Generalized corrosion of nickel base alloys in high temperature aqueous media: A contribution to the comprehension of the mechanisms
Corrosion généralisée des alliages à base nickel en milieu aqueux à haute température : Apport à la compréhension des mécanismes
Résumé
In France, nickel base alloys, such as alloy 600 and alloy 690, are the materials constituting steam generators (SG) tubes of pressurized water reactors (PWR). The generalized corrosion resulting from the interaction between these alloys and the PWR primary media leads, on the one hand, to the formation of a thin protective oxide scale (circa 10 nm), and on the other hand, to the release of cations in the primary circuit, which entails an increase of the global radioactivity of this circuit. The goal of this work is to supply some new comprehension elements about nickel base alloys corrosion phenomena in PWR primary media, taking up with underlining the effects of metallurgical and physico-chemical parameters on the nature and the growth mechanisms of the protective oxide scale. In this context, the passive film formed during the exposition of alloys 600, 690 and Ni-30Cr, in conditions simulating the PWR primary media, has been analyzed by a set of characterization techniques (SEM, TEM, PEC and MPEC, XPS). The coupling of these methods leads to a fine description, in terms of nature and structure, of the multilayered oxide forming during the exposition of nickel base alloys in primary media. Thus, the protective part of the oxide scale is composed of a continuous layer of iron and nickel mixed chromite, and Cr2O3 nodules dispersed at the alloy / mixed chromite interface. The study of protective scale growth mechanisms by tracers and markers experiments reveals that the formation of the mixed chromite is the consequence of an anionic mechanism, resulting from short circuits like grain boundaries diffusion. Besides, the impact of alloy surface defects has also been studied, underlining a double effect of this parameter, which influences the short circuits diffusion density in oxide and the formation rate of Cr2O3 nodules. The sum of these results leads to suggest a description of the nickel base alloys corrosion mechanisms in PWR primary media and to tackle some kinetic aspects which can constitute reflection elements with a view to develop a complete modelization of this corrosion phenomenon.
Les alliages à base nickel, et plus précisément les alliages 600 et 690, sont, en France, les matériaux constitutifs des tubes de générateurs de vapeur (GV) des réacteurs à eau pressurisée (REP). La corrosion généralisée résultant de l'interaction entre ces alliages et le milieu primaire des REP conduit, d'une part, à la formation d'une fine couche passive (environ 10 nm) de produits de corrosion, mais également à la dissolution de cations dans le circuit primaire, ces derniers constituant la principale source de contamination de ce circuit. L'objectif de ces travaux est d'apporter de nouveaux éléments de compréhension des phénomènes de corrosion des alliages à base nickel en milieu de type primaire, en s'attachant à décrire l'influence de paramètres métallurgiques ou physico-chimiques, sur la nature et les mécanismes de croissance de la couche d'oxyde protectrice. Dans ce contexte, le film passif formé lors de l'exposition des alliages 600, 690 et Ni-30Cr, dans des conditions simulant le milieu primaire des REP, a été analysé par plusieurs techniques de caractérisation (MEB, MET, PEC et MPEC, XPS). Le couplage de ces méthodes a permis d'obtenir une description fine, en termes de nature et de structure, de l'oxyde multicouche se formant à la surface des alliages à base nickel en milieu de type primaire. Ainsi, la part protectrice de cette couche d'oxyde est constituée d'une couche continue de chromite mixte de nickel et de fer et de nodules de Cr2O3 dispersés à l'interface entre le chromite mixte et l'alliage. L'étude des mécanismes de croissance de la couche protectrice notamment à partir d'expériences mettant en œuvre des marqueurs et des traceurs, a permis de conclure à une croissance de la couche de chromite mixte résultant d'une diffusion anionique, via des courts-circuits de diffusion de type joints de grains. De plus, l'impact du taux de défauts en surface de l'alliage a également été étudié, mettant en évidence un effet double de ce paramètre, qui influence à la fois la densité de courts-circuits de diffusion au sein de l'oxyde mais également la vitesse de formation des nodules de Cr2O3. L'ensemble de ces résultats permet de proposer un mécanisme de corrosion des alliages à base nickel en milieu de type primaire et d'aborder quelques aspects cinétiques susceptibles de constituer des éléments de réflexion en vue du développement d'une modélisation complète de ce phénomène de corrosion.
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