Comportements métallurqigue et mécanique des matériaux de gainage du combustible rep oxydes à haute température

par Anthony Stern

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de André Pineau.

Soutenue en 2007

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Les alliages de zirconium ont été choisis pour la fabrication des gaines de combustible des REP. Etant données les conditions sévères d’utilisation de ces matériaux, il est indispensable de les qualifier afin de respecter les critères de sûreté en vigueur. Il s’agit d’étudier la tenue mécanique de ces matériaux dans les conditions nominales, mais aussi en conditions accidentelles. Lors de certains scenarii accidentels hypothétiques, la gaine peut subir une incursion à haute température (HT) en atmosphère de vapeur d’eau, puis un refroidissement et une trempe à l’eau. L’oxydation accélérée de la gaine qui s’ensuit et les évolutions métallurgiques associées conduisent à une dégradation des propriétés mécaniques résiduelles qu’il faut évaluer. C’est à partir de cette problématique que le sujet d’étude a été défini. Du fait de la diffusion importante de l’oxygène dans le substrat pendant l’oxydation HT, les tubes de gaine se caractérisent par la présence de différentes phases dans l’épaisseur aux caractéristiques mécaniques bien différentes. Afin de rendre compte du comportement mécanique résiduel de ces objets « multi-couches », le travail de thèse a consisté à obtenir des échantillons représentatifs des différentes phases du matériau « réel ». Nous avons alors étudié la transformation de phases au refroidissement dont nous avons proposé un mécanisme phénoménologique. Puis, les mêmes matériaux ont fait l’objet de caractérisations mécaniques à différentes températures et teneurs en oxygène. Cette caractérisation mécanique nous a servi à initier des calculs par éléments finis pour retranscrire le comportement de la gaine lors d’essais de compression d’anneaux.

  • Titre traduit

    Metallurgical and mechanical behaviours of pwr fuel cladding tube oxidised at high temperature


  • Résumé

    Zirconium alloys are used as cladding materials in PWR. As they are submitted to very extreme conditions, it is necessary to check their behaviour and especially to make sure they meet the safety criteria. They are therefore studied under typical in service-loadings but also under accidental loadings. In one of these accidental scenarios, the cladding temperature may increase above 800°C, in a steam environment, and decrease before a final quench of the cladding. During this temperature transient, the cladding is heavily oxidised, and the metallurgical changes leads to a decrease of the post quench mechanical properties. It is then necessary to correlate this drop in residual ductility to the metallurgical evolutions. This is the problem we want to address in this study. As oxygen goes massively into the metallic part - a zirconia layer grows at the same time – during the high temperature oxidation, the claddings tubes microstructure shows three different phases with various mechanical properties. In order to reproduce the behaviour of this multi-layered material, the first part of this study consisted in creating samples with different oxygen contents, similar to those observed in the different phases of the real cladding. The study was especially focused on the phase transformation upon cooling. A mechanism was proposed to describe this phase transformation. Then, these materials were mechanically tested at various temperatures and for various mean oxygen contents. It was thus possible to start some preliminary finite element calculations to describe the cladding behaviour under the standard technological ring compression test.

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  • Détails : 1 vol. (242 p.)
  • Annexes : Bibliographie 131 réf.

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