Evaluation et contrôle non destructif de combustible nucléaire par ultrasons laser

Non-destructive testing and evaluation of the nuclear fuel by laser ultrasonic technique

• Auteur / Autrice : Ahmed Amziane
• Direction : Jean-Marc Breteau, Denis Mounier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'état condensé (Le Mans)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Guides d'ondes

Éléments finis, Méthode des

Contrôle non destructif

Problèmes inverses

Mesure sans contact

Mesures optiques

Interférométrie

Thermoélasticité

Mots clés libres

Particules HTR

Symétrie de rotation

Dégénérescence modale

Gaines de Zircaloy

Résumé

Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre l’industriel AREVA NP et le laboratoire PEC de l’université du Maine et a été financée par une convention CIFRE. Ce travail vise à développer des techniques pour le contrôle et l’évaluation non destructive de combustible nucléaire, qui sont essentielles à la sûreté des centrales. Le combustible étudié se présente sous la forme de particules sensiblement sphériques d’environ 1 mm de diamètre adaptées à une nouvelle génération de réacteurs nucléaires dite High Temperature Reactor (HTR). De plus, il a été effectué des essais de contrôle sur des gaines de Zircaloy conditionnant le combustible actuellement utilisé dans les réacteurs classiques à eau pressurisée. Ces gaines se présentent sous forme de tubes d’environ 10 mm de diamètre et 0,5 mm d’épaisseur. La technique des ultrasons laser présente l’avantage de ne pas nécessiter de contact mécanique. La source laser crée à la surface du matériau un échauffement qui engendre dans celui-ci un champ de contraintes qui se traduit par la propagation d’ondes de volume et de surface. En utilisant cette technique, le spectre des vibrations des particules HTR a été mesuré. La modélisation du comportement vibratoire de la particule a été effectuée d’une part, en utilisant un calcul par éléments finis et d’autre part, en effectuant un calcul analytique des fréquences propres. Plusieurs caractéristiques de la particule HTR peuvent être déterminées par la résolution du problème inverse consistant à recaler les fréquences propres calculées et mesurées. Une approche originale permettant de bien poser le problème inverse, basée sur la méthodologie des plans d’expériences est utilisée. La technique des ultrasons laser permet de détecter des défauts sur la couche de céramique qui est essentielle au confinement des produits de fission. Les expériences ont mis en évidence une altération significative du comportement vibratoire en présence d’une fissure dans la couche de confinement. La simulation par éléments finis d’une particule fissurée, en particulier l’observation des déformées modales, permet d’interpréter les modifications du spectre vibratoire obtenu expérimentalement. Dans la perspective d’une industrialisation du procédé de contrôle, il a été développé un support pour la particule HTR qui permet de manipuler aisément les particules et de ne pas altérer de manière importante leur comportement vibratoire. La technique des ultrasons laser a également été utilisée pour détecter des entailles (1,5mm x 0,1mm x 50µm) situées sur la surface externe et interne d’un tube de Zircaloy. Pour cela, il a été employé des ondes guidées se propageant soit selon une génératrice soit dans une direction circonférentielle. Des indicateurs de présence d’une fissure ont été dégagés.

This research, financed by a CIFRE grant, was carried out in the Laboratoire de Physique de l’Etat Condensé (Université du Maine, France) as a response to a request of the AREVA NP company for developing non destructive testing and evaluation (NDT&E) with contactless techniques which would be applied to nuclear fuel to improve nuclear power plants safety. The fuel that is to be controlled is conditioned in the form of ultilayered spherical particles of approximately 1 mm in diameter. This nuclear fuel has been designed for a new generation of nuclear power reactor known as High Temperature Reactor (HTR). In a parallel direction, the laser ultrasonic technique was applied to test Zircaloy pipes (about 9. 5 mm in diameter and 0. 5 mm in thickness) that are currently used to contain the fuel in the conventional pressurized water reactors. Laser ultrasonics has the advantage to be a contactless technique. The laser source heats up the material’s surface and generates an elastic perturbation, that results in the propagation of bulk and surface ultrasonic waves. Using this technique, we have measured the vibrational spectrum of HTR particles. In order to understand the vibrational behaviour and calculate the resonance frequencies of a HTR particle, we have performed simulations using finite elements analysis as well as analytical calculations. By fitting the calculated with the measured vibration frequencies, we have proved that the elastic properties of some layers can be determined. For solving more efficiently the inverse problem, we have used an original approach based on an experimental design methodology. In addition, the laser ultrasonic technique has been applied for non destructive testing of the ceramic layer, the role of which is to contain fission products. The vibrational spectrum of a particle is significantly changed when a micro-crack (damage) is present in the ceramic rigid layer. The finite element analysis simulations of a micro-cracked particle show that changes in some modal structure would explain the appearance of new vibrational frequencies. In order to permit an easy handling of the HTR particles, we have designed a special particle holder, which would be employed for industrial control. While maintaining the particle fixed during de measurement, this holder induces a negligible perturbation in the vibration spectrum. Finally, we have used the laser ultrasonic technique for crack detection (1. 5 mm x 0. 1 mm x 50µm) located on the external and internal surfaces of Zircaloy tubes. We have generated acoustic waves that can propagate along the circumference or the generatrix of the cylinder. Some indicators of the presence of the crack have been isolated.