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e-den Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Une monogr

e-den Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Une monographie de la Direction de l’énergie nucléaire Les matériaux du nucléaire Modélisation et simulation des matériaux de structure Monographies DEN Une monographie de la Direction de l’énergie nucléaire Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex Tél. : 01 64 50 10 00 Comité scientifique Georges Berthoud, Gérard Ducros, Damien Féron, Yannick Guérin, Christian Latgé, Yves Limoge, Gérard Santarini, Jean-Marie Seiler, Étienne Vernaz, Directeurs de Recherche. Responsable de thème : Chantal Cappelaere. Ont participé à la rédaction de cette monographie : Catherine Andrieux, Manuel Athènes, Guido Baldinozzi, Jean-Luc Béchade, Bernard Bonin, Jean-Louis Boutard, Yves Bréchet, Fabien Bruneval, Chantal Cappelaere, Sébastien Carassou, Étienne Castelier, Alain Chartier, Emmanuel Clouet, Mihai-Cosmin Marinica, Jean-Paul Crocombette, Laurent Dupuy, Pierre Forget, Chu Chun Fu, Jérôme Garnier, Lionel Gélébart, Jean Henry, Thomas Jourdan, Laurence Lunéville, Bernard Marini, Estelle Meslin, Maylise Nastar, Fabien Onimus, Christophe Poussard, Laurent Proville, Joël Ribis, Christian Robertson, David Rodney, Guido Roma, Maxime Sauzay, David Simeone, Frédéric Soisson, Benoît Tanguy, Caroline Toffolon-Masclet, Patrick Trocellier, Laurent Van Brutzel, Lisa Ventelon, Ludovic Vincent, François Willaime, Pascal Yvon. Directeur de la Publication : Christophe Béhar. Comité éditorial : Bernard Bonin (Rédacteur en Chef), Olivier Provitina, Michaël Lecomte, Alain Forestier. Administrateur : Alexandra Bender. Éditeur : Jean-François Parisot. Maquette : Pierre Finot. Correspondance : la correspondance peut être adressée à l’Éditeur ou à CEA / DEN Direction scientifique, CEA Saclay 91191 Gif-sur-Yvette Cedex. Tél. : 01 69 08 16 75 © CEA Saclay et Groupe Moniteur (Éditions du Moniteur), Paris, 2016. ISBN 978-2-281-14002-6 ISSN 1950-2672 La reproduction des informations contenues dans ce document est libre de tous droits, sous réserve de l’accord de la rédaction et de la mention d’origine. En couverture : cette image est tirée d’un film représentant le mouvement des dislocations dans un alliage de zirconium sous contrainte. Simulations en dynamique des dislocations en calcul parallèle réalisées dans le cadre de l’ANR Optidis, pilotée par Laurent DUPUY avec le concours de l’INRIA. Auteurs : Arnaud ETCHEVERRY, Olivier COULAUD et Laurent DUPUY. e-den Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Une monographie de la Direction de l’énergie nucléaire Les matériaux du nucléaire Modélisation et simulation des matériaux de structure Préface La mission première confiée par notre pays au CEA est de développer un programme de recherche et de développement dans le domaine des réacteurs nucléaires civils pour la production d’électricité, programme qui inclut les différents aspects que sont : l’opti- misation des technologies nucléaires actuelles, les activités de gestion des déchets et de démantèlement, et le développement des générations futures de centrales nucléaires et d’installations du cycle du combustible. La vocation du CEA est de mener ses actions « de la recherche à l’industrie ». Ainsi, le CEA développe de nouveaux concepts dont il doit s’assurer à la fois de la pertinence et de la qualité scientifique théoriques, mais aussi de la faisabilité technologique, dans le cadre de la réalisation de projets industriels. Les matériaux jouent un rôle essentiel dans la possibilité d’implémentation de concepts innovants. Pour assurer la qualité des résul- tats qu’il produit, le CEA conduit donc une R&D approfondie, à la fois sur les objets eux- mêmes et sur leurs matériaux constitutifs. Concernant le parc actuel de centrales nucléaires, la fiabilité des matériaux constituant les différentes barrières de confinement est essentielle pour assurer la sûreté et la durée d’exploitation des réacteurs, ainsi que le comportement sûr des déchets nucléaires en phases d’entreposage ou de stockage. Le CEA a également pour mission de proposer des concepts innovants pour le développement des générations futures de centrales nucléaires. La présente monographie présente la démarche scientifique et technique qui permet au CEA de valider le comportement des matériaux du nucléaire sous les condi- tions de sollicitations extrêmes auxquelles ils sont soumis, en particulier les effets de l’ir- radiation, et de concevoir des matériaux innovants pour le nucléaire du futur. L ’approche est celle de la démarche scientifique classique : la connaissance fine du com- portement des matériaux soumis à des sollicitations de nature mécanique, thermique, chimique et radioactive, est obtenue grâce à l’observation et l’analyse, aux échelles repré- sentatives, des phénomènes physico-chimiques mis en jeu. Le CEA a développé des outils de modélisation, depuis l’échelle atomique jusqu’à l’échelle macroscopique, en s’appuyant sur des méthodes numériques performantes et sur la maîtrise des outils de caractérisation aux mêmes échelles. Ces modèles, reliés entre eux par des méthodes pertinentes, et validés par la confrontation à l’expérience, fournissent aux exploitants les outils nécessaires pour vérifier en toute circonstance le bon comportement de leurs ins- tallations. Ces mêmes outils peuvent être mis en jeu pour développer une démarche de dévelop- pement de matériaux innovants, apportant une réponse optimisée aux sollicitations que les composants verront dans les réacteurs nucléaires du futur. C’est en effet par la simu- lation que l’on peut espérer mettre en œuvre une démarche amont de conception ab ini- tio de matériaux, répondant a priori aux fonctions et aux conditions d’emploi pour les- quelles ils auront été conçus, et permettant ainsi une innovation constante. Les matériaux du nucléaire Modélisation et simulation des matériaux de structure 5 J’accorde une importance toute particulière à une diffusion, la plus large possible, de la connaissance scientifique et technique. Ces travaux de recherche, qui font appel à toutes les disciplines scientifiques qui contribuent à la science des matériaux, et qui se situent souvent au meilleur niveau mondial, doivent être présentés et expliqués à tous ceux qui s’intéressent à l’énergie nucléaire. Le lecteur trouvera une description simple des méthodes de simulation du comportement des matériaux sous irradiation, des procédés expérimentaux associés, ainsi que les résultats marquants obtenus récemment au CEA. Je remercie tous ceux, chercheurs, ingénieurs, techniciens et administratifs qui, en contri- buant à la réalisation de ce dossier, ont eu à cœur de faire partager leur expérience et leur savoir. Daniel VERWAERDE, Administrateur général du CEA 6 Introduction un domaine de conditions à la fois neutroniques et thermiques trop limité. Les matériaux peuvent être soumis en réacteur à des conditions extrêmes, notamment susceptibles d’être atteintes en conditions accidentelles, pour lesquelles l’obser- vation aux échelles spatiales et temporelles pertinentes n’est pas possible. Il s’agit, enfin, de réduire les incertitudes et de mieux justifier les marges de sécurité, initialement établies de façon empirique. Les réacteurs nucléaires sont construits à l’aide de règles conventionnelles, et le vieillissement, comme le comportement mécanique en service et en conditions acci- dentelles de leurs matériaux, sont classiquement prédits à par- tir de méthodes empiriques. Toutefois, la démonstration de leurs performances et de leur durée de vie s’appuie de plus en plus sur une démarche fondée sur la physique. La compré- hension préalable à la prédiction du comportement mécanique d’un matériau passe par des modélisations physiques à diffé- rentes échelles d’espace et de temps, et des méthodes de changements d’échelle. Ce type d’approche est désormais reconnu comme un complément très riche de la démarche empirique. Prédire le comportement à long terme des matériaux soumis à de tels environnements, concevoir de nouveaux matériaux plus performants impliquent de simuler les phénomènes phy- siques en jeu.Mener à bien ce projet dont dépendent la sûreté et l’exploitation des réacteurs nécessite de procéder par étapes. Cela suppose, dans un premier temps, d’acquérir une bonne connaissance des caractéristiques des matériaux employés en termes de microstructure, de résistance, de duc- tilité et de corrosion. Il s’agit, ensuite, d’identifier les modifica- tions qu’induisent les neutrons sur ces matériaux. Une fois les phénomènes physiques identifiés, il convient de les modéli- ser, d’abord séparément puis tous ensemble, dans le cadre d’une simulation. Enfin, il faut être en mesure de valider toute cette modélisation par des expériences, menées d’abord sur des systèmes simples, puis sur des systèmes aussi représen- tatifs que possible des conditions réelles d’utilisation. Dans le contexte français, c’est au CEA qu’est revenue, dès sa création, la charge de développer la science des matériaux du nucléaire, en relation avec l’expertise des meilleurs labora- toires universitaires de métallurgie et de physique du solide, notamment celui dirigé par le Professeur Jacques FRIEDEL (1921-2014). Les avancées faites au CEA et les méthodes de modélisation de l’époque ont été transférées, dans les années 90, à EDF et AREVA qui se les sont appropriées, ce qui leur a permis de se mettre à niveau pour aborder les pro- Dès le début de l’aventure industrielle du nucléaire, s’est imposée la nécessité de développer une science des maté- riaux spécifique, soit pour acquérir la maîtrise de matériaux peu connus (l’uranium, le plutonium, leurs oxydes, nitrures et carbures pour le combustible, ou le zirconium, le magnésium et leurs alliages pour la gaine de l’élément combustible), ou pour maîtriser des phénomènes nouveaux imprévus (depuis le premier qui fut l’« effetWigner* » dans le graphite, jusqu’au gonflement des aciers austénitiques dans les réacteurs à neu- trons rapides, vingt-cinq ans plus tard, en passant par la crois- sance* de l’uranium et du zirconium, la diffusion et la plasticité sous irradiation, la radiolyse* de l’eau…). Les matériaux de structure des réacteurs nucléaires, qu’il s’agisse des réacteurs électrogènes actuels de Génération uploads/Ingenierie_Lourd/ les-materiaux-du-nucleaire-modelisation-et-simulation-des-materiaux-de-structure-de-l-energie-nucleaire-pdf.pdf