Thèse soutenue

Transformations de phases et comportement mécanique à haute température d’un alliage de zirconium (M5Framatome) : effets de l’historique de température

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Auteur / Autrice : Romain Borrossi
Direction : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
Date : Soutenance le 29/11/2021
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
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 : Alain Hazotte
Examinateurs / Examinatrices : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Eric Andrieu, Marie Dumerval, Raphaëlle Guillou
Rapporteurs / Rapporteuses : Moukrane Dehmas, Thomas W. Cornélius

Mots clés

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Résumé

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Au cours d’un Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), scénario hypothétique d’accident étudié dans le cadre de la démonstration de sûreté des réacteurs à eau pressurisée, la gaine de combustible nucléaire en alliage de zirconium peut subir un transitoire thermique complexe à haute température jumelé à une pression interne. Cette combinaison de sollicitations peut induire le ballonnement par fluage et l’éclatement de la gaine qui représente la première barrière de confinement de la matière radioactive. De nombreuses études ont permis de mettre en évidence le comportement de la gaine lors d’un cycle thermique simple couplé à un chargement mécanique. Cette thèse a abordé les effets d’historique de température lors d’incursions dynamiques à haute température typiques de conditions APRP, sur les transformations de phases et les propriétés mécaniques de gaines en alliage M5Framatome* (Zr-1%Nb). Jusqu’à présent les transformations de phases des matériaux de gainage ont été essentiellement étudiées par des techniques« indirectes » par dilatométrie, résistivité et/ou calorimétrie. Ce travail de thèse vise aussi à mieux les quantifier en développant des études systématiques par Diffraction des Rayons X in-situ au Synchrotron (DRXS), puis à affiner les méthodes conventionnelles en conséquence.Pour l’étude des cinétiques de transformations de phases αZr ↔ βZr, des cycles simulant les premiers pics de température ont été réalisés. Ils comportent un premier chauffage jusqu’à une température comprise entre 870°C (milieu du domaine biphasé αZr + βZr) et 1050°C (domaine monophasé βZr), un refroidissement jusqu’au domaine αZr et un second chauffage jusqu’au domaine βZr. Les mesures DRXS montrent que les cinétiques de transformation au refroidissement et au second chauffage sont affectées par la température maximale atteinte au premier chauffage avec un effet de seuil qui correspond à la fin de la transformation αZr → βZr. Au refroidissement à 10°C.s-1 depuis le domaine βZr, un écart de 80°C par rapport à l’équilibre est observé pour le démarrage de la transformation, alors que celui-ci est négligeable lors d’un refroidissement depuis le domaine biphasé. La cinétique de retransformation au second chauffage après un passage dans le domaine βZr débute environ 20°C plus tôt que pour un premier chauffage. Par ailleurs, le couplage DRXS-dilatométrie a mis en évidence un décalage important (40°C) au premier chauffage entre les deux techniques. Les causes de cet écart ont été identifiées. La principale semble être une déformation viscoplastique marquée, même à faible contrainte (< 0,3 MPa), de la microstructure βZr équiaxe qui affecte la courbe de dilatométrie en fin de transformation. De plus, la DRXS a permis de suivre et quantifier les phénomènes de dissolution/rétention des phases secondaires minoritaires d’équilibre (βNb) et métastable (βZr*(Nb)). La prise en compte de ces nouveaux résultats dans le dépouillement des données de dilatométrie a renforcé l’accord déjà très bon entre la DRXSet la dilatométrie pour les cinétiques au refroidissement et au second chauffage. L’affinement du dépouillement pour les méthodes indirectes a finalement permis la détermination des cinétiques de transformation de phases avec une précision similaire à la DRXS. L’ensemble de la base expérimentale disponible a alors été utilisé pour identifier un nouveau modèle cinétique de transformation de phases prenant en compte les effets d’historique de température. [...]