Une chaire industrielle pour approfondir la connaissance du vieillissement des réacteurs nucléaires

Un enjeu clé pour la transition énergétique : la prolongation de la durée de fonctionnement des réacteurs nucléaires 

Le mix énergétique français est un des plus décarbonés au monde, notamment grâce à la production assurée par un parc de 57 réacteurs nucléaires à eau pressurisée mis en service entre 1978 et 1999 (excepté l’EPR de Flamanville mis en service en 2025). Afin de garantir l’approvisionnement électrique dans les décennies à venir, les industriels du secteur évaluent la possibilité de prolonger la durée de fonctionnement de ces réacteurs au-delà de soixante ans. 

Le circuit primaire d’une centrale nucléaire transporte la chaleur produite par la fission nucléaire du combustible dans le réacteur. Les enveloppes externes sous pression des principaux composants de ce circuit (cuve du réacteur, générateurs de vapeur, pressuriseur) sont en acier faiblement allié revêtu d’acier inoxydable et sont exposées à des températures comprises entre 290 à 325 °C, voire 345 °C localement dans le pressuriseur. Le remplacement de la cuve du réacteur n’est pas envisagé et celui des autres composants constitue un enjeu technique et financier important. Comment le maintien en température sur de très longues durées, couplé pour certaines parties de la cuve avec l’irradiation, impactent-elles le vieillissement de l’acier ? 

C’est sur cette question que se penche la chaire SIRA (Ségrégation Intergranulaire et Propriétés de Rupture des Aciers Faiblement Alliés), qui est un partenariat de recherche entre l’École des Mines de Saint-Étienne, le CNRS, l’Agence nationale de la recherche (ANR) et les sociétés Framatome et EDF. Elle bénéficie d’un financement de 2,2 millions d’euros sur quatre ans, porté à parts égales par les entreprises partenaires et par l’ANR dans le cadre du programme « Chaires Industrielles 2024 ». 

Associer recherche et industrie pour faire avancer la science 

Frédéric Christien, Enseignant-Chercheur à l’École des Mines de Saint-Étienne et titulaire de la chaire SIRA, collabore avec EDF et Framatome depuis plusieurs années, au sein du laboratoire Georges Friedel (LGF – CNRS/Mines Saint-Etienne). « Au cours de discussions avec les industriels et d’autres collègues, nous constations que des questions assez complémentaires se posaient, et nous nous sommes dit qu’il serait pertinent de monter un projet ensemble. »

Ces questions portent sur un phénomène nommé ségrégation intergranulaire, qui fragilise l’acier en regroupant certains atomes dans les joints de grains (i.e. les frontières entre les cristaux qui composent l’acier). En d’autres termes : sous l’effet de la température ou de l’irradiation, les atomes se déplacent au sein de l’acier et des éléments peuvent se concentrer dans les joints de grains par un phénomène d’adsorption, et les affaiblir sans que la microstructure de l’acier ni sa dureté n’évoluent significativement par ailleurs. C’est le phénomène principal à l’origine du vieillissement thermique sous l’effet des températures de service des aciers faiblement alliés des centrales nucléaires françaises, qui sont conçus pour en limiter les effets. 

Les travaux de la chaire portent notamment sur le rôle du phosphore, élément chimique considéré comme une impureté présente dans l’acier en très petites quantités et donc difficilement mesurable. « Il y a eu un certain nombre de recherches sur le sujet dans les années 1980, notamment en France, en Allemagne, au Royaume-Uni et aux Etats-Unis, indique Frédéric Christien, sans qu’un consensus scientifique soit atteint. Il y a ensuite eu moins d’activité à ce sujet, et nous souhaitons nous y pencher avec les outils qui sont à notre disposition aujourd’hui. »

Deux axes de travail ont ainsi été définis au sein de la chaire : le premier porte sur la compréhension des phénomènes métallurgiques et le second sur le développement méthodologique de mesures de ségrégation intergranulaire.

Une collaboration permettant un effet de levier

Une des problématiques communes des chercheurs et industriels portait sur le spectromètre Auger, un outil capable d’identifier et quantifier des éléments présents dans un matériau. Cette technique est utilisée aux Mines Saint-Étienne depuis le début des années 1980, mais l’outil employé avait dix-sept ans, ce qui posait un risque de maintenance, les pièces n’étant plus assurées par le constructeur, sans compter les meilleures performances d’appareils plus récents. 

La création de la chaire a permis l’acquisition d’un nouveau spectromètre Auger, co-financé par les partenaires industriels, ainsi que par la région Auvergne-Rhône-Alpes et les fonds européens FEDER. 

Cette technique sera mobilisée conjointement avec d’autres, comme le STEM-EDX, une méthode d’analyse élémentaire basée sur les rayons X via un microscope électronique en transmission (MET), et la sonde atomique tomographique (SAT), à travers une collaboration avec l’université d’Aix-Marseille.

Les matériaux analysés proviennent de trois sources : des alliages modèles issus d’un four d’élaboration disponible aux Mines Saint-Étienne afin de tester des compositions non standard pour mieux comprendre l’effet de différents éléments, des soudures d’enveloppe sous pression réalisées par Framatome, et des matériaux du programme de surveillance des effets de l’irradiation sur les cuves EDF. 

Le programme de travail, qui s’appuie sur trois thèses Cifre et 116 mois de postdoc en cumulé, reflète cette interconnexion entre supports et partenaires. Les deux thèses Cifre financées par Framatome, dont une en cotutelle avec l’Université d’Aix-Marseille, se dérouleront principalement au sein des Mines Saint-Étienne, tandis que la thèse Cifre financée par EDF se déploiera dans les laboratoires EDF Lab des Renardières. Le post-doc dédié aux effets d’irradiation, financé également par EDF, s’appuiera sur les compétences des laboratoires EDF des Renardières et de Chinon, ce dernier étant équipé pour manipuler des matériaux irradiés. 

« Il existe un consensus selon lequel la fragilisation sous irradiation du matériau est due à son seul durcissement », indique Patrick Todeschini, Ingénieur-Chercheur Senior chez EDF. « Dans le cadre des prolongations de durée de fonctionnement, nous souhaitons vérifier qu’on n’atteint pas des niveaux de ségrégation intergranulaire qui pourraient éventuellement donner lieu à une fragilisation des joints de grains. »

Maintenir l’excellence opérationnelle de la filière nucléaire française 

Au-delà de l’aspect scientifique, la chaire revêt une importance stratégique pour l’industrie nucléaire française en contribuant à améliorer les bases physiques et la robustesse des prévisions des effets du vieillissement utilisées dans les dossiers de justification de la tenue mécanique des composants. 

Pierre Joly, Expert Fellow, Direction Technique et Ingénierie chez Framatome, complète et conclut : « Dans le nucléaire, on nous demande, dans un esprit de sûreté, d’asseoir les règles de conception et d’exploitation des centrales sur des savoirs qui sont bien établis, et partagés. Contribuer à parfaire ces savoirs à l’aide des instruments modernes et performants aujourd’hui à notre disposition (spectromètre Auger, MET, et SAT) fait partie de notre fonctionnement normal. »