Zircaloy

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Le Zircaloy (de l'anglais Zirconium et « alloy »=alliage) est un groupe d'alliages de Zirconium. Il est principalement utilisé dans l'industrie nucléaire pour ces caractéristiques neutroniques (très faible section efficace d'absorption des neutrons thermiques), comme matériau de gainage du combustible (première barrière de confinement).

Il est aussi utilisé dans l'industrie chimique car ses matériaux sont relativement abondants, et à cause de ses remarquables propriétés physico-chimiques:

• Résistance à la corrosion des acides, des alcalins, de l'eau de mer, etc.
• Résistance thermique et tenue aux hautes températures
• Transparent pour les neutrons lents

Les principales nuances de Zircaloy sont :

• Zircaloy-1 (Zry-1) : alliage de zirconium avec 2,5 % d'étain. Cet alliage a pour principal inconvénient de se corroder avec le temps. Des éléments additifs ont été rajoutés pour contrer cet effet.
• Zircaloy-2 (Zry-2) : alliage de zirconium (98,25 % en masse), d'étain (1,45 %), de chrome (0,10 %), fer (0,135 %), nickel (0,055%) et hafnium résiduel (< 0,01 %).[1]. Cet alliage est principalement utilisé dans les réacteurs à eau bouillante (REB)
• Zircaloy-4 (Zry-4) : alliage de zirconium (98,23 % en masse), d'étain (1,45 %), fer (0,1 %), chrome (0,1 %) et hafnium (< 0,01%).[2]. C'est le matériau de gainage principal des combustibles des centrales à eau sous pression (REP). Il existe des variantes du Zry-4 (taux d'étain plus faible) qui permettent de diminuer la desquamation de la couche d'oxyde qui se forme pendant le fonctionnement.

Le Zircaloy "nucléaire" doit contenir une très faible quantité d'hafnium (matériau avec une forte section efficace d'absorption des neutrons). Le minerai naturel contient à la fois le zirconium et l'hafnium : le zirconium "commercial" contient de l'ordre de 1,5 % d'hafnium. La séparation de l'hafnium est une opération difficile. Cette opération représente environ 90 % du coût du zirconium "nucléaire". L'hafnium ainsi obtenu est utilisé comme matériau absorbant des barres de commandes de réacteurs nucléaires (réacteurs embarqués des sous-marins ou réacteurs expérimentaux).

Le Zircaloy présente une gande affinité avec l'hydrogène pour former des hydrures. Ces hydrures fragilisent fortement le zircaloy. La maîtrise de la quantité d'hydrures formés est un paramètre clé dans la conception des réacteurs nucléaires. Ce phénomène est l'un de ceux qui limitent l'utilisation du combustible nucléaire (taux de combustion).

Le Zircaloy réagit aussi avec l'oxygène (O₂ ou H₂O) pour former de l'oxyde de zirconium, appelé zircone. Compte tenu de la structure cristalline différente, lorsque la couche d'oxyde devient trop importante, celle-ci se décolle sous forme de plaques : c'est ce que l'on appelle desquamation de l'oxyde. La réaction d'oxydation du zirconium est exothermique. À haute température, on observe un emballement de la réaction d'oxydation avec un dégagement important de chaleur.

Le Zry-4, lors des irradiations très longues, a tendance à s'oxyder (et s'hydrurer) de manière importante. C'est la raison pour laquelle les industriels ont développé de nouveaux alliages de zirconium qui ont un meilleur comportement vis-à-vis de la corrosion. Il s'agit d'alliage de zirconium avec du niobium plus d'autres éléments additifs : alliage Zirlo (Westinghouse, USA), E110 (Russie), M5 (Areva NP, France). Ces nouveaux matériaux sont en train progressivement de remplacer le Zry-4.