Thèse identification des mécanismes de rupture fragile de l’alliage Zy-4 détendu vierge et recristallisé en condition de trempe APRP

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Présentation de l'entreprise

EDF
Le groupe EDF, un des leaders sur le marché de l’énergie en Europe, est un énergéticien intégré, présent sur l’ensemble des métiers : la production, le transport, la distribution, le négoce et la vente d’énergies. Premier producteur d’électricité en Europe, le Groupe dispose en France de moyens de production essentiellement nucléaires et hydrauliques fournissant à 95,9 % une électricité sans émission de CO2. En France, ses filiales de transport et de distribution d'électricité exploitent 1 285 000 km de lignes électriques aériennes et souterraines de moyenne et basse tension et de l’ordre de 100 000 km de réseaux à haute et très haute tension. Le Groupe participe à la fourniture d’énergies et de services à près de 28,6 millions de clients en France. Par la qualité de ses équipes, ses capacités de R&D, son savoir-faire d'ingénierie et d'exploitation d'unités de production et de réseaux, par ses offres d'efficacité énergétique, il apporte des solutions compétitives pour concilier durablement développement économique et protection du climat. Outre son implantation européenne, le Groupe est également un opérateur industriel en Asie et aux États-Unis. Il est reconnu comme une référence mondiale du service public de l'énergie.
Nombre de poste à pourvoir: 
1

EDF R&D MMC, Centre des matériaux de l’ENSMP

 

  • Contexte

EDF est amené à démontrer que la majeure partie des gaines de zirconium qui confinent le combustible nucléaire sont capables de résister à un APRP. Le diagramme de fonctionnement du réacteur est souvent limité ou fixé par cette démonstration. Au cours d’un tel accident, la gaine ballonne et se perce. Auparavant la limite était fixée par la démonstration qu’un morceau de gaine bouché ne se perçait pas au cours d’une trempe (qui simule le refroidissement du cœur) et maintenant, le référentiel évolue vers la démonstration que la majeure partie des gaines ne se rompent pas pendant la trempe alors qu’elles sont soumises à une contrainte axiale.

Les résultats disponibles dans la littérature ainsi que ceux acquis au cours de la collaboration avec Studsvik montrent que la rupture si elle a lieu, se déclenche soit dans la zone ballonnée, soit dans une zone proche qui est fortement hydrurée sans qu’on soit capable de déterminer avec certitude laquelle des deux va rompre.

 

  • Enjeux

Dans le cadre des études de sûreté visant à garantir l’intégrité de la gaine du crayon combustible, EDF est amené à démontrer la tenue à la trempe des matériaux de gainage au cours d’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP). Etant donné que la trempe APRP intervient en fin de transitoire, l’étude de la tenue à la trempe des gaines de combustible doit nécessairement prendre en compte l’historique des chargements thermo-mécanique et les phénomènes d’environnement associés (oxydation et prise d’hydrogène). Ces chargements thermo-mécaniques induisent en début de transitoire (pendant la montée en température) le ballonnement des gaines combustible. Une fois à haute température (entre 850 à 1200 °C) le matériau s’oxyde, s’en suit un refroidissement rapide, la trempe APRP.

Il a été observé qu’en deçà d’un seuil en contrainte de tenue à la trempe, les ruptures de la gaine vont être provoquées essentiellement par l'hydruration secondaire loin du ballon. Par contre, au-delà du seuil en contrainte, obtenu par l'application d'un chargement mécanique, les ruptures vont se produire au niveau de la zone ballonnée amincie et oxydée et cela d'autant plus tôt que l'éprouvette est hvdrurée. Toutefois lors d’essais dans les mêmes conditions, avec chargement mécanique additionnel, quelques éprouvettes ont rompu dans les zones présentant des surconcentrations d’hydrogène (de l'ordre de 3000 ppm en hydrogène) liées vraisemblablement à l’hydruration secondaire issu du transitoire.

Compte-tenu de ce constat, un travail scientifique conséquent reste encore à entreprendre pour développer une méthodologie permettant de répondre, à partir d’un modèle générique et scientifiquement éprouvé, à cette problématique de rupture fragile ayant lieu pendant les trempes APRP.

 

  • Besoins, objectifs

L’objectif majeur est de déterminer avec certitude dans quelles conditions les différents mécanismes de rupture fragile deviennent prédominant dans le cas de rupture des gaines en Zircaloy-4, non irradiées, en situation de trempe APRP, dans la gamme de température 150 à 1200°C, et ainsi développer un critère de rupture robuste. Cela permettrait de :

  • Faire le lien entre les différents résultats publiés dans la littérature (JAEA et ANL) et les résultats déjà acquis grâce au dispositif semi-intégral commandité par EDF à Studsvik.
  • D’asseoir les domaines de validité des critères de rupture actuellement utilisé par EDF dans le cadre de l’instruction de ses dossiers de sureté.
  • De préparer sereinement les études analogues pour les autres matériaux de gainage (M5 et Optimized Zirlo notamment).
  • De développer un modèle numérique capable de déterminer le mode de rupture fragile à l’aide des profilométries post-mortem des tronçons de gaines testés, ceci au moyen de Code_ASTER.

 

  • Solutions

En accord avec l’expertise apportée par le CdM, on se propose de développer une méthodologie expérimentale permettant d’identifier les mécanismes mise en jeu suivant les conditions de trempes APRP. Le dispositif d’essai APRP semi-intégral sera nécessairement au centre de cette méthodologie. Les essais semi-intégraux seront complétés par des essais analytiques de type EDC, afin de faire le lien avec les travaux de thèse sur la rupture post-trempe de Mi He (EDF R&D) et d’Andréa Cabréra (CEA).

Les éprouvettes ainsi testées devront faire l’objet d’analyses complémentaires disponible à EDF LAB Renardières (concentration locale d’hydrogène et microscopie électronique). Quelques mesures par neutronographie au CEA seront également nécessaires afin de déterminer qualitativement la répartition de la concentration en hydrogène, on s’efforcera de les réaliser dans le cadre de l’institut tripartite pour éviter tout surcoût supplémentaire à ce projet.

La thèse d’Isabelle Turque qui traite de la résistance mécanique des zones hydrurées fournira des données d’entrée à ce travail qui traite de la compétition entre rupture zone ballonnée et rupture de la zone hydrurée.

 

Type(s) de contrat: 
Département(s): 
Famille(s) de métier: 
Niveau(x) de diplôme: 
Reference: 
EDF-R&D08
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