Caractérisation expérimentale et modélisation du fluage anisotrope de tubes en aciers ODS envisagés comme matériau de gainage combustible dans les réacteurs nucléaires de 4ème génération

par Thibaud Jaumier

Projet de thèse en Matériaux

Sous la direction de Rodrigue Desmorat.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec LMT - Laboratoire de mécanique et de technologie (laboratoire) et de ENS Cachan (établissement de préparation de la thèse) depuis le 05-10-2015 .


  • Résumé

    Les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened) sont envisagés comme matériau de gainage dans les futurs réacteurs nucléaires refroidis au sodium (RNR-Na). Les aciers ODS ferritiques / martensitiques présentent un faible gonflement sous irradiation du fait de leur structure cubique centrée comparé aux aciers austénitiques de référence, à structure cubique face centrée. Par ailleurs, la microstructure de ces matériaux (nanoprécipitation, petite taille de grain…) permet des améliorations notables sur la durée de vie de fluage en traction. Enfin, plusieurs nuances d'aciers ODS sont envisagées avec des propriétés respectives assez marquées : les aciers ODS ferritiques à 14%Cr présentent une anisotropie importante que ce soit en termes de morphologie granulaire ou de texture cristallographique en raison du procédé d'élaboration ; ce qui n'est pas le cas pour les aciers ODS à 9%Cr en raison de la transformation de phase ferrito-martensitique. De nombreuses caractérisations du comportement mécanique de ces aciers ODS ont été réalisées à partir d'échantillons prélevés dans des barres pleines [1-3]. Selon la composition de l'alliage, une anisotropie marquée est observée dans le domaine de température envisagé pour les gaines en réacteur (entre 400°C et 650°C) sur les propriétés d'allongement à rupture en traction ainsi que de durée de vie en fluage. L'opération de mise en forme de tubes gaines à partir des barreaux cylindriques va très probablement modifier le comportement et la cinétique d'endommagement de ces matériaux et une nouvelle caractérisation sur tube est donc essentielle. Des essais sur tuiles et anneaux seront donc réalisés pour caractériser le comportement en traction respectivement dans le sens long et circonférentiel des tubes. Ces essais seront complétés par des essais de fluage en traction et en pression interne, ce dernier mode de chargement étant le mode préférentiel des gaines en service. Des mesures de champs par corrélation d'images numériques seront mises en oeuvre lors des essais de traction sur tuiles et anneaux qui présentent un état de déformation hétérogène. Une caractérisation microstructurale des matériaux sera également menée. Une modélisation phénoménologique macroscopique sera mise en oeuvre au cours de ce travail de thèse [4]. Elle s'attachera en premier lieu à reproduire l'anisotropie attendue du comportement et surtout de l'endommagement dans les conditions d'utilisation en service des gaines. Cette modélisation, bien qu'écrite à l'échelle macroscopique, devra reprendre autant que possible les principales informations recueillies sur les microstructures des matériaux obtenues après la mise en forme des tubes, ceci afin de minimiser le nombre de paramètres du modèle ajustés sur la seule réponse macroscopique du matériau. L'utilisation de la décomposition de Kelvin ou plus simplement la séparation du déviateur des contraintes en sa partie diagonale et sa partie non diagonale sera une piste étudiée pour la modélisation de l'anisotropie plastique [5]. La loi de comportement et d'endommagement proposée dans ce travail sera implantée dans le code de calcul aux éléments finis du CEA (CAST3M) afin de reproduire par simulation l'hétérogénéité des champs de déformation observés notamment au cours des essais de traction sur tuiles et anneaux.

  • Titre traduit

    Experimental characterization and modelling of the anisotropic creep of ODS steel cladding studied for sodium fast reactor


  • Résumé

    ODS (Oxide Dispersion Strengthened) steels are considered as cladding material for Sodium Fast Reactors (SFR). Several nuances of ODS steel with significant differences in their mechanical properties are investigated: the granular morphology and texture of ferritic 14%Cr ODS steels present an anisotropy due to the manufacturing process; contrary to martensitic 9%Cr ODS steels which are rather isotropic materials. Different tests will be performed on samples machined from cladding to characterize the behavior in tension and creep along the axis and hoop directions of the tube. A phenomenological macroscopic modelling will be developed during the PhD. This modelling aims at reproducing the anisotropic behavior and damage of the cladding during in-service conditions (temperature and mechanical loadings), and it should incorporate as much as possible the relevant microstructural information.