillans, Olivier Raquet
Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Bonnet, Krzysztof Wolski

Résumé

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L’eau supercritique peut être utilisée comme caloporteur à haute pression pour améliorer le rendement des centrales électriques. Pour un concept de réacteur nucléaire, la durée de vie des matériaux est un paramètre important en termes de sécurité. Par conséquent, les critères de sélection des matériaux pour un concept de réacteur à l’eau supercritique concernent les propriétés mécaniques à haute température pour une bonne tenue au fluage et à l’irradiation mais également une résistance à la corrosion généralisée et à la corrosion sous contrainte. Ce travail à pour objectif d’améliorer la compréhension des mécanismes de corrosion en eau supercritique à 600°C et 25 MPa pour des alliages c.f.c contenant du fer, du nickel et du chrome. Des essais de corrosion ont été réalisés sur des autoclaves échantillons d’alliages 316L et 690 en prenant en compte l’état de surface. Les couches d’oxydes formées ont été décrites en termes de morphologie, de composition et de structure, après caractérisations par microscopie électronique à balayage, par spectroscopie à décharge luminescente et par diffraction des rayons X. Si un comportement de type gazeux de l’eau supercritique est attendu dans les conditions d’essai, les résultats montrent une dissolution significative de certains éléments de l’alliage. Par conséquent, la corrosion en eau supercritique peut être considérée comme similaire à la corrosion aqueuse avec un effet de la température qui peut influencer la diffusion en phase solide par exemple. Pour l’alliage 690, la couche d’oxyde protectrice formée sur une surface polie est composée de chromine et surmontée d’un chromite ou d’un spinelle mixte de nickel et de fer. La double couche d’oxyde formée sur une surface de même finition pour l’alliage 316L semble moins protectrice. La couche externe de magnétite est poreuse et la couche interne riche en chrome est non homogène. Pour chaque alliage, l’étude des mécanismes de diffusion, grâce à des expériences utilisant des marqueurs ou des traceurs, révèle une croissance de la couche d’oxyde contrôlée par un processus anionique. Cependant, l’état de surface influence fortement les mécanismes de formation des couches d’oxyde. La comparaison des résultats sur l’acier suggère qu’il y a une concurrence entre l’oxydation du fer et celle du chrome. Une quantité suffisante de chrome est nécessaire pour former une fine couche d’oxyde protectrice. Les surfaces très déformées ou à microstructure à grains très fins conduisent à des fines couches d’oxyde de chrome, grâce à une forte densité de site de germination ou grâce aux courts-circuits de diffusion du chrome. L’état de surface est donc déterminant pour l’acier mais le même paramètre engendre des effets différents pour l’alliage à base de nickel. Les surfaces usinées deviennent sensibles à une oxydation interne du chrome, même si une fine couche d’oxyde continue et riche en chrome et manganèse se forme. Ce phénomène suggère une diffusion accélérée concurrentielle entre l’oxygène et le chrome. Pour conclure, ce travail propose un mécanisme de croissance de la couche d’oxyde dans chaque cas et discute des conditions favorables à la formation d’une couche d’oxyde protectrice riche en chrome dans l’optique d’une application au réacteur à eau supercritique.