Etude in-situ resolue en temps par diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron des evolutions structurales au sein d'un alliage de zirconium oxyde a haute temperature

Dans certaines situations accidentelles hypothetiques dans les reacteurs nucleaires a eau pressurisee (REP), la gaine en alliage de zirconium des crayons combustibles, qui constitue la premiere barriere de confinement des produits radioactifs, peut etre exposee durant quelques minutes a de la vapeur d’eau a haute temperature (jusqu’a 1200°C), avant d’etre refroidie puis trempee a l’eau. Le materiau de gainage subit alors de nombreuses evolutions structurales et metallurgiques : formation d’une couche d’oxyde (zircone), diffusion d’oxygene dans le metal sous-jacent, changements de phases du metal et de l’oxyde. Ces evolutions generent des contraintes internes susceptibles de nuire a l’integrite du materiau fragilise par l’oxydation. Ces evolutions structurales sont a ce jour peu connues, notamment parce qu’elles sont difficiles a etudier dans les conditions dont il est question ici. Afin de suivre le processus d'oxydation a haute temperature d'un alliage de zirconium (le Zircaloy-4), nous avons realise des mesures in-situ de diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron sur la ligne de lumiere BM02, CRG francaise a l’ESRF. Les evolutions structurales et microstructurales de la zircone en fonction de la temperature et du temps durant le chauffage, l’oxydation a haute temperature et le refroidissement de plaquettes en Zircaloy-4 ont ete mesurees a l’aide d’un four prototype developpe dans le cadre du projet ANR QMAX et disponible sur BM02. Celui-ci a permis d’atteindre avec une bonne maitrise les temperatures visees et de controler precisement l’atmosphere. L’oxydation a ete realisee en faisant circuler a pression atmospherique un melange de O2 et He autour des echantillons. L’objectif etait de suivre le processus, tres rapide a haute temperature, avec une resolution en temps de l’ordre de la seconde, et de pouvoir analyser toute l’epaisseur d’oxyde, qui peut atteindre plusieurs dizaines de microns en quelques heures. Les cliches de diffraction ont ete acquis a l’aide d’un detecteur 2D IMXPAD-WOS. Les mesures effectuees au chauffage dans une atmosphere contenant de l’oxygene ont mis en evidence la croissance d’une couche de zircone constituee d’un melange evolutif des phases monoclinique et quadratique (augmentation de l’intensite des pics de diffraction associes) et ainsi que la croissance des cristallites de chacune des deux phases (diminution de la largeur a mi-hauteur des pics de diffraction) lors du chauffage. Des mesures effectuees lors de traitements isothermes a differentes temperatures entre 700 et 1100 degres C ont permis de suivre, avec une resolution temporelle adaptee, les evolutions couplees, au cours du processus d’oxydation, de la taille des cristaux des zircone monoclinique et quadratique de la zircone et de la quantite relative de ces deux phases.