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Les gaines de crayons combustibles et leurs propriétés
L'un des axes majeurs de recherche au PSI concerne l'énergie, ce qui inclut entre autres la recherche en énergie nucléaire et sûreté. Johannes Bertsch, responsable du groupe de recherche sur les combustibles nucléaires, s'intéresse en particulier aux gaines de ces combustibles et à leurs revêtements.
Johannes Bertsch serait probablement capable de dessiner les yeux bandés la structure d'une centrale nucléaire, surtout le cœur de l'installation: le nombre de crayons combustibles agencés en assemblages combustibles, les matériaux qui les constituent – chiffres, masse et faits, il a tout en tête et est un spécialiste reconnu des gaines de crayons combustibles.
Ces gaines renferment la source d'énergie de la centrale, l'uranium fissile. Autrement dit, l'uranium est compressé sous formes de pastilles qui sont empilées dans un tube (la gaine). En général, les gaines ont une longueur de quatre mètres et un diamètre d'un centimètre. Leur paroi mesure seulement 0,6 millimètre. Il s'agit donc de très long tubes, à peu près de l'épaisseur d'un doigt, réalisés dans une fine feuille métallique spéciale. Le réacteur d'une centrale nucléaire en abrite en principe plusieurs dizaines de milliers.
Les gaines sont conçues de manière à pouvoir supporter des températures et des pressions élevées en exploitation; mais aussi de sorte qu'elles ne se fissurent pas après le retrait des crayons combustibles usagés et soient capables de résister au transport jusqu'au dépôt intermédiaire, puis plus tard vers un dépôt en couches géologiques profondes. Ces gaines ne sont donc pas réalisées dans une feuille métallique quelconque, mais dans un alliage de métaux qui présente un équilibre très délicat: aux 98% de zirconium viennent s'ajouter des quantités mûrement réfléchies de chrome, de fer, de nickel, de niobium et d'étain. Cet alliage spécial est obtenu au terme d'un processus de fabrication tout aussi spécial: fonderie, refroidissement contrôlé, laminage, martelage et recuit. On obtient ainsi un métal qui lorsqu'on le regarde au microscope apparaît constitué de minuscules grains cristallins, dont la taille et l'orientation cristalline interne ont été optimisées.
C'est le fruit de décennies de recherche et d'optimisation, souligne Johannes Bertsch.
Aujourd'hui, l'optimisation vise surtout à répondre à une demande: limiter autant que possible la pénétration d'hydrogène dans le métal de la gaine. Car une fois là, l'hydrogène se lie avec les atomes de métal et ces liaisons chimiques sont susceptibles de fragiliser le matériau de la gaine.
Cet hydrogène vient de l'eau qui – en tout cas dans les centrales nucléaires suisses – joue un rôle essentiel. En exploitation, l'eau refroidit les crayons de combustible qui y sont durablement immergés et achemine la chaleur engendrée par la fission des noyaux atomiques. La vapeur d'eau qui en résulte actionne les grandes turbines par le biais desquelles, en fin de compte, la centrale produit du courant.
L'hydrogène est donc inévitable. Mais que se passe-t-il quand ces petits atomes d'hydrogène pénètrent dans le réseau d'atomes de l'alliage métallique?
Comme du sucre dans du café
Pour commencer, l'hydrogène s'y dissout, explique Johannes Bertsch. Même s'il s'agit d'atomes isolés dans un matériau solide, les chercheurs parlent de solution.
C'est effectivement comme du sucre dans du café, poursuit Johannes Bertsch. Dans le cas du café, on sait que quand il y a beaucoup trop de sucre ou quand le café est froid, le sucre ne se dissout plus, mais s'accumule au fond de la tasse.
L'analogie s'arrête là, car il n'y a pas de fond de tasse. Le phénomène qui se produit est le suivant: l'hydrogène ne se déplace plus librement à travers le matériau, mais se lie avec les atomes de métal et forme une liaison chimique hydrogène-métal que les chercheurs appellent hydrure.
Le problème avec ces hydrures est le suivant:
Dans le métal de la gaine, ils forment des structures allongées en plaquettes qui vont dans tous les sens, poursuit le chercheur. Et cela crée des défaillances dans le matériau.
L'imagerie neutronique permet de visualiser l'hydrogène
Les chercheurs du PSI emmenés par Johannes Bertsch s'intéressent à toutes les questions qui portent sur ces hydrures. Comment modifient-ils la stabilité du matériau? Comment les minimiser? Comment garantir que toutes les gaines restent intactes à tout moment?
Nous élargissons les connaissances existantes dans ce domaine, résume Johannes Bertsch.
Pour ce faire, le chercheur et ses collègues recourent à un procédé d'imagerie utilisant les neutrons appelée imagerie neutronique (neutron imaging). Ce procédé a été perfectionné au PSI et est appliqué régulièrement par une groupe de travail à la source de neutrons SINQ de l'institut avec l'un des meilleurs microscopes à neutrons du monde. Ce dernier permet de radiographier les objets de recherche les plus divers.
Le zirconium est pratiquement transparent pour les neutrons. C'est la raison pour laquelle il est utilisé comme composant principal des gaines, car lors de l'exploitation d'une centrale nucléaire, les neutrons libres sont un produit bienvenu. Pour l'imagerie neutronique, cette transparence s'avère aussi un avantage. Car contrairement au zirconium, l'hydrogène apparaît sous forme de contraste sombre sur les images neutroniques.
Une couche protectrice susceptible d'être utile contre les hydrures également
Dans l'un de leurs derniers projets de recherche, les membres du groupe de travail de Johannes Bertsch se sont penchés sur une couche protectrice supplémentaire dont les gaines sont équipées; appelés liners, ces revêtements sont utilisés partout dans le monde et notamment en Suisse. Ils protègent les gaines contre les dégâts mécaniques et l'oxydation.
Or Johannes Bertsch et ses collègues ont découvert que les liners avaient en outre l'avantage d'empêcher la formation d'hydrures: il y en a moins dans les gaines qui disposent d'une couche protectrice de ce type. Johannes Bertsch synthétise les résultats de ces travaux:
L'hydrogène pénètre davantage dans ce revêtement et se retrouve en partie piégé à ce niveau. On peut dire que le liner fait office d'éponge à hydrogène. Comme quand quelqu'un sort en peignoir dans la bruine: le tissu éponge absorbe l'eau et la peau reste sèche.
Etant donné que l'on sait déjà que les hydrures fragilisent les gaines sur le plan mécanique, les chercheurs avancent aujourd'hui prudemment que les revêtements, qui ont été introduits au départ pour d'autres raisons, améliorent probablement la stabilité à long terme des gaines.
En fin de compte, notre mission est de mieux comprendre comment rendre l'exploitation et le maniement de crayons combustibles usagés plus sûrs, rappelle Johannes Bertsch. C'est pour cela que nous étudions en détail la structure de l'intérieur du matériau. Pour savoir comment apparaissent les hydrures, comment ils se répartissent, comment ils fragilisent le matériau et, surtout, comment faire pour les minimiser.
Intérêt international
Les recherches exhaustives sur les hydrures que mènent Johannes Bertsch et son équipe sont destinées en première ligne à la sûreté des installations nucléaires en Suisse. Mais au niveau international, leurs travaux suscitent aussi un vif intérêt.
Nous recevons des demandes d'Allemagne où l'on est maintenant en train d'arrêter les réacteurs. Et nous avons déjà été invités aux Etats-Unis, raconte Johannes Bertsch. Dans le monde de la recherche, les hydrures dans les gaines sont vraiment un sujet brûlant.
Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann