RGN N° 5 Septembre-Octobre 2011 p. 87–97

Corrosion of Fe-9Cr Steels in Sodium Fast Reactors Environments

Mécanismes de corrosion des aciers Fe-9Cr dans les environnements rencontrés dans les réacteurs refroidis au sodium

CEA, Laboratoire d’Etude de la Corrosion Non Aqueuse (France)

Abstract

The sodium cooled fast reactor is selected by France as the most mature GEN IV concept to be industrially developed by the year 2040. A collaborative research program has been established together with EDF and Areva NP. In this program, different innovations are being considered in the design of the reactor leading to the use of various environments apart from liquid sodium and water vapor encountered in the “classical” sodium fast reactors. As a matter of fact, considerations on the suppression of the water-sodium reaction risk led to the proposal of the use of alternative coolants such as Pb-Bi involving an intermediate circuit between the primary sodium and the steam generator. Other concepts involve the use of supercritical CO² instead of water vapor in the energy conversion system. In all cases, structural materials encounter severe conditions regarding corrosion concerns: high temperatures and possibly aggressive chemical environments.

In this paper, status of the research performed in CEA on the corrosion behavior of the structural material and especially Fe-9Cr steels is presented in the various environments: sodium (see paper by JL Courouau), Pb-Bi, water vapor and CO². The materials studied are metallic materials: austenitic and ferrito-martensitic steels as well as ODS steels as an option for the cladding material.

In the different environments studied, the scientific approach is identical, the objective being in all cases the understanding of the corrosion processes to establish recommendations on the chemistry control of the coolant and to predict the long term behavior of the materials by the development of corrosion models.

First, the corrosion mechanisms are analyzed using dedicated experimental devices. As a matter of fact, the complex environments require also controlled, safe and precise experimental systems to perform long duration corrosion tests (several thousands of hours). Therefore, specific experiments, adapted to each corrosive medium, are carried out in the laboratory. For example:

- laboratory scale loops are used for liquid metals corrosion studies (use of rotating cylinders to simulate high turbulent conditions),

- thermogravimetric analyses are also used to perform gas corrosion studies in representative temperature and environmental conditions,…

Then, multi-scale characterization of the materials studied is performed (FEG-SEM, EDX, XRD, GD-OES…), together with precise analyses of the environments tested (in situ measurements with specific probes, gas chromatography…). Corrosion mechanisms are then proposed and models developed, depending on the advancement and the maturity of the program.

Résumé

Le concept de réacteur rapide refroidi au sodium a été sélectionné par la France comme réacteur de référence de Génération IV pour être déployé industriellement à l’horizon 2040. Dans cet objectif, un programme de recherche coopératif a été mis en place avec EDF et Areva NP. Dans ce cadre, plusieurs innovations sont étudiées dans la conception du réacteur mettant en jeu des environnements autres que le sodium liquide et la vapeur d’eau “classiquement” utilisés. En effet, afin de supprimer le risque de réaction sodium-eau, il est proposé d’utiliser des caloporteurs alternatifs comme l’alliage liquide Pb-Bi qui serait mis en oeuvre dans un composant intégré échangeur intermédiaire/générateur de vapeur. D’autres concepts impliquent l’utilisation de CO² supercritique à la place de la vapeur d’eau dans le système de conversion d’énergie. Dans tous les cas, les matériaux de structure utilisés sont soumis à des conditions de température élevée et d’environnement sévère du point de vue de la corrosion.

Dans cet article, l’état d’avancement de la recherche menée au CEA sur la corrosion des matériaux de structure et plus spécifiquement des aciers Fe-9Cr est présenté dans les différents environnements : sodium liquide, Pb-Bi, vapeur d’eau et CO². Dans les différents environnements considérés, la démarche scientifique est identique avec l’objectif de comprendre les mécanismes de corrosion pour : (i) développer des modèles prédictifs de corrosion pour garantir la durée de vie des matériaux envisagés et (ii) établir des recommandations sur le contrôle de la chimie des fluides.

Les mécanismes de corrosion dans les différents environnements sont tout d’abord étudiés dans des installations expérimentales dédiées. En effet, les environnements complexes étudiés nécessitent des dispositifs permettant la réalisation d’essais de corrosion dans des conditions précises, contrôlées et sûres afin de garantir la fiabilité des essais sur de longues durées (plusieurs milliers d’heures).

Puis des caractérisations multi-échelles des matériaux sont réalisées (MEB-FEG, EDX, DRX, SDL…) en parallèle d’analyses fines des environnements étudiés (mesures in situ avec des sondes de mesure dédiées, systèmes analytiques couplés…). Les mécanismes de corrosion sont ensuite présentés ainsi que les modèles développés en fonction de l’état d’avancement des différents programmes.