Caractérisation de dépôts

Les dépôts de CsI obtenus par vaporisation de CsI à 750°C et condensation sur la feuille d’acier (voir protocole décrit au Chapitre III section 1.2.2) ont été caractérisés en termes de quantité déposée, mais également en termes de taille et de morphologie de dépôt. Au total, quatre essais de dépôt ont été réalisés dans les mêmes conditions de régime thermique, mais sous des atmosphères différentes afin de reproduire les conditions des essais DEVAP ([26]) et de se rapprocher des conditions représentatives d’un cas réel d’accident grave :

- Sous un mélange argon/vapeur d’eau de composition volumique 20% / 80%, et avec un débit total Qtot=0,625 Nl/min (2 essais ont été réalisés dans ces conditions) ;

- Sous un mélange argon/hydrogène/vapeur d’eau de composition volumique 48% / 2% / 50%, et avec un débit total Qtot=0,621 Nl/min (1 essai) ;

- Sous un mélange argon/hydrogène/vapeur d’eau de composition volumique 86,4% / 3,6% / 10%, et avec un débit total Qtot=0,622 Nl/min (1 essai).

Quelles que soient les conditions d’atmosphères appliquées, les observations visuelles de la feuille d’acier après dépôt révèlent systématiquement trois zones de morphologie de dépôts bien distinctes correspondant aux mêmes domaines de température (Figure 109) :

1) Une première zone à ≈750-600°C, désignée zone « haute température (HT) », ne présentant aucun dépôt apparent ;

2) Une seconde zone à ≈600-450°C, désignée zone « condensation », faisant apparaître des dépôts cristallins (cristaux sous forme d’aiguilles avec dendrites) ;

3) Et enfin, une dernière zone à ≈450-100°C, désignée zone « aérosols », mettant en évidence des dépôts sous forme de poudre.

Figure 109. Photos de la feuille 316L après essai de dépôt sous argon/vapeur d’eau. Zone « HT » (rouge) ; zone « condensation » (vert) ; zone « aérosols » (bleu)

Dans la zone « condensation », les particules les plus grosses se trouvent sur la partie supérieure de la feuille d’acier 316L, sous forme de stalactites. Compte tenu du fait que ces particules se décrochent très facilement (Figure 109), elles sont enlevées de la surface.

La feuille est ensuite découpée en plusieurs tronçons (entre 8 et 10) de longueur variable (de 3 à 9 cm) suivant la quantité de dépôt observé. Les tronçons sont ensuite redécoupés suivant les besoins d’analyse :

- Des analyse quantitatives par ICP-MS ; avant l’analyse, et dans l’objectif d’avoir une information plus précise sur la distribution surfacique longitudinale et radiale du césium et de l’iode, chaque tronçon (sauf les tronçons 1 et 2 de la zone « HT ») est découpé en une partie « inférieure » et « latérale et supérieure » suivant le schéma présenté en Figure 110 ;

- Des analyses morphologiques par MEB ; - Des essais de re-vaporisation.

Figure 110. Schéma simplifié en vue transversale (gauche) et image (droite) avec plan de découpe d’un tronçon

L’analyse par MEB (Figure 111) des échantillons issus de chaque tronçon a permis de faire les observations suivantes dans le cas des dépôts sous argon/vapeur d’eau :

- Dans la zone « HT » entre 750 et 720°C, aucun dépôt n’est observé ;

- Dans la zone « HT » entre 720 et 600°C, un dépôt de Cs et d’I est observé, sans que l’on puisse pour autant établir précisément sa structure ;

- Dans la zone « condensation » entre 600 et 450°C le dépôt consiste en deux types de particules : 1) des polyèdres de taille 10-30 µm ; 2) des aiguilles de quelques centaines de microns et présentant des dendrites latérales ;

- Enfin, dans la zone « aérosols » entre 450 et 100°C, le dépôt consiste en des particules sphériques de taille inférieure à 3 µm.

La composition du gaz porteur ne semble pas avoir d’influence sur la morphologie des dépôts. Ainsi, des analyses MEB réalisées sur des échantillons issus du dépôt sous argon/hydrogène/vapeur d’eau (% vol. 86,4 / 3,6 / 10) ont révélé le même type de morphologies, à savoir les mêmes structures particulaires, ainsi que des tailles similaires.

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Figure 111. Profil thermique de la feuille 316L pendant l’essai de dépôt sous argon/vapeur d’eau avec images MEB des dépôts obtenus : a) zone « HT » ; b) et d) zone « condensation » ; c) zone « aérosols »

Les résultats des analyses ICP-MS sont résumés dans le Tableau 26 et la distribution élémentaire de césium et d’iode sur chaque tronçon est schématisée sur les Figures 112 et 113.

Tableau 26. Masse totale de Cs et d’I par unité de surface et ratio Cs/I, en fonction de la zone de dépôt (dépôt sous argon/vapeur d’eau)

Zone de dépôt Température, °C Masse totale déposée (Cs+I), mg/cm2 Rapport massique Cs/I « Haute température » 750-720 0,06 2,10 720-620 2,88 0,94 « Condensation » 620-440 10,73 (8,26**) 0,96 « Aérosols » 440-100 1,06-0,14 (4,29-0,68***) 0,05-0,48* 0,92-0,99 * Mesuré dans les parties latérale et supérieure de la feuille

** Mesuré après desquamation du dépôt *** Mesuré dans la partie inférieure de la feuille

On constate que dans la zone « HT », particulièrement dans la gamme de température 750-720°C, les quantités de césium et d’iode sont très faibles. Par ailleurs, le rapport massique entre le Cs et l’I est de 2,1 soit largement supérieur à 1,05, ce qui suggère à priori une dissociation de la molécule de CsI. Ce résultat est cohérent avec des études antérieures, qui ont mis en évidence une dissociation du CsI dans cette gamme de température ([26] et [46]). En termes de masse, le dépôt le plus important se produit dans la zone « condensation », ce qui a été déjà constaté pendant le programme DEVAP ([26]). D’après les analyses ICP-MS, la forme chimique supposée la plus probable du dépôt est le CsI, car le rapport massique Cs/I obtenu est de l’ordre de 0,96. On observe également que dans cette zone, le dépôt se forme préférentiellement sur la partie latérale et supérieure de la feuille 316L. Enfin, dans la zone « aérosols », la quantité de dépôt diminue progressivement avec la température et les particules de CsI (Cs/I=0,92-0,99) se déposent principalement par sédimentation gravitaire sur la partie inférieure de la feuille 316L.

Figure 112. Distribution massique surfacique du césium en fonction de la température obtenue par ICP-MS sur différentes parties du tronçon et ratio massique Cs/I

Figure 113. Distribution massique surfacique de l’iode en fonction de la température obtenue par ICP-MS sur différentes parties du tronçon et ratio massique Cs/I