Étude du comportement au fluage des gaines en alliage de zirconium pré-oxydées sous sollicitations thermomécaniques représentatives d’un accident de perte de réfrigérant primaire

Study of the creep behavior of pre-oxidized Zy-4 cladding under simulated loss of coolant accident conditions

• Auteur / Autrice : Ethel-Borel Djeumen Nkwechen
• Direction : Marie-Christine Baietto, Gergely Molnár
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 26/04/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MIMESIS - Mécanique Multiéchelle pour les solides
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Calloch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Baietto, Gergely Molnár, Sylvain Calloch, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Julien Réthoré, Jean Desquines, Samuel Forest, Nicolas Tardif
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Julien Réthoré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fluage

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Mécanique

Fluage

Oxydation

Diffusion d'oxygène

Fissuration du béton

Champ de phase

Gainage

Modélisation multi-Physique

Alliage de zirconium

Sollicitation thermomécanique

Endommagement

REP - Réacteur à eau pressurisée

Mechanics

Creep

Oxdation

Oxygen diffusion

Cracking

Phase field

Cladding

Multiphysics modeling

Zirconium alloy

Thermomechanical straining

Damage

PWR - Pressurized Water Reactor

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude du comportement au fluage des gaines en Zy-4 pré-oxydées dans des conditions simulant un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP). L’objectif est de caractériser et modéliser les couplages physiques constatés lors du fluage des gaines dans la phase ductile de l’APRP. Ces couplages portent sur l’oxydation du matériau, la diffusion d’oxygène, le fluage du métal et la prise en compte de l’endommagement de l’oxyde. Une plateforme numérique multi-physique basée sur la méthode des éléments finis et permettant de simuler simultanément les phénomènes de fluage, fissuration, diffusion d’oxygène et oxydation a tout d'abord été mise en place. Les outils numériques retenus pour simuler les discontinuités du problème que sont l'oxydation et la fissuration sont basés sur des approches en champ de phase. Le comportement à l'oxydation des gaines a ensuite été étudié de manière découplée d’un chargement mécanique externe. Un grand nombre de données sur les cinétiques d’oxydation à 750°C et 820°C ont été collectés. Les coefficients de diffusion de l'oxygène dans les couches de Zy-4 et de ZrO2 ont été identifiés par méthode inverse à l'aide de la plateforme numérique multi-physique mise en place. Enfin, des essais semi-intégraux de ballonnement de gaine sous chargement thermomécanique imposé ont été réalisés sur le banc d'essai ELLIE. Ces essais ont permis d’étudier l’influence de l’épaisseur du pré-oxyde externe (10, 30, 60µm) et interne (10µm), de l’atmosphère (argon, mélange argon + oxygène) et du chargement mécanique (20, 30, 50bar) sur le ballonnement des gaines autour de 800°C. La fissuration de la couche d'oxyde a également été caractérisée. Les essais ont mis en évidence le rôle prépondérant du pré-oxyde sur le comportement au fluage de la gaine. Cet effet du pré-oxyde apparaît fortement dépendant de son état d'endommagement initial lui-même sensible à son épaisseur et aux conditions de pré-oxydation. La plateforme multi-physique mise en place a également été utilisée pour simuler les essais de fluage réalisés. Les simulations reproduisent de manière satisfaisante les résultats d’essais sur des éprouvettes présentant une épaisseur de couche d’oxyde en surface interne et externe d’environ 10µm jusqu’à un niveau de déformation de 2%. Les simulations ont par ailleurs permis de quantifier l’influence de l’épaisseur d’oxyde, de la température et de la densité de fissure dans l'oxyde. La prise en compte de l'état d'endommagement initial de l'oxyde, ainsi qu'une extension du modèle aux grandes déformations est nécessaire pour simuler les essais pour des épaisseurs d’oxyde et des niveaux de déformation plus importants.

This thesis deals with the study of the creep behavior of pre-oxidized Zy-4 cladding under simulated Loss Of Coolant Accident (LOCA) conditions. The objective is to characterise and model the physical couplings observed during the creep of the cladding in the ductile phase of the LOCA. These couplings relate to material oxidation, oxygen diffusion, metal creep and consideration of oxide damage. A multi-physics numerical platform based on the finite element method was first set up. It allows the simultaneous simulation of creep, cracking, oxygen diffusion and oxidation. The numerical tools chosen to simulate the discontinuities of the problem, which are oxidation and cracking, are based on phase-field approaches. The oxidation behavior of the cladding was then studied without external mechanical loading. A large amount of data on the oxidation kinetics at 750°C and 820°C were collected. Oxygen diffusion coefficients in the Zy-4 and ZrO2 layers were identified by inverse methods using the implemented multi-physics numerical platform. Finally, semi-integral ballooning tests under imposed thermomechanical loading were performed on the ELLIE test bench. These tests allowed to study the influence of the outer (10, 30, 60μm) and inner (10μm) pre-oxide thickness, of the atmosphere (argon, argon + oxygen mixture) and of the mechanical loading (20, 30, 50bar) on the ballooning of the claddings around 800°C. The cracking of the oxide layer was also characterised. The tests highlighted the preponderant role of the pre-oxide on the macroscopic creep behavior of the cladding. It was also shown that the pre-oxide effect strongly depends on its initial state of damage, which in turn depends on its thickness and the pre-oxidation conditions. The multi-physics platform was also used to simulate the creep tests. The simulations adequately reproduce the test results on specimens with an internal and external surface oxide layer thickness of approximately 10μm up to a strain level of 2%. The simulations also allowed the influence of oxide thickness, temperature and crack density in the oxide to be quantified. Consideration of the initial damage state of the oxide and an extension of the model to large deformations is required to simulate the tests for larger oxide thicknesses and deformation levels.