Couplage fin de modèles de ruine ductile et fragile pour la simulation de la transition: transfert de l'éprouvette à la structure

Fine coupling of ductile and brittle failure models for the simulation of the transition: transfer from the specimen to the structure

• Auteur / Autrice : Emmanuelle Catel
• Direction : Jacques Besson
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MEM - Mécanique Expérimentale et Matériaux - MAT
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Transition ductile-fragile

Modele GTN

Modele de Beremin

Acier ferritique

Approche local de la rupture

Ductile to brittle transition

GTN model

Beremin's model

Ferritic steel

Local approach to fracture

Résumé

Dans le cadre des analyses de sûreté des composants métalliques du parc nucléaire français, la justification de l'intégrité des composants est basée sur la ténacité à l'amorçage du matériau. Or, la valeur de cette ténacité dépend de la géométrie (et notamment de la taille du front de fissure) de l'éprouvette utilisée pour l'évaluer. De plus, le changement de mécanisme de rupture dans la zone de transition ductile-fragile du matériau (la rupture par clivage est précédée par de la déchirure ductile) conduit à une dispersion importante de la ténacité dans cette zone. Les dossiers de sûreté sont basés sur une approche globale de la rupture avec une description très conservative de la ténacité à l'amorçage. Une meilleure compréhension et une modélisation fine des mécanismes de rupture dans la transition sont nécessaires pour justifier les gains de marges par rapport aux méthodes actuelles. Plusieurs applications sont identifiées : - la cuve des réacteurs d'une centrale nucléaire à eau pressurisée (REP) qui représente un enjeu important pour la sûreté du parc de production nucléaire. En effet, ce composant, contenant le coeur du réacteur avec les assemblages combustibles, est la seconde barrière de confinement des produits de fission. Actuellement, dans les dossiers de justification, les facteurs de marges les plus faibles sont obtenus dans la zone de transition ductile-fragile du matériau. - le tronçon commun ARE-ASG (circuit secondaire en entrée du générateur de vapeur), dans lequel une stratification thermique est observée en raison de la présence de deux fluides à températures différentes. Dans les REP 1300, en raison du positionnement horizontal de ce dernier, les efforts engendrés par le gradient thermique peuvent être importants. En raison des températures concernées, le matériau est dans ce contexte considéré dans la zone de transition fragile-ductile. - Critère de traitement fragile/ductile dans les dossiers : actuellement, dans les dossiers de sureté, le critère vis-à-vis du risque fragile ou ductile est très strict : si T<RTNDT+50°C, le risque de rupture fragile est considéré ; si T>RTNDT+50°, le risque de rupture ductile est considéré. Une modélisation plus fine de la rupture dans la transition pourrait permettre une requalification du conservatisme de ce critère. - Prise en compte de l'effet petit défaut : Expérimentalement une dépendance de la courbe de transition à la profondeur de défaut (appelé effet petit défaut) est mise en évidence sur des éprouvettes de même taille, constituées avec le même matériau : la transition se décale vers les basses températures pour les petits défauts. Cette augmentation de la ténacité pour les défauts peu profonds est liée au taux de triaxialité en pointe de défaut qui diffère dans les deux configurations. Une modélisation fine de la rupture dans la transition pourrait permettre une meilleure évaluation de l'effet petit défaut.

Within the framework of the safety analyzes of the metal components of the French nuclear reactors, the justification of the integrity of the components is based on the fracture toughness of the material. However, the value of this toughness depends on the geometry (and particularly the size of the crack front) of the specimen used to evaluate it. In addition, the change in failure mechanism in the ductile to brittle transition zone of the material (cleavage failure is preceded by ductile tearing) leads to a significant dispersion of toughness in this zone. The safety documents are based on a global approach to fracture with a very conservative description of the fracture toughness. A better understanding and fine modeling of the failure mechanisms in the transition are necessary to justify the gains in margins compared to current methods. Several applications are identified: - the reactor vessel of a pressurized water nuclear power plant (PWR) which represents an important issue for the safety of the nuclear production reactors. Indeed, this component, containing the reactor core with the fuel assemblies, is the second fission product containment barrier. Currently, in the justification documents, the lowest margin factors are obtained in the ductile to brittle transition zone of the material. - the common ARE-ASG section (secondary circuit at the steam generator inlet), in which thermal stratification is observed due to the presence of two fluids at different temperatures. In the PWR 1300, due to the horizontal positioning of the latter, the forces generated by the thermal gradient can be significant. Due to the temperatures involved, the material is in this context considered in the brittle-ductile transition zone. - Fragile/ductile treatment criterion in the safety documents: currently, in the safety documents, the criterion with respect to the brittle or ductile risk is very strict: if T<RTNDT+50°C, the risk of brittle fracture is considered; if T>RTNDT+50°C, the risk of ductile failure is considered. A finer modeling of the break in the transition could allow a requalification of the conservatism of this criterion. - Taking into account the small defect effect: Experimentally a dependence of the transition curve on the depth of the defect (called small defect effect) is highlighted on specimens of the same size, made with the same material: the transition is shifted towards low temperatures for small defects. This increase in toughness for shallow defects is related to the rate of triaxiality at the tip of the defect which differs in the two configurations. A fine modeling of the break in the transition could allow a better evaluation of the small defect effect.