Soutenance mémoire
Électricité De France (EDF) est l’exploitant du parc nucléaire Français en charge de 58 Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) répartis au sein de 19 sites dans tout l’hexagone. La filière nucléaire, qui représente près de 80 % de la production électrique française, est le cœur d’enjeux économiques et de sûreté stratégiques.
Le cœur du REP noyé dans la cuve est le siège de la réaction nucléaire. Ce dernier est constitué de faisceaux de crayons à pas carrés (17×17 crayons par faisceaux) nommés assemblages. Un assemblage de type AFA de conception Areva (chargé dans la majorité des REP en exploitation par EDF), comprend 264 crayons combustibles et 24 tubes guides qui servent à l’introduction des grappes de commande régulant la réaction nucléaire. Un cœur est constitué de respectivement 157, 193 et 214 assemblages pour les réacteurs 900 MWe, 1300 MWe et 1450 MWe (Ambard et al., 2010).
Les crayons combustibles sont constitués :
– de gaines en alliages de zirconium faiblement alliés (Sn, O et Nb principalement), d’environ 4 m de long, 9,5 mm de diamètre et 0,57 mm d’épaisseur ;
– de combustible confiné dans les gaines sous forme de pastilles d’oxyde d’uranium U02.
Les crayons sont immergés dans l’eau pressurisée à 155 bars qui joue à la fois le rôle de modérateur pour thermaliser les neutrons émis lors des fissions et de fluide caloporteur.
La gaine du crayon en alliage de zirconium joue le rôle important de première barrière de confinement des produits de fission en maintenant les pastilles de combustible. Préserver l’intégrité de la gaine est une condition essentielle afin de permettre à tout instant : la maîtrise de la réaction nucléaire ; le refroidissement du cœur ; le confinement du combustible. Pour assurer cette condition, des critères de sûreté empiriques dédiés aux crayons ont été introduits.
Ce sont les scénarios d’accidents hypothétiques les plus graves (en termes du produit « probabilité d’occurrence par la dangerosité » et des conséquences radiologiques) qui sont pris comme références pour le dimensionnement des cœurs et de ses composants. Pour établir le critère de tenue mécanique de la gaine combustible, les cas d’accidents de classe , c’est à dire les accidents postulés ayant une probabilité d’occurrence de 10⁻⁴ à 10⁻⁶ /tranche/an dont fait partie le RIA (Reactivity initiated Accident) sont considérés.
À l’heure actuelle, les critères de sûreté sont empiriques et établis à partir d’essais réalisés en réacteurs expérimentaux SPERT, NSRR et CABRI (essais intégraux) sans distinction des mécanismes à l’origine des scénarios pour lesquels la perte d’intégrité est constatée. Afin de consolider ces seuils empiriques, un critère de rupture analytique est souhaité. Il se devra d’être établi à partir de l’interprétation d’essais conventionnels en laboratoire en complément des essais intégraux complexes. Ces travaux permettront la compréhension des mécanismes physiques influant sur le comportement et la rupture de la gaine.
Dans ce cadre d’exigences en termes de sûreté, EDF est amené à caractériser l’évolution de la ductilité de la gaine en alliage de zirconium lors d’un RIA. En effet, la définition d’un critère analytique de tenue à ce scénario implique la connaissance d’une loi de comportement performante dans ces conditions thermo mécaniques sévères. Les modèles actuels utilisés pour les études de compréhension du RIA intègrent une dépendance à la texture cristallographique, l’irradiation, l’hydruration ou encore l’oxydation de la gaine. La texture marquée des tôles et des gaines en alliage de zirconium se traduit par une forte anisotropie de comportement mécanique. De récentes études (LeSaux, 2008; Doan, 2009) ont permis de réelles avancées concernant cette thématique. Néanmoins, il reste des efforts à fournir pour améliorer la caractérisation et simuler cette anisotropie mécanique. Dans ce contexte, cette étude a pour objectif de proposer un modèle décrivant le comportement anisotrope d’une tôle de Zircaloy-4 recristallisé, applicable en condition de RIA. Le scénario accidentel correspond à un transitoire rapide à l’origine de sollicitations sévères. Ainsi, le modèle devra répondre aux exigences de l’accident, c’est à dire des températures comprises entre 300 et 600˚C, des vitesses de déformation de l’ordre de 1 à 5 s⁻¹ et des chargements complexes, à minima biaxiés.
Enrichissement de la base expérimentale d’EDF
Une base de données expérimentale sur tôle conséquente, héritée de la thèse de (Doan, 2009) et du stage de (Faraj, 2012) est disponible pour le Zircaloy-4 recristallisé. Cette base comprend des essais de traction sur éprouvettes plates et entaillées. Les essais sont réalisés à différentes températures (25, 250 et 600˚C), à différentes vitesses de chargement (10⁻⁴ , 10⁻³ , 10⁻² et 10⁻¹ s⁻¹) ainsi qu’à différentes directions de sollicitation (suivant la direction L de laminage de la tôle, suivant une direction à 45˚de L et suivant une direction T transverse à 90˚ de L, pour les essais sur éprouvettes plates). Elle constitue une base solide pour l’identification d’un modèle macroscopique de référence. Néanmoins, celle-ci s’avère limitée pour caractériser certains trajets de chargement et certaines directions de sollicitation. Les nouveaux essais consistent :
– en l’ajout de deux directions de sollicitation supplémentaires pour les essais de traction sur éprouvettes plates à 25 et 250˚C ;
– en la réalisation d’essais de cisaillement cyclique à 25˚C.
De plus, les mesures de déformations sont assurées par la technique de corrélation d’images permettant l’accès aux champs cinématiques en surface des éprouvettes. Comme nous le verrons, les essais les plus triviaux tels que les essais de traction uniaxiale deviennent plus riches et permettent de quantifier les effets d’anisotropie à l’aide de mesures de champs.
Choix d’une loi macroscopique adaptée au comportement anisotrope du matériau de gainage
Il s’agit d’aborder le comportement de la tôle à l’échelle macroscopique et de choisir un modèle, qui répondra aux attentes industrielles d’un code peu coûteux en temps de calcul. La loi devra décrire un comportement présentant :
– une anisotropie d’entrée en plasticité et d’écrouissage ;
– un écrouissage intégrant potentiellement une composante cinématique.
D’autre part, la loi devra permettre de simuler des sollicitations uniaxiées, multiaxiées, monotones et cycliques. Nous verrons dans la suite qu’une variante de la loi de comportement Delobelle-Robinet-Schäffler (DRS) (Delobelle et Robinet, 1994; Delobelle et al., 1996; Schäffler, 1997; Robinet, 1995; Delobelle et al., 2003) sera sélectionnée. La loi DRS a déjà été identifiée par Robinet (Robinet, 1995) pour des gaines de Zircaloy-4 recristallisé dans le cadre de sollicitations correspondant aux conditions de fonctionnement normal (température de 350˚C et vitesse de déformation comprise entre 10⁻⁷ et 10⁻⁴ s⁻¹ ) d’un REP.
Identification d’une loi macroscopique
À partir de la base expérimentale sur tôle réalisée durant ces travaux, la loi DRS simplifiée est identifiée. Ici, l’intérêt premier est de proposer une méthodologie d’identification bien établie et reproductible moyennant l’existence d’une base expérimentale prédéfinie. L’identification pourra alors être réalisée avec un gain de temps appréciable sur le matériau irradié, sur une gamme de température différente ou une autre nuance de matériau par exemple.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Objectifs
1.2 Démarche de l’étude
1.2.1 Enrichissement de la base expérimentale d’EDF
1.2.2 Choix d’une loi macroscopique adaptée au comportement anisotrope du matériau de gainage
1.2.3 Identification d’une loi macroscopique
1.2.4 Flexibilité du modèle lors du passage de la tôle vers le tube
1.3 Organisation du manuscrit
2 Les matériaux de gainage et leur tenue au RIA
2.1 Présentation du scénario RIA
2.1.1 Retour d’expérience provenant des essais en réacteurs
2.1.2 Critère analytique de tenue de la gaine
2.2 Le matériau de gainage
2.2.1 Choix du matériau de gainage et composition
2.2.2 Élaboration des produits de gainage
2.2.3 Texture, microstructure et mécanismes de déformation
2.3 Les produits de l’étude
2.3.1 Le Zircaloy-4 recristallisé
2.3.2 Les tôles de l’étude
2.4 Conclusions
3 Base de données expérimentale décrivant le comportement du gainage et modèle adapté aux observations
3.1 Essais considérés
3.1.1 Techniques expérimentales
3.1.2 Déformations et contraintes considérées
3.2 Résultats
3.2.1 Essais de traction : caractérisation de l’anisotropie
3.2.2 Essais de cisaillement
3.3 Discussion de modèles adaptés aux observations expérimentales de l’étude
3.3.1 Élasticité
3.3.2 Visco-plasticité
3.4 Conclusions
4 Identification et évaluation d’une loi de comportement à différentes températures et vitesses de sollicitation
4.1 Outils numériques utilisés
4.2 Le modèle de l’étude
4.2.1 Notation, repère des tenseurs et indépendances des composantes
4.2.2 Les équations du modèle
4.2.3 Version isotrope du modèle
4.2.4 Synthèse
4.3 Méthodologie d’identification
4.3.1 Présentation générique de la méthodologie d’identification
4.3.2 Paramètres d’élasticité
4.3.3 Paramètres décrivant la viscosité
4.3.4 Paramètres d’écrouissage
4.3.5 Ajustement en regard de y et ε˙0
4.3.6 Paramètres anisotropes
4.4 Résultats de l’identification
4.4.1 Critères d’évaluation
4.4.2 Simulation des essais de traction
4.4.3 Simulation des essais de cisaillement
4.4.4 Synthèse
4.5 Évaluation du modèle à partir d’essais de traction sur éprouvettes entaillées (Doan, 2009)
4.5.1 Présentation de l’essai
4.5.2 Maillage et conditions aux limites
4.6 Résultats de simulation des essais NTV et NT2
4.7 Conclusions
5 Conclusion
