La présente étude porte sur les problématiques d’entreposage de colis de déchets nucléaires. En France, via le projet Cigéo, il est envisagé d’entreposer les déchets radioactifs de moyenne et haute activité à vie longue à 500 mètres de profondeur dans un conteneur en acier API 5L X65 (chemisage) déposé dans des galeries creusées au sein d’une formation argileuse (argilites). Une température maximum de 90°C est attendue à la surface de l’acier en raison de l’intense radioactivité. Finalement, un coulis cimentaire (matériau de remplissage) sera injecté entre le chemisage et les argilites. La synthèse de couches de produits de corrosion susceptibles d’être rencontrées à la surface de l’acier dans les conditions de stockage a constitué le premier objectif de ce travail. Les conditions pour l’obtention de sidérite (FeCO3), de mackinawite (FeS) et de magnétite (Fe3O4) ont été déterminées. Par la suite, des essais de couplage impliquant deux électrodes recouvertes de produits différents ont été réalisés dans le but de simuler le comportement d’une surface d’acier recouverte d’une couche hétérogène de produits de corrosion. Il est apparu que l’acier recouvert d’une couche de mackinawite se comportait dans chaque cas comme une cathode. Ce phénomène est associé au caractère plutôt protecteur de la couche de mackinawite. Parallèlement, les essais de formation de la mackinawite par polarisation anodique ont montré que la formation d’une couche de produits de corrosion composée de magnétite/mackinawite était associée à un phénomène de corrosion localisée. Le comportement de l’acier au contact du matériau de remplissage envisagé pour combler l’espace entre le chemisage et les argilites a ensuite été étudié. Ce deuxième volet de l’étude a montré que la couche de produits de corrosion se formant à la surface de l’acier était principalement composée de magnétite, associée à des sulfures de fer tels que la mackinawite. L’hétérogénéité du matériau de remplissage, la présence de sulfures en son sein et la présence d’oxygène dissous dans les solutions de test sont les principales causes de l’apparition d’un phénomène de corrosion localisée. Ce résultat traduit également le caractère imparfaitement protecteur des couches d’oxyde se formant sur l’acier au contact du matériau cimentaire. Enfin, la dernière partie de ce travail de recherche a porté sur l’étude d’éventuels effets galvaniques entre une zone recouverte d’argilites et une zone recouverte de matériau de remplissage impliquant la présence de magnétite et de mackinawite et pouvant faire office de cathode. De tels effets n’ont pas été mis en évidence, ce qui est attribué à l’absence d’un véritable état passif de l’acier en contact avec le matériau cimentaire. / The present study relates to the problem of long-term disposal of nuclear waste. In France, with the Cigéo project, it is envisaged to store high and intermediate level long lived radioactive waste at a depth of 500m inside a carbon steel (API 5L X65) casing in a deep geological disposal, drilled in a very stiff clay formation. A maximum temperature of 90°C is expected at the carbon steel surface, because of the intense radioactivity. Finally, a specific cement grout will be injected between the carbon steel casing and the argilites. The synthesis of corrosion product layers likely to form on the steel surface was the first objective of this work. The different parameters to obtain siderite (FeCO3), mackinawite (FeS) and magnetite (Fe3O4) have been determined. Subsequently, coupling tests were carried out with two steel electrodes covered with different corrosion products in order to simulate the behaviour of a steel surface covered with a heterogeneous corrosion product layer. It appeared that the steel electrode covered with mackinawite was in each case the cathode. This phenomenon is associated with the somewhat protective properties of the mackinawite layer. Besides, anodic polarization experiments conducted to prepare mackinawite layers showed that the formation of a corrosion product layer composed of magnetite/mackinawite was associated with localized corrosion. The behaviour of carbon steel in contact with cement grout envisaged to fill the gap between casing and argillites was studied next. This second part of the study showed that the corrosion product layer forming on the steel surface was mainly composed of magnetite, associated with iron sulphides such as mackinawite. Heterogeneity of the cement grout, presence of sulphide within it, and presence of dissolved oxygen in the test solutions are the main causes of the appearance of localized corrosion processes. This result also shows that the oxide layers forming on the steel surface in the specific cement grout only provides an imperfect protection. Finally, the last part of this research work focused on the study of possible galvanic effects between a zone covered with argilites, and a zone covered with cement grout implying the presence of magnetite and mackinawite and thus able to act as cathode. Such effects could not be evidenced which is attributed to the absence of a real passive state of the steel in contact with the cement grout.

Les alliages aluminium-cuivre, et en particulier l'alliage 2024 (4% de Cu) sont utilisés dans l'industrie aéronautique pour leur faible densité alliée à de très bonnes propriétés mécaniques. Néanmoins, ces alliages sont très sensibles à la corrosion. Ainsi dans le cas de l'alliage 2024, la présence de précipités riches en cuivre, noyés dans une matrice d'aluminium, soumet cet alliage à un risque de corrosion galvanique. Dans une solution en plein bain contenant un électrolyte aéré de pH neutre, le couplage galvanique entre les deux métaux se produit comme prévu : la dissolution d'aluminium est la réaction anodique et la réduction de l'oxygène est la réaction cathodique à la surface du cuivre. La formation d'une crevasse à l'interface Al / Cu, avec re-déposition de cuivre dans le voisinage de l'interface a souvent été observée, mais n'a jamais été clairement expliquée. Ainsi, le but de ce travail est de mettre en évidence le mécanisme de dissolution du cuivre et de voir l'influence du confinement sur ce comportement. Un montage en couche mince a été mis au point au laboratoire, permettant d'obtenir une couche d'électrolyte (d'épaisseur inférieure à quelques centaines de micromètres) entre deux plans parallèles contenant respectivement des électrodes en cuivre pur et en aluminium pur. Le courant et le potentiel galvaniques ont été suivis en fonction du temps, de la distance entre les deux métaux, ainsi que du rapport des surfaces variant entre 10 et 0,1 entre le cuivre et l'aluminium. Après le remplacement de l'électrode supérieure par une paroi isolante, le comportement de l'électrode de cuivre a été suivi en présence d'ions Al3+ dans la couche mince. Enfin, le mécanisme de couplage galvanique est discuté en tenant compte de la modification du pH au sein de la couche mince d'électrolyte.

La " shadow corrosion " est un phénomène observé sur les gaines en alliages de zirconium des assemblages de combustibles dans les réacteurs nucléaires. Il consiste en l'augmentation de la corrosion sur les zones de la gaine qui sont à proximité d'autres parties de l'assemblage en Inconel. Afin d'améliorer la compréhension de ses mécanismes, des modèles numériques sont développés suivant deux axes d'études. Un premier modèle de couplage galvanique a pour but de dégager les facteurs de premier ordre. Les résultats des simulations montrent que l'intensité du courant anodique, et sa dépendance en potentiel, contrôlent le caractère local (effet d'ombre) de ce phénomène. D'autre part, cet effet nécessitant un courant cathodique assez élevé révèle l'importance du pouvoir oxydant de l'électrolyte. Un deuxième modèle d'oxydation du zirconium est développé en intégrant le transport multi particules dans l'oxyde. Ce modèle, couplé aux effets d'interfaces (métal/oxyde et oxyde/électrolyte), permet de démontrer le rôle crucial de la polarisation et de l'hydrogène provenant de la dissociation de l'eau sur les cinétiques d'oxydation. A partir de ces modèles, un scénario explicatif de la shadow corrosion est élaboré suggérant l'importance de la radiolyse de l'eau.

La « shadow corrosion » est un phénomène observé sur les gaines en alliages de zirconium des assemblages de combustibles dans les réacteurs nucléaires. Il consiste en l'augmentation de la corrosion sur les zones de la gaine qui sont à proximité d'autres parties de l'assemblage en Inconel. Afin d'améliorer la compréhension de ses mécanismes, des modèles numériques sont développés suivant deux axes d'études. Un premier modèle de couplage galvanique a pour but de dégager les facteurs de premier ordre. Les résultats des simulations montrent que l'intensité du courant anodique, et sa dépendance en potentiel, contrôlent le caractère local (effet d'ombre) de ce phénomène. D'autre part, cet effet nécessitant un courant cathodique assez élevé révèle l'importance du pouvoir oxydant de l'électrolyte. Un deuxième modèle d'oxydation du zirconium est développé en intégrant le transport multi particules dans l'oxyde. Ce modèle, couplé aux effets d'interfaces (métal/oxyde et oxyde/électrolyte), permet de démontrer le rôle crucial de la polarisation et de l'hydrogène provenant de la dissociation de l'eau sur les cinétiques d'oxydation. A partir de ces modèles, un scénario explicatif de la shadow corrosion est élaboré suggérant l'importance de la radiolyse de l'eau. / La « shadow corrosion » est un phénomène observé sur les gaines en alliages de zirconium des assemblages de combustibles dans les réacteurs nucléaires. Il consiste en l'augmentation de la corrosion sur les zones de la gaine qui sont à proximité d'autres parties de l'assemblage en Inconel. Afin d'améliorer la compréhension de ses mécanismes, des modèles numériques sont développés suivant deux axes d'études. Un premier modèle de couplage galvanique a pour but de dégager les facteurs de premier ordre. Les résultats des simulations montrent que l'intensité du courant anodique, et sa dépendance en potentiel, contrôlent le caractère local (effet d'ombre) de ce phénomène. D'autre part, cet effet nécessitant un courant cathodique assez élevé révèle l'importance du pouvoir oxydant de l'électrolyte. Un deuxième modèle d'oxydation du zirconium est développé en intégrant le transport multi particules dans l'oxyde. Ce modèle, couplé aux effets d'interfaces (métal/oxyde et oxyde/électrolyte), permet de démontrer le rôle crucial de la polarisation et de l'hydrogène provenant de la dissociation de l'eau sur les cinétiques d'oxydation. A partir de ces modèles, un scénario explicatif de la shadow corrosion est élaboré suggérant l'importance de la radiolyse de l'eau.

La présente étude porte sur le problème de l'entreposage à long terme des déchets nucléaires. En France, il est prévu que les déchets radioactifs à haute activité et vie longue soient confinés dans un surconteneur en acier au carbone, puis stockés à une profondeur d'environ 450 m dans une formation argileuse (argilite). En raison de l'intense radioactivité, une température proche de 90°C est attendue à la surface de l'acier. Dans un premier temps, il a été nécessaire de synthétiser, par polarisation anodique à courant imposé, des couches de produits de corrosion susceptibles de se former en conditions de stockage. Les électrodes d’acier S235 ont été recouvertes d’une couche d’argilite broyée et immergées en solutions carbonatées. La synthèse a d’abord été effectuée à 25°C afin de déterminer les paramètres influant sur la nature des produits de corrosion, puis à 80°C de façon à se rapprocher des conditions réelles. Les composés obtenus dépendent de la concentration en NaHCO3, de la densité de courant imposée et du temps de polarisation. A 80°C, la magnétite Fe3O4 et la sidérite FeCO3 sont les principaux produits formés. La rouille verte carbonatée FeII4FeIII2(OH)12CO3.2H2O et la chukanovite Fe2(OH)2CO3 n'ont pu être détectées que localement dans certaines conditions. Des sulfures de fer, notamment la mackinawite, se forment en début d’expérience pour des densités de courants anodiques modérées. Dans la deuxième partie de l’étude, nous avons étudié l’influence des espèces sulfures sur un système constitué par l’acier et une couche de produits de corrosion modèle. Les modifications de cette couche préalablement formée, induites par les espèces sulfures, ont été plus particulièrement étudiées. Enfin, la dernière partie de notre travail de recherche a porté sur l’étude des couplages galvaniques pouvant s’établir entre deux zones de la surface de l’acier recouvertes de produits de corrosion différents. Nous avons notamment étudié les couplages impliquant la magnétite Fe3O4, principal composé conducteur susceptible de se former en conditions de stockage. / The present study relates to the problem of the long-term interim storage of nuclear wastes. In France, it is envisaged that high-level radioactive wastes will be confined in a glass matrix, stored in a stainless steel canister, itself placed in a carbon steel overpack. The wastes will then be stored at a depth of ~450 m in a deep geological disposal, drilled in a very stiff (indurated) clay (argillite) formation. A temperature as high as 90°C is expected at the steel surface because of the intense radioactivity. Anodic polarization at applied current density was used to synthetize corrosion product layers likely to be formed in storage conditions. The S235 steel electrodes were covered by a layer of argillite and dipped in carbonated solutions. The synthesis was first achieved at 25°C to determine the parameters controlling the nature of the corrosion products and then at 80°C to be closer to the real conditions. The nature of the obtained compounds proved to be dependent on NaHCO3 concentration, on current density and on polarization time. At 80°C, magnetite Fe3O4 and siderite FeCO3 were the main identified compounds. Carbonate green rust FeII4FeIII2(OH)12CO3.2H2O and chukanovite Fe2(OH)2CO3 were detected locally in some experiments. Iron sulfides, mainly mackinwaite, also formed at the beginning of the experiments with a moderate current density. In the second part of the study, the influence of sulfide species on the steel / model corrosion products layer system was investigated. The modifications of the layers previously formed by anodic polarization induced by sulfide species were more particularly studied. Finally, the last part of our research was focused on the effects of a galvanic coupling that could appear between two areas of the steel coated by different corrosion products. In particular, galvanic couplings involving magnetite Fe3O4, the main conductive compound likely to form under storage conditions, were studied.

Le soudage par friction (Friction Stir Welding - FSW) est un processus efficace de se joindre des alliages d'aluminium à haute résistance en évitant les défauts que l'on trouve habituellement lorsque les techniques de soudage classiques sont utilisés. L'industrie de l'aviation a montré un grand intérêt pour cette méthode de soudage, tant pour l'union des alliages semblables comme pour dissemblables. Cependant, ce processus entraîne des changements de microstructure dépendantes des conditions de traitement thermique ou thermomécanique. Le contact électrique entre les différentes zones de microstructures, à son tour, peut conduire à un couplage galvanique entre les différentes zones. Dans la présente étude, le soudage FSW a été utilisé pour joindre deux alliages d'aluminium dissemblables,AA2024-T3 et AA7475-T651. La résistance à la corrosion des joints soudés a été évaluée par des tests électrochimiques, en particulier, les mesures de potentiel en circuit ouvert(OCP), les courbes de polarisation, et des mesures de spectroscopie d'impédance électrochimique, soit globale (EIS) ou local (LEIS) en solution de 0,1 M Na2SO4 ou 0,1MNa2SO4 + 1 mM NaCl. Les tests électrochimiques ont montré l'effet de couplage galvanique dans les joints soudés. La résistance à la corrosion intergranulaires et la résistance à corrosion par exfoliation des joints soudés ont également été évaluées et comparées à celles du AA2024-T3 et les alliages AA7475-T651 non soudées. Les résultats ont montré une réactivité accrue des joints soudés en comparaison avec les alliages non soudés en notant l'attaque plus intense sur l'alliage AA7475-T651. L'identification des zones cathodiques et anodiques dans les joints soudées ont été évaluée par un test consistant à déposer un gel(agar) avec l'indicateur universel et il a été observé que l'alliage AA2024-T3 a agi en tant que cathode, tandis que la AA7475- T651 comme anode. Par ailleurs, le dégagement d'hydrogène a été observée dans la région d'interface entre la zone affectée thermomécaniquement et l'alliage AA7475-T651 affectée par la chaleur. Les résultats des essais de LEIS effectuées dans différentes zones des deux alliages soudés par FSW ont montré l'engagement galvanique à l'interface entre eux pour de courtes durées d'analyse etde déplacement de la région la plus active dans le temps de test pour l'alliage AA7475-T651,plus précisément à l'interface entre la zone affectée thermomécaniquement et la thérmique affectée de cette alliage. / Friction Stir Welding (FSW) is an efficient process of joining high strength aluminum alloys avoiding defects that are usually created when conventional welding techniques are used. The aircraft industry has shown great interest in this welding method, both for welding of similar or dissimilar alloys. However, this process causes microstructural changes that are dependent on the thermal or thermomechanical conditions applied. Electrical contact between zones of different microstructures, in turn, can result in galvanic coupling. In the present study, FSW was used to join two dissimilar aluminum alloys, AA2024-T3 and AA7475-T651 and the effect of this processon the corrosion resistance of the welded joints and on the microstructure of the alloys was evaluated. For corrosion resistance evaluation, electrochemical tests were used, specifically,open circuit potential measurements (OCP) as a function of time of exposure time to the corrosive environment, polarization tests, and electrochemical impedance spectroscopy, global (EIS) orlocal (LEIS), in two solutions, either 0.1 M Na2SO4 or 0.1M Na2SO4 + 1 mM NaCl. The electrochemical tests showed galvanic coupling effects in the welded joints. Microstructural characterization was carried out by optical microscopy, scanning electron microscopy,transmission electron microscopy and differencial scanning calorimetry. The welded affected zones showed significant microstructural changes indicated by precipitation and dissolution of precipitates that affect the localized corrosion resistance. Intergranular and exfoliation corrosion resistance of the welded joints were also evaluated and compared to those of unwelded AA2024-T3 and AA7475-T651 alloys. The results showed increased susceptibility of welded joints to these forms of corrosion in comparison with the unwelded alloys with more severe attack associated tothe AA7475-T651 alloy. Identification of anodic and cathodic areas due to galvanic coupling in the welded joints was evaluated by a test consisting in depositing a gel layer (ágar-ágar) with universal indicator on the surface of the welded alloys. The AA2024-T3 alloy worked as cathode,while the AA7475-T651 as anode in the galvanic coupling. Furthermore, hydrogen evolution was observed at the interface region between the thermomechanically affected zone and the heat affected alloy AA7475-T651 showing that cathodic reactions also occurred on this last alloy. LEIS results obtained in different zones of the two FSW welded alloys showed galvanic coupling at the interface between them for short test times and displacement of the most active region to theAA7475-T651 alloy, at longer periods of test, specifically to the interface between the thermomechanically affected and the heat affected zones of this last alloy. / A soldagem por fricção (Friction Stir Welding - FSW) é um processo eficiente de unir ligas dealumínio de alta resistência evitando defeitos que são usualmente criados quando técnicasconvencionais de soldagem são utilizadas. A indústria aeronáutica tem mostrado grande interesseneste método de soldagem, tanto para a união de ligas similares como dissimilares. Entretanto,este processo causa modificações microestruturais dependentes das condições de tratamentotérmico ou termomecânico. Contato elétrico entre zonas de microestruturas diferentes, por sua vez,pode resultar em acoplamento galvânico. No presente estudo, a soldagem por FSW foi usada paraunir duas ligas de alumínio dissimilares, AA2024-T3 e AA7475-T651 e o efeito desta soldagem naresistência à corrosão das juntas soldadas e na microestrutura das ligas foi avaliada. Nainvestigação da resistência à corrosão foram utilizados ensaios eletroquímicos, especificamente,medidas de potencial de circuito aberto (OCP) em função do tempo de exposição ao meio corrosivo,ensaios de polarização e de espectroscopia de impedância eletroquímica, global (EIS) ou local(LEIS), em duas soluções, seja 0,1 M Na2SO4 ou 0,1 M Na2SO4 + 1 mM NaCl. Os ensaioseletroquímicos evidenciaram efeito de acoplamento galvânico nas juntas soldadas. Acaracterização microestrutural foi realizada por microscopia ótica, microscopia eletrônica devarredura, microscopia eletrônica de transmissão e por calorimetria diferencial. As zonas afetadaspela solda tiveram importantes modificações na microestrutura indicadas pela precipitação edissolução de precipitados que afetam a resistência à corrosão localizada. A resistência à corrosãointergranular e a resistência à esfoliação das juntas soldadas também foram avaliadas ecomparadas com as das ligas AA2024-T3 e AA7475-T651 não soldadas. Os resultados mostraramaumento da suscetibilidade das juntas soldadas a estas formas de corrosão em comparação comas ligas não soldadas sendo observado ataque mais severo na liga AA7475-T651. A identificaçãodas áreas anódicas e catódicas resultantes do acoplamento galvânico nas juntas soldadas foirealizada por teste que consistiu na deposição de camada de gel (ágar-ágar) com indicadoruniversal na superfície das ligas soldadas. A liga AA2024-T3 atuou como cátodo, enquanto aAA7475-T651, como ânodo no par galvânico. Além disso, evolução de hidrogênio foi observada naregião de interface entre a zona termomecanicamente afetada e a termicamente afetada da ligaAA7475-T651 mostrando que reações catódicas também ocorreram localmente nesta última liga.Resultados de LEIS obtidos nas diferentes zonas das duas ligas soldadas por FSW mostraramacoplamento galvânico na interface entre elas para tempos curtos de ensaio e deslocamento daregião mais ativa com o tempo de ensaio para a liga AA7475-T651, mais precisamente para ainterface entre a zona termomecanicamente afetada e a térmicamente afetada desta liga.