Étude expérimentale et modélisation du comportement en fluage sous pression interne d'une gaine en alliage de zirconium oxydée en atmosphère vapeur

par Raphaël Chosson

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Soutenue le 03-12-2014

à Paris, ENMP , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Anna Fraczkiewicz.

Le jury était composé de Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Valérie Vandenberghe, Véronique Garat, Andréa Cabrera-Salcedo.

Les rapporteurs étaient Brigitte Bacroix, Ivan Guillot.


  • Résumé

    Durant un scénario d'Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), les gainages combustible en alliage de zirconium fluent sous pression interne et s'oxydent en présence de vapeur à haute température (HT). La gaine devient un matériau stratifié : des couches de zircone et de phase alpha fortement enrichie en oxygène, dite alpha(O), se forment à la surface externe de la gaine, qui est alors en phase beta. L'effet durcissant de l'oxydation sur le comportement en fluage des gaines sous pression interne a été mis en évidence dans des essais de laboratoire. Pour modéliser cet effet, le comportement mécanique de chacune des couches doit être déterminé. En particulier, cette étude a porté sur la caractérisation expérimentale du comportement en fluage de la phase alpha(O). Via un procédé original, des matériaux « modèles » contenant de 2 à 7 % en masse d'oxygène et représentatifs de la phase alpha(O) ont été produits puis testés en fluage axial sous vide. Pour la première fois, deux régimes de fluage ont été observés, pour lesquels les mécanismes et paramètres microstructuraux influents sont discutés. L'effet durcissant de l'oxygène sur le comportement en fluage de la phase alpha(O) a été quantifié et des lois d'écoulement viscoplastique, intégrant cet effet, ont été identifiées. Une fragilisation progressive par l'oxygène a également été mise en évidence. Une transition ductile/fragile, fonction de la température et de la teneur en oxygène, est proposée. Après avoir discuté leur pertinence, les lois de fluage pour chacune des couches, identifiées dans cette étude ou tirées de la littérature, ont été implémentées dans un modèle par éléments finis, décrivant la gaine comme un matériau stratifié. Ce modèle permet de reproduire une partie du durcissement observé expérimentalement.

  • Titre traduit

    Creep behavior under internal pressure of zirconium alloy claddings oxidized in steam at high temperature


  • Résumé

    During hypothetical Loss-Of-Coolant-Accident (LOCA) scenarii, zirconium alloy fuel cladding tubes creep under internal pressure and are oxidized at high temperature (HT). Claddings become stratified materials: zirconia and oxygen-stabilized alpha phase, called alpha(O), are formed on the outer surface of the cladding in beta phase.The strengthening effect of the oxidation on the cladding creep behavior under internal pressure was highlighted at HT. In order to model this effect, the creep behavior of each layer must be known.This study focused on the characterization of the creep behavior of the alpha(O) phase at HT, through axial creep tests performed under vacuum on model materials containing from 2 to 7 wt.% of oxygen, representative of the alpha(O) phase. The strengthening effect and the embrittlement due to oxygen on the alpha(O) phase creep behavior at HT was quantified and creep laws were identified.Relevance of the creep laws for each layer, identified in this study or from the literature, is discussed. Then, a finite elements model, describing the oxidized cladding as a stratified material, is built. Based on this model, a fraction of the experimental strengthening during creep is predicted.



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