Etude du fluage en rampe de température des gaines en alliage de zirconium revêtues de Cr

Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'expérimentation en mécanique et matériaux (LE2M)

Date de début : 2024

Nom du doctorant : Léa Duffaut

Les accidents de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) des réacteurs à eau pressurisée résultent de l’apparition d’une brèche sur le circuit primaire et sont étudiés afin de dimensionner les dispositifs de secours. Plus précisément, cette thèse s’intéresse au comportement thermomécanique des gaines dans lesquelles sont empilées les pastilles de combustible qui constituent la première barrière de sûreté nucléaire lors de transitoires accidentels.

Depuis l’accident de Fukushima-Daiichi, l’industrie nucléaire s’est engagée vers la conception de crayons de combustible pouvant avoir des performances améliorées en situation accidentelle. On parle d’ATF. Concernant les gaines de combustible en alliage de zirconium, la principale solution envisagée à court terme consiste à les revêtir, en surface externe, d’une fine couche de chrome afin de leur conférer une résistance accrue à l’oxydation.

L’objectif principal de la thèse est l’étude du comportement de ce type de revêtement pendant un APRP. Lors de cet accident, les gaines sont soumises à une élévation de température et à des contraintes de pressurisation interne. Ce chargement peut entraîner le ballonnement par fluage des gaines que peut conduire à l’éclatement. Après la phase de montée en température, la température atteint son niveau maximum et la gaine éclatée est oxydée en atmosphère vapeur. Le chrome est hautement protecteur vis-à vis de l’oxydation par la vapeur d’eau jusqu’à une température voisine de celle de l’eutectique Zr-Cr pendant une durée qui dépend de la qualité du revêtement et de son épaisseur. Dans le cas de fortes déformations, le revêtement peut se fissurer et perdre son caractère protecteur face à la vapeur d’eau.

Parallèlement, l’interdiffusion Zr-Cr activée par les hautes températures peut engendrer la formation d’un composé intermétallique fragile, le ZrCr2, à l’interface gaine-revêtement. La résistance et la stabilité des phases à l’interface sont un aspect important pour les performances du gainage revêtu.
Après l’éclatement, la vapeur d’eau accède à la surface interne (non revêtue) de la gaine et va oxyder le métal de base. L’oxydation par la vapeur d’eau libère de l’hydrogène. En s’éloignant de la zone d’éclatement, l’environnement gazeux interne à la gaine s’appauvrit donc en vapeur d’eau et se charge en hydrogène susceptible d’être incorporé dans le métal de part et d’autre de l’éclatement (phénomène connu sous le nom d’hydruration secondaire), conduisant à sa fragilisation et à un risque de rupture au renoyage.

Les défis à relever lors de cette thèse sont :

• la caractérisation du fluage des gaines revêtues Cr en APRP ;
• l’étude des mécanismes de fissuration du revêtement chrome ;
• la caractérisation de la fragilisation des gaines par hydruration secondaire après éclatement;
• la modélisation des essais de fluage en rampe de température à l’aide des logiciels de la plateforme FUEL+ de l’IRSN.