Soudage par résistance du gainage combustible ODS d'un réacteur nucléaire de 4ème génération

par Fabien Corpace

Thèse de doctorat en Physico-Chimie de la Matière Condensée

Sous la direction de Angéline Poulon et de Jean-pierre Manaud.

Le président du jury était Claude-Henri Delmas.

Le jury était composé de Angéline Poulon, Jean-pierre Manaud, Jean-Michel Bergheau, Patrice Peyre, Arnaud Monnier, Patrick Carre.

Les rapporteurs étaient Jean-Michel Bergheau, Patrice Peyre.


  • Résumé

    Les alliages ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont des matériaux candidats pour la réalisation du gainage combustible des réacteurs nucléaires de Génération IV de type RNR-Na. Leurs propriétés mécaniques à haute température sont assurées par une dispersion d’oxydes nanométriques qui peut être modifiée sous l’effet de la température et notamment lors du passage par l’état liquide. Les procédés d'assemblage en phase solide sont donc préconisés. La méthode de soudage étudiée dans cette thèse est le soudage par résistance en bout. Une double approche simulation numérique-expérimentation a été mise en place pour étudier l’influence des paramètres opératoires sur le soudage et la soudure. L’ensemble des essais (expérimentaux et numériques) est réalisé selon la méthode des plans d’expériences factoriels complets. Un alliage ODS base fer à 20 % de chrome a été utilisé comme alliage d’essai.L’analyse de l’influence des paramètres opératoires sur le soudage est réalisée dans un premier temps. Les résultats montrent que l’étape de soudage peut se découper en trois phases. Dans une première phase, la température augmente au niveau des interfaces. Dans une seconde phase, le procédé de soudage est gouverné par le changement de section macroscopique lorsque le courant passe du bouchon massif à la gaine plus étroite. La température augmente alors dans la partie de gaine dépassant de l’électrode. Lorsque la température atteint une valeur suffisamment élevée, la partie de gaine dépassant de l’électrode se déforme, entrainant un affaissement général des pièces et constituant la troisième phase de l’étape de soudage. L’influence des paramètres opératoires sur les phénomènes physiques lors de l’opération d’assemblage est évaluée. Il est alors possible d’influer sur les sollicitations thermiques et mécaniques à l’aide des paramètres opératoires. L’analyse de l’influence des sollicitations thermomécaniques sur la soudure est réalisée dans un second temps. Sur les plages de paramètres opératoires étudiées, les résultats révèlent sur certaines soudures la présence de défauts de compacité ainsi qu’une modification de la microstructure et de la dispersion des oxydes. Les défauts de compacité peuvent être liés à des phénomènes thermiques et mécaniques au contact entre pièces. Les modifications de la microstructure sont liées à des phénomènes de recristallisation dynamique ou de fusion locale et donc à des phénomènes thermiques mais aussi mécaniques avec la présence de déformations importantes. Les modifications de la microstructure sont alors reliées à une modification de la dispersion d’oxydes. A l’aide des paramètres opératoires il est possible d’influer sur les températures et les déformations afin de limiter les modifications de la structure de l’alliage ODS ainsi que l’apparition de défaut de compacité. A l’aide de l’ensemble de ces résultats, la procédure de soudage est adaptée sur un alliage ODS à 9 % de chrome, nuance envisagée pour la réalisation des futurs gainages combustibles. L’influence des propriétés matériaux sur le soudage et la soudure est alors discutée en comparant les deux nuances ODS de compositions différentes mais aussi en comparant les résultats obtenus sur l’alliage ODS à 20 % de chrome avec un alliage non renforcé de composition semblable.

  • Titre traduit

    Resistance welding of ODS cladding fuel a nuclear reactor of the fourth generation


  • Résumé

    ODS steels (Oxide Dispersion Strengthened) are candidate materials for fuel cladding in Sodium Fast Reactors (SFR), one of the concepts at study for the forth generation of nuclear power plant. These materials have good mechanical properties at high temperature due to a dispersion of nanometer-sized oxides into the matrix. Previous studies have shown that melting can induce a decrease of the mechanical properties at high temperatures due to modifications of the nanometer-sized oxide dispersion. Therefore the fusion welding techniques are not recommended and the solid state bonding has to be evaluated. This study is focused on resistance upset welding.Welding experiments and numerical simulations of the process are coupled in this thesis. All the trials (experimental and numerical) are built using the experimental design method in order to evaluate the effects of the process parameters on the welding and on the weld. A 20Cr ODS steel is used in order to conduct the study.The first part is dedicated to the study of the influence of the process parameters on the welding. The simulation shows that the welding steps can be divided in three stages. First, the temperature of the contact between pieces increases. Second, the process is driven by the pieces geometry and especially the current constriction due to the thinness of the clad compare to the massive plug. Therefore, the heat generation is mainly located in the clad part out of the electrode leading to its collapse which is the third stage of the welding step. The evaluation of the process parameters influences on the physical phenomena (thermal, mechanical …) occurring during the welding step allow to adjust them in order to influence the thermal and mechanical solicitation undergone by the pieces during the welding process.The second part is dedicated to the study of the influence of the physical phenomena on the welds. In the process parameter range, some welds exhibit compactness defects or a modification of the microstructure and of the oxide dispersion. Compactness defects are related to thermal and mechanical phenomena occurring at the contact between pieces. The modification of the microstructure is related to dynamical recrystallization or to a local fusion. The dynamical recrystallization occurring in the clad due to high deformation and high temperature is linked to modification of the oxide dispersion.Using the effects of the process parameters on the welding and on the weld, it is possible to adjust the temperature and the deformation in order to avoid the compactness defects and the modification of the oxide dispersion. All these results are then apply to the welding of a 9Cr ODS steel which is a candidate alloy for the SFR fuel cladding. The effects of the material properties on the welding and the weld are then discussed by comparing the two alloy with a different chromium content but also by comparing results on the 20Cr-ODS with a material of similar chemical composition but without the oxide dispersion.


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