Effets de l’oxygène et de l’hydrogène sur la microstructure et le comportement mécanique d’alliages de zirconium après incursion à haute température

Effects of oxygen and hydrogen on the microstructure and the mechanical behavior of zirconium alloys after treatment at high temperature

• Auteur / Autrice : Thai Le Hong
• Direction : Jérôme Crépin, Matthieu Le Saux, Jean-Christophe Brachet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 05/06/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• 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)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Baietto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Crépin, Matthieu Le Saux, Jean-Christophe Brachet, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Dominique Poquillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Andrieu, Ivan Guillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zirconium -- Alliages

Fluides de refroidissement (réacteurs nucléaires)

Mots clés libres

Alliages de zirconium

APRP

Hydrogène

Oxygène

Évolutions métallurgiques

Comportement mécanique

Zirconium alloys

LOCA

Hydrogen

Oxygen

Metallurgical evolutions

Mechanical behavior

Résumé

Lors d’un scénario hypothétique d’accident par perte de réfrigérant primaire, les gaines en alliage de zirconium des crayons combustibles des réacteurs nucléaires à eau pressurisée peuvent être exposées à des températures élevées (jusqu’à 1200°C) et, dans certaines conditions, absorber localement des quantités significatives d’hydrogène (jusqu’à 3000 ppm-mass.) et d’oxygène (jusqu’à 1 %-mass.). Ce travail vise ainsi à étudier les effets isolés et combinés, peu investigués jusqu’à présent, de fortes teneurs en oxygène et en hydrogène sur les évolutions métallurgiques et le comportement mécanique de deux alliages de zirconium industriels (le Zircaloy-4 et le M5Framatome) au cours et après refroidissement/trempe depuis le domaine βZr (>700°C). Un protocole a été mis au point pour élaborer, à partir de tronçons de tube de gainage ou de plaquettes, des matériaux « modèles » chargés de manière homogène en oxygène jusqu’à 1 %-mass. et en hydrogène jusqu’à 7000 ppm-mass. Les transformations de phases s’opérant au refroidissement depuis le domaine βZr dans les matériaux chargés en hydrogène et les évolutions des compositions chimiques et des paramètres de maille des phases en présence ont été quantifiées à l’aide de différentes techniques : calorimétrie, diffraction de neutrons in-situ en cours du refroidissement depuis 700°C, diffraction de neutrons et de rayons X à température ambiante, microsonde électronique, μ-ERDA et EBSD. Les résultats ont été confrontés à des prévisions thermodynamiques tenant compte de l’ensemble des éléments chimiques. En plus des phases stables attendues à l’équilibre, des phases métastables (hydrures γZrH et, dans le cas du M5Framatome, phase βZr enrichie en H et Nb) ainsi qu’une quantité significative d’hydrogène en solution solide dans la phase αZr ont été mises en évidence jusqu’à température ambiante, dans des proportions dépendant de la teneur globale en hydrogène et de la vitesse de refroidissement. Les propriétés mécaniques de la phase (ex-)βZr ont été caractérisées à partir d’essais de traction uniaxiale effectués en température entre 700 et 30°C au refroidissement depuis le domaine βZr sur les matériaux chargés en hydrogène et/ou en oxygène. Les résultats ont montré que le comportement mécanique et le mode de rupture dépendent fortement de la température et des teneurs en hydrogène et en oxygène. Des relations empiriques et une loi phénoménologique ont été proposées pour décrire la température de transition ductile-fragile macroscopique, les évolutions des caractéristiques mécaniques et le comportement plastique du matériau (lorsqu’il est ductile), en fonction de la température et des teneurs en oxygène et en hydrogène. L’observation des faciès de rupture, des analyses μ-ERDA et à la microsonde électronique et un essai de traction réalisé in-situ sous MEB ont mis en évidence une hétérogénéité de la déformation et du mode de rupture à l’échelle locale, due à l’effet du « partitioning » des éléments chimiques lors des transformations de phases au refroidissement.

During hypothetical LOss-of-Coolant-Accident (LOCA) scenarios in pressurized water reactors, zirconium-based fuel claddings can be exposed to high temperatures (up to 1200°C) and, under certain conditions, absorb locally a significant amount of hydrogen (up to 3000 wppm) and of oxygen (up to 1 wt.%). This work aims to study the isolated and combined effects, which have been little investigated hitherto, of oxygen and hydrogen in high contents, on the metallurgical evolutions and the mechanical behavior of two industrial zirconium alloys (Zircaloy-4 and M5Framatome) during and after cooling/quenching from the βZr temperature domain (> 700°C). The first part of this work consisted of producing “model” materials, from cladding tube sections and plates, homogenously charged with oxygen, up to 1 wt.%, and with hydrogen, up to 7000 wppm. The phase transformations occurring on cooling from the βZr domain in the materials charged with hydrogen and the changes in chemical composition and lattice parameters of the phases were then quantified using several techniques such as calorimetry, in situ neutron diffraction during cooling from 700°C, neutron and X-ray diffraction at room temperature, electron microprobe, μ-ERDA and EBSD. The experimental results were compared with thermodynamic predictions, taking into account all of the chemical elements in the materials. In addition to the stable phases expected at equilibrium, the presence of metastable phases such as γZrH hydrides, and βZr phase enriched in H and Nb in the case of M5Framatome, as well as of a significant amount of hydrogen remaining in solid solution within the αZr, was pointed out at room temperature at the end of cooling. The mechanical properties of the (prior-)βZr phase were characterized by performing uniaxial tensile tests at temperature between 700 and 30°C on cooling from the βZr domain, on materials charged with hydrogen and/or oxygen. The results showed that the mechanical behavior and the failure mode strongly depend on the testing temperature and on the hydrogen and oxygen contents. Empirical correlations and a phenomenological model have been proposed to describe the macroscopic ductile-brittle transition temperature, the evolutions of the mechanical characteristics and the plastic behavior of the material (in the case of ductile macroscopic failure), as a function of temperature and contents of oxygen and hydrogen. Observation of the fracture surfaces, μ-ERDA and electron microprobe analyses and a tensile test performed in situ under SEM highlighted the heterogeneity of the deformation and the failure mode at the local scale, due to the effects of the partitioning of chemical elements, especially of hydrogen and oxygen, during the phase transformations