Étude du comportement mécanique du MCCI de Fukushima à l'aide de la tomographie à rayons X synchrotron et de la corrélation numérique des volumes

npj Materials Degradation volume 6, Numéro d'article : 55 (2022) Citer cet article

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L’un des principaux objectifs des opérations de nettoyage suite à la catastrophe de Fukushima est la récupération des produits d’interaction noyau-béton fondu (MCCI), résidant actuellement dans le sous-sol des unités 1 à 3 du réacteur nucléaire endommagées. Le MCCI est une fusion de matériaux, composé à la fois de gaines de combustible nucléaire et de composants structurels voisins. La détermination des propriétés physiques et mécaniques actuellement inconnues du MCCI est essentielle pour une récupération réussie et rapide. Dans cet article, nous visons à quantifier expérimentalement les propriétés mécaniques d'un matériau fabriqué pour ressembler au MCCI. Un spécimen représentatif à petite échelle a été testé mécaniquement en utilisant un chargement progressif par indentation hertzienne. Une tomodensitométrie synchrotron aux rayons X a été réalisée à plusieurs étapes de chargement pour révéler la microstructure de l'échantillon et la dégradation mécanique. Les tomogrammes acquis ont été analysés par corrélation numérique de volume pour mesurer les déplacements en plein champ et les déformations développées dans le volume de l'échantillon. Le module de Young et le coefficient de Poisson ont été déterminés via cette méthodologie combinée.

En 2011, un tsunami a englouti la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi (FDNPP) et a entraîné un accident de perte de liquide de refroidissement qui a partiellement fait fondre les unités 1 à 3 du réacteur à eau bouillante. Malgré l'injection d'eau de mer à haute salinité dans les cœurs des réacteurs pour un refroidissement d'urgence, la température du réacteur a dépassé les 2 000 °C, faisant fondre les pastilles de combustible UO2, les gaines en zirconium et les composants, tels que l'acier de la cuve de confinement et le béton1. Une fois la température dans le réacteur stabilisée en dessous de 100 °C, le mélange s'est solidifié en une vitrocéramique, connue sous le nom d'interaction noyau-béton fondu (MCCI). Aujourd’hui encore, près de 400 m3 d’eau sont nécessaires quotidiennement pour refroidir les cuves des réacteurs endommagés, où sont intégrés les MCCI, à cause de la chaleur générée par la désintégration radioactive des stocks de 137Cs et de 90Sr2. L'interaction chimique entre l'eau de refroidissement et le MCCI conduit à la dissolution des radionucléides. L'eau de refroidissement contaminée, qui s'échappe du cœur du réacteur endommagé, est collectée dans des installations voisines pour être retraitée et dépolluée. Cependant, les dangers liés aux fuites des réservoirs d'eau contaminés persistent, tandis que des fuites de 137Cs radioactif dans l'environnement sont périodiquement signalées2. Il est donc essentiel de démanteler complètement la centrale en extrayant les déchets hautement radioactifs et en les stockant en toute sécurité. On s’attend à ce que le déclassement complet du FDNPP prenne des décennies, ce qui soulève des inquiétudes quant aux risques environnementaux associés à l’ensemble du processus de nettoyage3.

L’environnement de dose extrêmement élevée dans les cuves endommagées du réacteur FDNPP nécessite la conception et la fabrication d’équipements robotiques de technologie avancée pour récupérer le MCCI intégré. Un déclassement sûr et efficace est directement associé à une perturbation presque négligeable de l’intégrité des matériaux pendant les opérations de levage. L’incapacité potentielle à atteindre cet objectif pourrait conduire à la dispersion de matières hautement radioactives dans l’environnement, posant ainsi de graves risques radiologiques pour la santé. Ainsi, une évaluation précise des propriétés physiques, chimiques et, principalement, mécaniques du matériau intégré dans les cœurs des réacteurs est essentielle pour une récupération réussie. Il est primordial de se concentrer sur les effets de l’interaction à long terme des MCCI résidant dans les réacteurs endommagés avec l’eau de mer et l’eau de refroidissement. L'altération chimique du matériau initialement formé peut affecter considérablement son comportement mécanique. Une série d'études, discutant des mécanismes de dissolution et de la formation de nouvelles phases au cours du vieillissement des « laves » de Tchernobyl4,5,6, peuvent indiquer que la composition du MCCI de Fukushima, et donc son comportement de dégradation, dépend également du temps.

En raison de la radioactivité élevée, il est pratiquement impossible d’effectuer des tests mécaniques standards sur ces matériaux et d’en extraire les propriétés nécessaires à la conception de systèmes robotiques de récupération. Les niveaux de complexité augmentent puisque la microstructure du matériau est considérablement hétérogène.