Conséquences des nettoyages chimiques sur la réactivité de la surface externe des tubes de générateurs de vapeur des centrales nucléaires à réacteur à eau sous pression

Chemical cleaning consequences on Pressurised Water Reactor secondary side steam generator tubes

• Auteur / Autrice : Christophe Goujon
• Direction : Thierry Pauporté
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique et chimie analytique
• Date : Soutenance le 23/10/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris
• Jury : Président / Présidente : Gilles Wallez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carine Mansour, Sophie Delaunay
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Annie Chaussé, Gilles Berger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Nettoyage

Magnétite

Encrassement

Réacteurs à eau sous pression

Mots clés libres

Générateurs de vapeur

Encrassement

Nettoyages chimiques

Magnétite

Steam Generators

Fouling

Chemical cleanings

Magnetite

Résumé

Les phénomènes d’encrassement et de colmatage des Générateurs de Vapeur (GV), essentiellement par la magnétite, constituent des enjeux majeurs pour la sureté et la performance des centrales nucléaires à réacteurs à eau sous pression. Ils ont pour origine principale la corrosion des tuyauteries en acier au carbone du poste d’eau du circuit secondaire. Depuis 2006, la stratégie de maintenance à long terme des GV du Parc nucléaire français repose sur l’application de nettoyages chimiques. Ce travail a pour objectif d’étudier l’effet des nettoyages chimiques sur la réactivité de la surface externe des tubes de GV des centrales REP. L’étude expérimentale s’est d’abord concentrée sur la synthèse de dépôts de magnétite, par voie électrochimique et hydrothermale, aboutissant à la formation de dépôts encrassants aux propriétés contrôlées. Parallèlement, l’encrassement des tubes de GV a été étudié in-situ sur la boucle d’essais FORTRAND (FORmation et Transport des Dépôts) par la reproduction des conditions physico-chimiques de corrosion-érosion du poste d’eau et des conditions représentatives de formation de dépôts dans les GV. Au préalable, l’oxydation des tubes a assuré la formation d’une couche de passivation en surface. Suite à l’encrassement, les caractérisations de surface indiquent la formation d’un dépôt encrassant de magnétite parfaitement recouvrant et dense. L’étude de l’effet des nettoyages chimiques a ensuite été réalisée dans la boucle d’essais spécifique ECCLIPS, conçue et construite dans le cadre de l’étude. La reproduction des procédés de nettoyages chimiques selon les conditions d’applications en vigueur sur le Parc français conduit à la dissolution pratiquement totale des dépôts encrassants. La conservation de la structure et de la composition de la couche de passivation confirme l’innocuité globale des procédés pour les tubes de GV. Enfin, le réencrassement des tubes nettoyés confirme l’absence d’effet des nettoyages sur la cinétique de formation des dépôts à court terme, donnée importante en vue de définir une fréquence de nettoyage des GV. A court terme, la différence de morphologie des dépôts réencrassants semble induire une porosité plus importante susceptible d’influer sur les performances thermiques des GV. A long terme, l’application plus régulière des nettoyages chimiques devrait limiter la densification des dépôts, particulièrement néfaste pour le transfert thermique, et donc produire des effets bénéfiques sur l’évolution des performances des GV.

In the secondary circuit of nuclear Pressurized Water Reactors, magnetite (Fe3O4) deposits lead to Steam Generator (SG) fouling, decreasing the thermal performance and possibly enhancing the risk of SG tube cracking. As a counteraction, chemical cleanings have become the primary strategy to remove oxide deposits in SGs of the EDF fleet. The aim of this study is to investigate the effect of chemical cleaning on SG tubes surface reactivity. First, an electrochemical study was performed to deposit magnetite on substrates made of Inconel 600 and 690 (SG tubes materials). Thermodynamic calculations, voltamperometric studies and deposit characterizations were performed to define the experimental protocol. Magnetite films with a thickness up to several dozen on micrometers were grown by cathodic electrodeposition. Then, SG tubes were fouled in a specific experimental loop, FORTRAND. In this device, magnetite and soluble iron were formed and released in solution by carbon steel pipes corrosion in feedwater circuit representative conditions. Then, corrosion products were flow-carried to the autoclave where their precipitation and deposition on heated SG tubes led to tubes fouling. To reproduce surface characteristics of SG tubes surface, a static oxidation step was first performed in FORTRAND autoclave and result in the formation of a fully covering passive layer on the SG tubes surface.Then in-situ fouling test was done by recirculation in FORTRAND test loop. The magnetite deposit formed on tubes was composed of a dense layer of small crystals. Second, chemical cleaning processes were applied on fouled substrates and tubes in a specific experimental device ECCLIPS designed for this purpose. SG industrial cleaning processes timing and thermochemical conditions were strictly respected during these operations and lead to the dissolution of most of the fouling deposit. The passive layer was still covering the whole surface of the tube and no variation in its thickness or composition was noticed which could indicate that chemical cleaning have no effect on the SG tubes integrity. Finally, cleaned tubes fouling was performed in FORTRAND in the same experimental conditions as before the cleaning test. It could be concluded that there is no effect of chemical cleaning on the fouling kinetics of SG tubes for a short period as the amount of deposit formed before and after cleaning was identical. Nevertheless, the small crystallite dense layer observed before cleaning was not present on cleaned tubes and the size of crystallites were bigger after cleaning. For a short period, this morphology could result in the formation of a fouling deposit with more porosity. As the increase of deposit porosity can impact the thermal transfer at the SG tube surface, morphology changes, hardly predictible, could be important for the SG thermal performance after chemical cleaning. For a longer period, frequent SG cleaning applications should prevent the densification of the deposit and thus delay performance loss over time.