Etude du phénomène de 'shadow corrosion' des alliages de zirconium dans les réacteurs à eau bouillante (REB)

Study of the shadow corrosion phenomenon of zirconium alloys in boiling water reactors (BWR)

• Auteur / Autrice : Fabien Da Fonseca
• Direction : Yves Wouters, Laurence Latu-Romain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, électrochimie, génie civil,
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Rafael Estevez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Milan Skocic, Sébastien Chevalier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Vilasi, Laure Martinelli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à eau bouillante

Électrochimie

Mots clés libres

Alliage de zirconium

Electrochimie

Réacteur à eau bouillante

Zirconium alloy

Electrochemistry

Boiling water reactor

Résumé

Les alliages de zirconium sont principalement employés dans l'industrie nucléaire, comme tubes de gainage ou éléments de structure des assemblages combustibles des réacteurs à eau légère. Ils sont soumis durant leur séjour en réacteur à de la corrosion par l'eau à haute température (de l'ordre de 300 °C) et forte pression (75-150 bars suivant les réacteurs). La Shadow Corrosion est un phénomène de corrosion particulier, observé essentiellement dans les réacteurs à eau bouillante (REB). Il se manifeste lorsque l'alliage de zirconium se trouve en contact avec ou à proximité (distance de l'ordre de 1 mm) d'un composant en alliage « plus noble », comme l'alliage 718 (base nickel) ou l'acier inoxydable. Une surépaisseur d'oxyde se forme en face du composant, surépaisseur généralement blanche quand le reste de l'oxyde apparaît plutôt noir. Cet oxyde dessine l'ombre portée du composant en alliage 718 ou en acier inoxydable, d'où le nom de « Shadow Corrosion ». Cette thèse étudie l’impact sur la Shadow Corrosion d’un revêtement multicouche sur l’alliage 718 apportant un comportement sacrificiel et protégeant ainsi le Zry-2. L’étude se base sur la caractérisation électrochimique in situ à chaud de l’efficacité de la protection cathodique introduite dans le système et la caractérisation physico-chimique de la durabilité du revêtement sur l’alliage 718 par DRX, microscopie électronique à balayage et en transmission, sur coupe FIB et de surface, ainsi que la réalisation de profils SDL pour connaitre l’évolution chimique en profondeur dans le revêtement. Les résultats électrochimiques obtenus montrent une très bonne efficacité du revêtement dans la protection du Zry-2 avoisinant et les caractérisations ont permis d’apporter une meilleure compréhension du rôle de chaque partie du revêtement.

Zirconium alloys are widely used in nuclear industry as fuel rods or structural elements in fuel assembly in light water reactors. During the lifetime in reactor, they are subject to corrosion in high temperature water (about 300 °C) and high pressure (75-150 bars depending on the reactor type). Shadow Corrosion is a particular corrosion phenomenon occurring mainly in Boiling Water Reactors. It occurs when Zr-based alloys are in contact or facing a more noble alloy, such as 718 alloy (Ni based) or stainless steel. An over thickness of oxide grows facing the component, usually whitish whereas the rest of the oxide appears black. This oxide reproduces the shadow of the 718 alloy or stainless steel component, explaining the name « Shadow Corrosion ». The present PhD work studied the impact on the Shadow Corrosion of a multilayer coating performed on the 718 alloy. The coating featured a sacrificial behavior and thus, protected the Zry-2. The study considered in-situ electrochemical characterizations of the efficiency of the cathodic protection in BWR conditions as well as physical and chemical post mortem characterizations. The characterizations after exposure included XRD, SEM and TEM on FIB cross cuts and surfaces coupled with GD-OES chemical profiles to understand the evolution of the different layers. Electrochemical characterizations showed a good Zry-2 protection and post mortem characterizations gave a better understanding of the role of each layer of the coating.