Thèse soutenue

Comportement anisotherme et rupture des gaines combustibles en alliages de zirconium : Application à la situation d'accident d'insertion de réactivité (RIA)
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Auteur / Autrice : Ahmed Chaieb
Direction : Jérôme CrépinAlain KosterNathanaël Mozzani
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique
Date : Soutenance le 09/04/2019
Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
Jury : Président / Présidente : Salima Bouvier
Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Crépin, Alain Koster, Nathanaël Mozzani, Nicolas Tardif, Véronique Aubin
Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Desquines, Clotilde Berdin-Meric

Résumé

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Les gaines combustibles conçues en alliages de zirconium constituent la première barrière de confinement dans les centrales nucléaires. Ce travail a pour but d'établir une meilleure compréhension du comportement thermomécanique du Zircaloy-4 au cours d'un transitoire accidentel de type RIA. En effet, les bases de données expérimentales actuelles sont majoritairement constituées d'essais de traction uniaxiale menés en conditions isothermes. Le caractère anisotherme du chargement, couplé ou non à la biaxialité du chargement mécanique, n'a que peu été étudié. L'objectif de la thèse consiste à développer de nouveaux moyens d'essais permettant de mettre en évidence l'impact d'un chargement anisotherme. Un premier dispositif expérimental a été développé pour étudier les effets d'un transitoire de température sur le matériau de gainage au cours d'un essai de traction uniaxié. Le dispositif expérimental permet de reproduire des conditions de chargement proches de celles rencontrées au cours de l'accident. Il permet de solliciter les gaines jusqu'à des vitesses de chauffage d'environ 600 °C.s-1 couplées à un chargement mécanique rapide pouvant atteindre une vitesse de déformation de 5 s-1. Une campagne expérimentale menée sur ce dispositif a permis de mettre en évidence les premiers effets d'un chargement anisotherme et d'établir par la suite une comparaison entre l'état isotherme et anisotherme. Un impact important a été constaté aux faibles vitesses de déformation et hautes vitesses de chauffage : la contrainte d'écoulement est bien plus importante que celle attendue à partir des essais isothermes. Une étude de la recristallisation du matériau en conditions dynamiques a montré qu'un retard au déclenchement du processus de recristallisation serait la cause des effets anisothermes observés lors des essais de traction. Un second dispositif expérimental a été développé pour coupler les effets d'un chargement biaxial et anisotherme. Une tôle en Zircaloy-4 a été testée selon les deux directions principales (laminage et transverse) avec un système de chauffage par induction. Plusieurs vitesses de chauffage et rapports de biaxialité ont été explorés et les déformations à rupture ont pu être déterminées pour chaque condition expérimentale. L'analyse des essais a montré que la multiaxialité du chargement est le paramètre dominant en ce qui concerne la ductilité du matériau, aucune influence notable du chargement anisotherme n'a été observée lors de ces essais. En soutien à l'analyse des essais de traction anisothermes uniaxiés et biaxiés, des simulations numériques ont été entreprises à l'aide de modèles de comportement mécanique macroscopique existant et développé dans cette étude. Ces simulations ont notamment permis la détermination des champs de contrainte des essais biaxiés et montré que les essais réalisés se trouvaient bien dans le domaine d'intérêt des études sur le RIA.