Lors de l’exposition en milieu primaire simulé de type REP (325 °C, 155 bars, [B] = 1000 ppm, [Li] = 2 ppm, [H₂] = 30 cm³.kg⁻¹ H₂O, [O₂] < 5 ppb), la surface interne des tubes de générateur de vapeur (GV) en alliage 690 TT (60 % Ni, 30 % Cr, 10 % Fe) se corrode et une couche d’oxydes de structure duplex se forme. Malgré la présence de cette couche d’oxydes, partiellement riche en chrome et protectrice, certains cations métalliques, en particulier le nickel 58, diffusent depuis la matrice métallique à travers le film passif jusqu’à l’interface avec le fluide primaire. Le ⁵⁸Ni est alors relâché, dissous puis activé sous flux neutronique en ⁵⁸Co dans le cœur du réacteur. Ce radioisotope contribue à la contamination du circuit primaire et des circuits auxiliaires, notamment par sa redéposition et son incorporation dans les couches d’oxydes présentes à la surface des différents composants. Le relâchement des produits de corrosion issus des tubes de GV est un enjeu industriel majeur. Il contribue notamment à la dosimétrie du personnel de maintenance, affecte la disponibilité des tranches nucléaires lors des phases d’arrêt et de redémarrage, et a un impact sur la gestion des déchets radioactifs et des effluents. Une compréhension approfondie, une maîtrise et une anticipation du phénomène de relâchement sont nécessaires.
Le relâchement des tubes de GV dépend à la fois des paramètres liés au fluide primaire (température, pression, chimie, etc.) et au matériau (teneur en chrome, rugosité, taille de grain, etc.). L’influence du fluide primaire sur le relâchement est notamment prise en compte dans la modélisation de la cinétique de relâchement des tubes de GV. Néanmoins, de nombreuses lacunes existent dans la littérature concernant l’influence de plusieurs paramètres d’état de surface sur le relâchement. Cette thèse vise à étudier l’effet des quatre paramètres d’état de surface que sont la rugosité, la microstructure, l’écrouissage et la présence d’éléments mineurs de l’alliage sur le relâchement.
Ainsi, onze tubes de GV industriels représentatifs de la diversité des états de surface pouvant être rencontrés ont été étudiés. La surface interne de ces tubes, issus de six gammes de fabrication différentes, a été caractérisée, d’abord à l’état de réception puis à l’état oxydé, après exposition au milieu primaire simulé à 325 °C, à l’aide de différentes techniques (profilométrie, nano-indentation, DRX, MEB-EDS/EBSD/FIB, MET – EDS/EELS/précession et ToF-SIMS).
À l’état de réception, l’étude de la rugosité, de la taille de grain, de l’écrouissage résiduel et de la présence d’éléments chimiques mineurs de l’alliage (Al, Ti) a permis de mettre en évidence des différences significatives d’états de surface entre les onze tubes. Les analyses réalisées sur les tubes à l’état oxydé ont permis de caractériser les couches d’oxydes formées en surface des tubes, en termes de morphologie, d’épaisseur, de composition chimique et d’oxydation sous-jacente. Des essais complémentaires ont également été menés afin de définir l’effet de la présence d’alumine sur les mécanismes d’oxydation.
L’ensemble des paramètres obtenus sur les tubes à l’état de réception et à l’état oxydé a été mis en perspective avec leurs cinétiques de relâchement. Cette étude a permis de déterminer l’influence des quatre paramètres d’état de surface considérés sur les mécanismes d’oxydation et de relâchement. Enfin, l’évaluation de l’influence relative de ces quatre paramètres a permis de proposer leur possible intégration dans une modélisation de la cinétique de relâchement des tubes de GV en milieu primaire de type REP. |
During exposure to pressurized water reactor (PWR) primary water conditions (325 °C, 155 bar, [B] = 1000 ppm, [Li] = 2 ppm, [H₂] = 30 cc/kg H₂O, [O₂] < 5 ppb), the inner surface of steam generator (SG) tube made of Alloy 690 TT (60 wt.% Ni, 30 wt.% Cr, 10 wt.% Fe) is corroded and a duplex oxide layer is formed. Despite the presence of this partially chromium-rich and protective oxide layer, some metallic cations, particularly nickel-58, diffuse from the metallic matrix, through the passive film, to the interface with the primary water. The ⁵⁸Ni isotope is then released into the coolant, dissolved and activated under neutron flux in the reactor core to form ⁵⁸Co. This radioisotope significantly contributes to the contamination of primary and auxiliary circuits through its redeposition and incorporation into oxide layers formed on the surfaces of various reactor components. Consequently, the release of corrosion products from SG tubes raises major industrial challenges associated with radioactive contamination. It particularly contributes to maintenance personnel radiation exposure, affects plant availability during shutdown and restart stages, and impacts radioactive waste management. A better understanding and reliable prediction of the release phenomenon are therefore essential.
The release behavior of SG tubes depends on both primary water parameters (temperature, pressure, water chemistry, etc.) and material parameters (chromium content, surface roughness, grain size, etc.). The influence of primary water chemistry is relatively well understood and is commonly considered in models describing the release kinetics of SG tubes. However, significant knowledge gaps remain regarding the influence of several surface state parameters on release. This thesis aims to understand the effects of four surface state parameters on release behavior: surface roughness, microstructure, cold work, and the presence of minor elements of the alloy.
This thesis is based on the experimental investigation of industrial SG tubes representative of the wide range of surface conditions that may be encountered. The surface of eleven tubes originating from six different manufacturing processes was characterized both in the as-received and oxidized state using different techniques (profilometry, nano-indentation, XRD, SEM-EDS/FIB/EBSD, TEM-STEM/EDS/EELS/precession and ToF-SIMS).
In the as-received state, the investigation of surface roughness, grain size, residual cold work, and minor chemical elements of the alloy (Al, Ti) revealed significant differences in surface state among the various tubes. Post-oxidation analyses, performed after exposure to simulated primary water at 325 °C, provided a detailed characterization of the oxide scales formed on the tube surfaces in terms of morphology, thickness, chemical composition, and underlying oxidation. Additional experiments were also conducted to evaluate the effect of alumina on oxidation mechanisms.
All the parameters measured on SG tubes in the as-received and oxidized states were then correlated with their release kinetics. This study enabled the determination of the influence of each of the four surface state parameters on oxidation and release phenomena. Finally, the assessment of the relative influence of these four parameters made it possible to propose their potential incorporation into a model predicting the release kinetics of SG tubes in a PWR primary water environment. |