Réalisation de joint de scellement céramique par projection plasma et caractérisation thermomécanique

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Projection plasma, Céramique, Propriétés thermomécaniques

Mots-clés

Émission acoustique,

Projection au plasma,

Matériaux céramiques - Propriétés thermomécaniques

Ce projet a été soutenu par l’agence Andra dans le cadre du programme « Investissements d'Avenir » organisé en coopération avec l'Agence Nationale de la Recherche (ANR). Le but de cette étude, est de sceller par projection plasma un surconteneur en aluminosilicate qui contiendra un conteneur primaire avec des déchets radioactifs. Avant ce projet la composition du récipient en céramique a été optimisée avec 72 % en masse d’alumine pour produire un démonstrateur (à échelle 1/2 (hauteur 60 cm diamètre 33 cm) excepté pour l’épaisseur de la paroi (4 cm)), référencé P72. Au début de ce projet, un défaut majeur à l’intérieur de la pièce frittée a conduit à l’impossibilité de procéder au soudage. Une autre composition a été choisie, plus facile à mettre en forme mais avec des propriétés mécaniques inférieures. Celle-ci comporte 50 % en masse d’alumine, et est référencée B50. Dans un premier temps, l'effet du chauffage par la torche à plasma du massif céramique simulant le surconteneur P72 (72% en masse d'alumine) a été investigué et optimisé. Dans le même temps, 4 revêtements épais à base d'alumine ont été obtenus par projection plasma, avec une forme de joint de scellement, comme candidats possibles pour le matériau de scellement. Ces revêtements sont les suivants : aluminosilicate PP48 (48% en masse d'alumine) et PP72 (72% en masse d'alumine), alumine-verre sodocalcique PPAV (85% en masse d'alumine) et alumine-titane PPAT (87% en masse d'alumine). Les échantillons (frittés B50 avec 50% en masse d'alumine, P72 et dépôts) ont été analysés en termes de composition chimique (par XRD et XRF) et microstructure (porosité et masse volumique par MEB, principe d'Archimède et pycnomètrie hélium). Les frittés et les dépôts ont ensuite été caractérisés thermo-mécaniquement. Sous charge à température ambiante, des essais de flexion 4 points couplés à un suivi d'émission acoustique ont été conduits afin de mieux comprendre et interpréter les changements microstructuraux intervenant lors du chargement. A haute température, des mesures dilatométriques, d'échographie ultrasonore et d'émission acoustique ont été réalisées, afin de caractériser et mieux comprendre les évolutions microstructurales des matériaux soumis à des contraintes thermiques. Ces analyses ont été réalisées à la fois sur les massifs et sur les revêtements afin de déterminer la compatibilité entre eux et de prédire éventuellement leur comportement lors de la procédure de scellement et sous sollicitation mécanique. Le massif P72 a surpassé le B50 en propriétés mécaniques car ce dernier présentait des fissures intrinsèques causées par la transition du quartz à 573°C. Dans le même temps, le revêtement PPAT présentait la résistance mécanique la plus élevée de tous les revêtements ; cependant, les fissures intrinsèques causées par la dilatation thermique anisotrope du titanate d'aluminium réduisent son potentiel en tant que candidat possible pour un scellement.