Développement d'essais de ballonnement instrumentés pour la caractérisation et la simulation du fluage secondaire de gaines en Zr-4 dans des conditions thermo-mécaniques représentatives d'un APRP

Design of instrumented ballooning tests for the characterization and simulation of secondary creep of Zr-4 claddings under thermo-mechanical conditions representative of a LOCA

• Auteur / Autrice : Damien Campello
• Direction : Marie-Christine Baietto, Michel Coret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Calloch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Baietto, Michel Coret, Sylvain Calloch, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Jean-José Orteu, Jean Desquines, Stelios Kyriakides, Nicolas Tardif
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Jean-José Orteu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermographie

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Ballonnement

Thermographie infrarouge

Mécanique

Fluage

Gainage

Chauffage

Thermocouple

Analyse numérique

Ballooning

Thermography

Mechanics

Creep

Cladding

Heating

Thermocouple

Numerical analysis

Résumé

L'étude réalisée au cours de cette thèse s'intéresse au fluage secondaire de gainages de Zircaloy-4 détendu dans des conditions représentatives d'un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) dans le circuit primaire d'un réacteur à eau pressurisée. Elle s'intègre dans le cadre du projet ANR PERFROI. Ce travail s'articule autour de trois axes que sont la conception d'essais de fluage à haute température et en pression interne sur des gaines, leur réalisation et exploitation, la modélisation de ces essais et la caractérisation du comportement au fluage secondaire de cet alliage, et l'étude du fluage secondaire d'éprouvettes de Zr-4 pré-oxydées. Le banc d'essai est conçu pour induire un chargement thermique hétérogène le long des éprouvettes tubulaires testées en utilisant un chauffage par induction. Le fluage à haute température des métaux est très dépendant de la température. Ce gradient thermique couplé à une pression interne mène alors à une déformation hétérogène de l'éprouvette dans l'axe du tube. En réalisant plusieurs chargements en pression interne, plusieurs conditions thermo-mécaniques sont appliquées en un seul essai. Les essais sont instrumentés de manière à mesurer les distributions cinématique et thermique dans une région de 20 mm située entre les spires de l'inducteur. Deux méthodes d'analyse d'images numériques sont adaptées dans ce but et ont été validées par des essais dédiés. Les essais sont modélisés sous le logiciel commercial ABAQUS6.11-2. Un recalage d'une loi de fluage secondaire est réalisé, par des calculs éléments finis intégrés dans un solveur de Gauss-Newton. Cette démarche est validée avec un essai virtuel puis appliquée à 9 essais réalisés sur des échantillons de Zr-4 vierge. Les résultats permettent de déterminer à la fois l'influence de la température et du chargement mécanique de manière fine pour la gamme de température et pression souhaitée. Ils mettent en évidence un changement brutal de comportement à une température de 810 °C, correspondant au début de la transition de la phase alpha vers un matériau biphasé. De plus, les exposants de Norton identifiés dans le domaine alpha pour des contraintes inférieures à 25 MPa sont de l'ordre de l'unité, et entre 4 et 5 pour les contraintes supérieures. Ces ordres de grandeurs sont respectivement associés dans la littérature à des mécanismes de fluage par diffusion et dislocation. Au-dessus de 810 °C, les caractéristiques associées dans la littérature à la superplasticité sont mis en évidence : l'exposant de Norton est compris entre 2,5 et 3,5 et l'énergie d'activation est supérieure à 300 kJ/mol. Des essais sont enfin menés sur des éprouvettes seulement pré-hydrurées, puis pré-oxydées et pré-hydrurées. Les mesures réalisées pendant ces essais sont associées à des métallographies pour mettre en évidence l'effet des couches de zircone et de phase alpha enrichie en oxygène sur la déformation de la gaine à 800 °C.

The present work investigates the steady-state creep behavior of Stress Relieved Annealed Zircaloy-4 claddings under thermo-mechanical conditions simulating a Loss-Of-Coolant Accident (LOCA) in a primary loop of Pressurized Water Reactors. It is part of the PERFROI project focusing on the flow blockage within fuel rods bundle and its potential impact on the cool ability of a nuclear core reactor. The present work includes three main elements that are (a) the design, the performance and the processing of an innovative experiment, (b) the modeling of the tests and the determination of steady-state creep constitutive laws at temperatures ranging from 750 to 850 °C and (c) the preliminary study of the corrosion effect on the Zr-4 claddings creep behavior. An experiment addressing to heterogeneous thermal conditions was designed using an induction heating device. The creep behavior of metals at high temperatures is known to be very sensitive to the temperature. Under an internal pressurization of the cladding this thermal gradient induces its heterogeneous deformation. Using this configuration and three successive internal pressure loadings with a single experiment a lot of thermal mechanical conditions are available. Both thermal and kinematics full field measurements are performed into a 20 mm gauge length located between the induction coils using respectively near infra-red thermography and two dimensional digital image correlation. These two key digital image methods are assessed using dedicated experiments. The tests are modeled using the ABAQUS commercial software. The expected creep behavior law is updated using finite element model calculations included into a Gauss-Newton solver. The method was validated using virtual experiments and then applied to the actual tests. A high consistency between the experiments is obtained and is in agreement with available literature data. Norton exponent and activation energy maps are plotted into the thermal mechanical condition range of interest. These parameters highlight changes of dominant deformation mechanisms in the alpha-phase domain at a 26 MPa von Mises stress and of micro-structure at an 810 °C temperature (at which phase transformation is expected). In the mixed phase domain, the material parameters are similar to those associated in the literature data with super plasticity deformation mechanism. Finally, experiments are performed on pre-oxidized samples at 800 °C. The rupture of the outer zirconia and oxygen enriched alpha layers is observed during the test at a 1.1\% hoop strain.