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

Les travaux de thèse s’inscrivent dans la recherche relative au comportement thermomécanique des gaines de combustible de type e-ATF (enhanced Accident Tolerant Fuel), constituées d’un alliage de zirconium revêtu de chrome, soumises à des conditions représentatives d’un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP). 

Lors d’un APRP, ces gaines peuvent être soumises à des élévations de température supérieures à 800 °C et des contraintes de pressurisation interne qui sont intensifiées à la fois par cet échauffement et par la dépressurisation du circuit primaire. Ce chargement entraîne un ballonnement par fluage des gaines qui conditionne la refroidissabilité du cœur. Cette déformation peut induire un éclatement de la gaine pendant la phase de montée en température.

La littérature livrant parfois des données éparses sur les propriétés en fluage des gaines e-ATF, un des enjeux scientifiques de la thèse est de caractériser le comportement en fluage de ces bi-matériaux dans des conditions de pressurisation interne représentatives d’une séquence APRP dont la pression diminue avec le ballonnement.
Par ailleurs, une fois la température maximale atteinte en fin de phase transitoire, la gaine éclatée est oxydée en atmosphère vapeur. Le chrome est hautement protecteur vis-à vis de l’oxydation par la vapeur d’eau pendant une durée qui dépend de la qualité du revêtement, de son épaisseur et jusqu’à une température voisine de 1320 °C associée à la formation de l’eutectique Zr-Cr. Cependant, 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 entre le zirconium et le chrome à l’interface gaine-revêtement est favorisée par les hautes températures et peut engendrer la formation d’un composé intermétallique, ZrCr¬2, connu pour sa fragilité. La stabilité mécanique et chimique à l’interface est un paramètre clé dans l’évaluation des performances du gainage revêtu.

La compréhension du comportement à haute température de la gaine requiert leur caractérisation mécanique, mais également, des analyses de corrosion et l’étude des phénomènes de diffusion/précipitation et tout en identifiant les synergies entre ces mécanismes.

Les principaux défis à relever lors de cette thèse sont les suivants :

• la caractérisation du fluage des gaines revêtues de chrome en conditions représentatives d’un APRP
• l’analyse des mécanismes de fissuration du revêtement de chrome
• la modélisation des essais de fluage en rampe de température à l’aide des logiciels de la plateforme FUEL+ de l’ASNR.

L’un des objectifs de la thèse est de contribuer à une meilleure compréhension du comportement des gaines de combustible revêtues chrome en situation d’APRP.
L’ensemble de ces moyens aidera l’ASNR à se positionner sur l’applicabilité ou la nécessité de faire évoluer les critères pour l’évaluation de ces nouveaux matériaux de gainage.