Étude expérimentale et modélisation du comportement d’un tube de gainage lors d’un accident de réactivité en phase post-crise ébullition

Experimental study and modeling of the behavior of fuel cladding during the post-DNB phase of a reactivity initiated accident

• Auteur / Autrice : Thomas Jailin
• Direction : Marie-Christine Baietto, Nicolas Tardif
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 11/05/2020
• 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 : Arthur Thompson Motta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Baietto, Nicolas Tardif, Arthur Thompson Motta, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Pierre Vacher, Michel Coret, Jean Desquines, Matthieu Le Saux
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Pierre Vacher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluage

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Mécanique

Fluage

Transformation de phase

Mesure de champs

Identification

Zircaloy-4

RIA

Mechanics

Creep

Phase transformation

Full field measurements

Identification

Zircaloy-4

RIA

Résumé

Cette thèse porte sur le comportement au fluage du tube de gainage en Zircaloy-4 en conditions représentatives de la phase post-DNB (Departure from Nucleate Boiling) d’un accident de réactivité (RIA). Ces conditions peuvent se résumer à une élévation brutale de la température de la gaine alors que celle-ci est intérieurement pressurisée, suivie de son ballonnement à haute température. La transformation de phase (α→β) du Zircaloy-4 a tout d’abord été étudiée à l’aide d’essais de dilatométrie pour des vitesses de chauffe comprises entre 50 et 2000°C/s. Une attention particulière a été portée aux moyens de mesure thermiques, particulièrement délicats à mettre en place sous transitoires rapides. La microstructure du matériau a également été analysée à l’aide d’essais trempés. Les résultats ont permis de caractériser un modèle de changement de phase valide de l’équilibre thermique jusqu’à des vitesses de 2000°C/s, basé sur une description de Leblond. Dans un deuxième temps, la plateforme d’essai thermomécanique ELLIE de l’INSA Lyon a été adaptée de façon à pouvoir simuler les conditions de chargement d’un post-DNB. Des essais de fluage en ballonnement ont été réalisés avec des vitesses de chauffe de 1200°C/s. Le domaine de température étudié s’étend de 840 à 1020°C. avec des pressions internes de 7 et 11 bar. Les champs de déplacements et de températures sont mesurés en surface de l’éprouvette, respectivement par stéréo-corrélation d’images numériques et thermographie proche infrarouge. Une procédure a été développée, afin d’obtenir ces champs à l’aide des deux mêmes caméras. Les essais ont mis en évidence un comportement au fluage complexe dans le domaine biphasé, qui semble étroitement lié à la proportion de phase dans le matériau. Un fort impact de la vitesse de chauffe sur la tenue mécanique de la gaine a également été observé, avec des vitesses de déformation bien plus importantes suite à un transitoire thermique rapide. Enfin, la méthode de recalage par éléments finis (FEMU) a été mise en place, afin d’identifier une loi de comportement en exploitant toute la richesse des essais. Le modèle éléments finis de l’éprouvette est basé sur une représentation 3D de la zone d’intérêt contrainte par une hypothèse de Love-Kirchhoff dans la section. Une loi de fluage, couplée à la fraction de phase, a été identifiée, et permet de représenter le comportement de la gaine pendant les 10 premières secondes des essais sur l’ensemble des conditions testées. Une ouverture qui vise à prendre en compte l’influence de la taille des grains sur le fluage est finalement proposée en vue de modéliser les essais sur un temps supérieur à 10 secondes.

During the post-DNB (Departure from Nucleate Boiling) phase of a reactivity initiated accident (RIA), the fuel cladding temperature may increase very steeply (1000°C/s) up to temperatures of around 900°C while the clads are internally pressurized. All these conditions lead to the ballooning of the fuel rod until its potential burst. This work aims at characterizing the creep behavior of the Zircaloy-4 cladding under such conditions. In a first part, the (α→β) phase transformation of the material was studied upon fast heating rates. Dilatometry tests were performed with heating rates ranging from 50 to 2000°C/s. Special care was taken to the thermal measurements, to achieve sufficient accuracy under fast thermal transients. The material microstructure was also analyzed on quenched specimens. All these results enabled a phase transformation model to be characterized, based on a Leblond’s formulation. In a second part, the experimental device ELLIE was updated to reproduce simulated thermo-mechanical post-DNB conditions on fuel cladding sections. Creep ballooning tests were performed with well controlled thermal transients of about 1200°C/s. Around twenty tests were carried out in simulated post-DNB conditions with internal pressures of 7 and 11 bar and for temperatures of interest ranging from 840 to 1020°C. Kinematic and thermal full-fields were obtained on the sample surface by stereo-correlation and near infrared thermography, respectively. A method was developed to obtain these two kinds of fields using the same two cameras. The tests performed highlighted a complex creep behavior in the two-phase domain, which appears to be closely correlated to the phase fraction within the material. A strong impact of the heating rate on the creep properties was also observed, with much higher strain rates following a high thermal transient. The finite element model updating (FEMU) method was used to identify the creep behavior of the cladding. The finite element model is based on a 3D representation of the region of interest seen by the cameras. A Love-Kirchhoff kinematic was imposed through the clad section using the kinematic field obtain by stereo-correlation. The identification method was first validated on a virtual case, and then enabled a creep law to be characterized, coupled to the phase fraction within the material. The model thus identified reproduced the creep rates well during the first ten seconds of the tests. A final study proposes to include a grain growth contribution in the creep law.