Material Selection for Lead Cooled Fast Reactors
Karlsruhe Institute of Technology (Germany)
Materials are one of the challenging issues for all future GENIV reactors. Several EU funded projects, e.g. ELSY and LEADER, aimed to design Pb cooled nuclear systems including the European lead cooled fast reactor ELFR and the demonstrator ALFRED. The selection of the structural materials determines the design and the design has to consider the properties and the availability of the materials. Beside general requirements for material properties that are common for all fast reactor types, specific issues arise from coolant compatibility. The high solubility of steel alloying elements in liquid Pb at reactor relevant temperatures is clearly detrimental. Therefore, all steels that are considered as structural materials have to be protected by dissolution barriers. The common barriers for all steels under consideration are oxide scales that form in situ during operation. However, increasing the temperature above 500 °C will result either in dissolution attack or in enhanced oxidation. For higher temperatures additional barriers like alumina forming surface alloys are discussed and investigated. Mechanical loads like creep stress and fretting will act on the steels. These mechanical loads will interact with the coolant and can enhance negative effects.
For ALFRED austenitic steels (316 and 15-15Ti) are selected for most in core components. The 15-15Ti is the choice for the fuel cladding of ALFRED and the ferritic martensitic steel T91 was selected as fuel clad material of the ELFR. T91 is in both designs the material to be used for the heat exchanger. Surface alloying with alumina forming alloys is considered to assure material functionality at higher temperatures and is therefore selected for fuel cladding of the ELFR and the heat exchanger tubes.
Résumé
Plusieurs projets internationaux, comme ELFR (European Lead Cooled Reactor) et le démonstrateur ALFRED, étudient les réacteurs refroidis au plomb, en tant que candidat comme réacteur de quatrième génération. Le choix des matériaux utilisables est un élément très important. Ce choix a une influence sur la conception, qui doit prendre en compte les propriétés et les possibilités des matériaux disponibles. En dehors des propriétés générales requises pour les matériaux des réacteurs rapides, il faut prendre en compte, spécifiquement, les problèmes de compatibilité chimique avec le plomb. La grande solubilité dans le plomb liquide et aux températures de fonctionnement du réacteur, des différents éléments constitutifs des aciers, est clairement un handicap.
Cependant la constitution de couches d’oxydes, qui se forment in situ, pendant le fonctionnement sur les parois, va constituer un premier type de barrière de protection. Toutefois, un dépassement de la température de 500°C conduira à une attaque de corrosion ou à une oxydation accélérée. Pour des températures plus élevées, des protections complémentaires avec des revêtements à base d’alumine, ont été étudiées et testées. Les chargements mécaniques, comme les frottements entre gaine et fil espaceur, peuvent entrainer des effets négatifs sur la tenue de ces revêtements.
Pour ALFRED, les aciers austénitiques (316 et 15-15Ti) ont été retenus pour la plupart des composants en coeur. Le 15-15 Ti est le choix retenu pour le matériau de gaine de combustible d’ALFRED et l’acier ferritique/ Martensitique T91 a été retenu pour les gaines d’ELFR. Tous les composants constitués de 316L peuvent probablement être utilisés à des températures n’excédant pas 480°C. Les gaines de combustible, à la fois pour ALFRED (15-15Ti) et pour ELFR (T91), demandent une protection type dépôt d’alumine, pour pouvoir respecter les conditions de fonctionnement attendues.
Le T91 est utilisé dans les deux conceptions, comme matériau des échangeurs. A cause de la sévère oxydation de ce matériau au-dessus de 450°C et de la perte correspondante de capacité d’échange thermique, les tubes des échangeurs et générateurs de vapeur devront également bénéficier d’une couche de protection.
Par conception, on limite la vitesse de circulation du plomb à 2 m/s. Pour ces vitesses, on n’attend pas d’effet de corrosion supplémentaire. Toutefois au niveau de la roue de pompe, des vitesses locales de l’ordre de 10 m/s, entraînent des érosions importantes. Dans divers essais avec des circulations localisées turbulentes, des érosions sévères ont aussi été observées. Avec cette corrosion, les propriétés mécaniques sont également affectées par le plomb liquide. Au-dessus d’un certain niveau de contraintes, la résistance à la rupture est clairement affectée dans le plomb. En dessous de 120 MPa, et tant que la couche d’oxydes reste intacte, ces effets négatifs ne se manifestent plus. A cause de leur plus grande résistance aux contraintes, les oxydes riches en Al qui se forment sur les surfaces d’acier aluminisées permettent d’atténuer la corrosion et la détérioration mécanique.
Enfin les problèmes liés au “fretting” (contraintes induites au contact entre gaine et fil espaceur) doivent être pris en considération. Ce fretting peut conduire à des pénétrations dans les gaines, tant pour le T91 que pour le 15-15Ti, de l’ordre de 10 % de l’épaisseur, après seulement 150 h de fonctionnement, suivant un certain nombre de paramètres comme la fréquence, l’amplitude, la charge et la température. Une aluminisation de la surface, combinée avec un bon choix de ces paramètres, est nécessaire pour ramener les conséquences de ce fretting à un niveau acceptable.
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