Nouveau procédé pour le contrôle des crayons combustibles
Villigen, 13.10.2026 — Des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI ont examiné les gaines des crayons combustibles de réacteurs nucléaires au moyen d’un nouveau procédé d’imagerie en 3D. Ils ont pu constater avec une extrême précision l’ampleur de la modification de leur qualité au fil du temps. Ces changements sont provoqués par la corrosion et l’exposition au rayonnement. La couche d’oxyde des gaines est apparue étanche, même après des années d’utilisation. Le nouveau procédé permet ainsi un contrôle particulièrement détaillé de l’étanchéité.
Les gaines des crayons combustibles dans les réacteurs nucléaires doivent rester étanches, malgré la menace de corrosion due à la présence de l’eau de refroidissement et malgré le rayonnement résultant de l’exploitation de la centrale. C’est pourquoi il est important de savoir à quelle vitesse les couches de corrosion se forment et de connaître leur porosité. Grâce à une nouvelle méthode, des scientifiques de l’Institut Paul Scherrer PSI sont parvenus, pour la première fois, à rendre visibles les modifications du matériau dont sont faites les gaines: le procédé en trois dimensions offre une résolution de l’ordre du nanomètre. Autre particularité, ils ont examiné des échantillons de gaines qui ont réellement été utilisées dans un réacteur. Il est apparu qu’elles supportaient les conditions auxquelles elles étaient soumises puisqu’elles étaient toujours étanches. Les scientifiques ont publié les résultats de leur étude dans la revue spécialisée Advanced Engineering Materials.
Un rayonnement gérable grâce à des échantillons minuscules
Les nouvelles analyses ont été réalisées dans le cadre d’une collaboration entre trois centres de recherche du PSI: le centre de l’ingénierie et des sciences nucléaires, le centre des sciences photoniques et le centre de recherche avec neutrons et muons. Dans le laboratoire Chaud du PSI – une installation unique en son genre pour l’étude des substances hautement radioactives –, les collaboratrices et collaborateurs du centre de l’ingénierie et des sciences nucléaires ont découpé, dans des cellules blindées et à l’aide de scies de précision spéciales, des échantillons extrêmement fins à partir de gaines usagées de crayons combustibles. Ils ont ensuite donné à ces échantillons une forme cylindrique au moyen d’un faisceau d’ions focalisé.
Ces éléments provenaient de la surface des gaines, une couche d’oxyde de zirconium produite par oxydation durant leur utilisation. «En fin de compte, le diamètre de notre minuscule colonne d’oxyde de zirconium n’était que de 20 micromètres de diamètre, ce qui fait qu’à l’œil nu, l’échantillon était quasiment invisible. Un cheveu humain est trois à quatre fois plus épais», explique Okan Yetik, premier auteur de la nouvelle étude, qu’il a réalisée dans le cadre de sa thèse, entretemps achevée, au centre de l’ingénierie et des sciences nucléaires ainsi qu’au centre de recherche avec neutrons et muons du PSI.
«Un échantillon de cette taille n’émet que très peu de rayonnement ionisant», ajoute Liliana Duarte, chercheuse au centre de l’ingénierie et des sciences nucléaires du PSI, qui a participé à l’encadrement de la thèse d’Okan Yetik. «Nous étions ainsi en dessous de la valeur limite autorisée pour réaliser une analyse de ce genre hors de cellules de laboratoire dotées d’un blindage spécial.»
Il a donc été possible d’examiner l’échantillon à la Source de Lumière Suisse SLS du PSI, au moyen de la technique de tomographie par rayons X ptychographique (PXCT) développée ici. L’échantillon est alors balayé point par point par un faisceau de rayons X et sous différents angles, ce qui permet d’obtenir des images tridimensionnelles à très haute résolution de la structure interne du matériau. «Nous sommes même parvenus à reconnaître des pores qui ne mesuraient que 80 nanomètres», affirme Andreas Menzel du centre des sciences photoniques au PSI, lui aussi co-auteur de l’étude.
«Les mesures réalisées à la SLS nous montrent que les couches d’oxyde protectrices des gaines restent étanches, même après des années d’utilisation, et qu’elles remplissent donc leur fonction», explique Liliana Duarte.
Comparaison possible avec les tests standard
A titre de comparaison, les scientifiques ont également analysé des échantillons de gaines non irradiées, telles qu’elles sont utilisées jusqu’à présent pour les contrôles de sécurité: dans un autoclave – un récipient qui fonctionne comme une cocotte-minute –, les échantillons sont soumis volontairement à la pression, à la température et à l’eau.
Il est apparu que l’étanchéité des gaines utilisées et celle des gaines passées dans l’autoclave étaient pratiquement identique. On peut en conclure que les tests réalisés habituellement sur les matériaux avec des échantillons non radioactifs en autoclave fournissent des résultats tout à fait fiables.
De bonnes nouvelles en matière de sécurité
Ce sont d’excellentes nouvelles pour la sécurité des gaines des crayons combustibles et partant, pour les centrales nucléaires. Il en va de même pour les futurs examens de ces gaines: il n’est pas toujours nécessaire d’analyser de véritables gaines usagées.
La recherche au PSI peut ainsi aider les exploitants de centrales nucléaires à optimiser davantage la chimie de l’eau et la gestion de leurs réacteurs. Pour leur part, les fabricants d’éléments combustibles peuvent adapter de manière plus ciblée les alliages et les traitements thermiques aux exigences spécifiques. Enfin, cette nouvelle méthode d’analyse offre la possibilité, à l’avenir, d’analyser avec le même niveau de détail les composants des réacteurs de nouvelle génération, appelés «petits réacteurs modulaires», ainsi que ceux des réacteurs à fusion nucléaire, et de les optimiser en vue de leur utilisation.
Texte: Jan Berndorff
À propos du PSI
L'Institut Paul Scherrer PSI est le plus grand institut de recherche en sciences naturelles et en sciences de l’ingénierie de Suisse. Ici sont réunies les grandes installations de recherche suisses, disponibles à la communauté scientifique et à l'industrie. Les propres recherches du PSI portent dans les domaines suivants: Technologies d’avenir, Energie et climat, Innovation santé et Fondements de la nature. Le budget annuel s'élève à 450 millions de francs suisses. Le PSI emploie 2300 personnes, dont environ un quart sont des post-doctorants, des doctorants ou des apprentis. Le PSI fait partie du domaine des EPF, qui comprend également l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, ainsi que les autres instituts de recherche fédéraux Empa, Eawag et WSL.
Contact
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PSI Center for Photon Sciences
Institut Paul Scherrer PSI
+ 41 56 310 37 11
andreas.menzel@psi.ch
[allemand, anglais]
Publication originale
Density Measurement of Irradiated and Non-Irradiated Zirconium Oxide by Ptychographic X-Ray Computed Tomography (PXCT)
Okan Yetik, Liliana I. Duarte, M.G. Makowska, Roland Brütsch, Andrej Bullemer, Ana Diaz, Mirko Holler, Andreas Menzel, Johannes Bertsch, Pavel Trtik
Advanced Engineering Materials, 11.10.2026 (online)
DOI: 10.1002/adem.202503145