Hydruration secondaire et fragilisation d'une gaine M5-Framatome après une sollicitation de type APRP

L’hydruration secondaire, qui fait référence à une prise massive d’hydrogène par la gaine combustible due à l’oxydation à haute température de la surface interne de la gaine, peut survenir pendant un transitoire APRP (Accident de Perte de Réfrigérant Primaire), en cas d’éclatement de gaine permettant à la vapeur de pénétrer à l'intérieur. Ce phénomène peut ensuite induire une fragilisation de la gaine combustible et conduire à une rupture lors de la phase de renoyage. Plusieurs instituts de recherche internationaux réalisent des essais dits semi–intégraux afin de caractériser le comportement des gaines combustibles en APRP. Ces essais combinent plusieurs phénomènes interconnectés, rendant complexe une étude fine et à effets séparés du phénomène d’hydruration secondaire.

Ces travaux de thèse ont pour objectif d’améliorer la compréhension du phénomène d’hydruration secondaire par le biais d’essais analytiques dédiés suivis d’essais mécaniques et de simulations.

Un protocole expérimental a été mis en place, pour simuler le phénomène d’hydruration secondaire en conditions APRP, afin de caractériser l’effet de divers paramètres. Les résultats expérimentaux obtenus indiquent que la quantité d’hydrogène absorbée par la gaine augmente à la fois avec la température d’oxydation et la durée d’oxydation (dans la gamme 100–1400s). Une tendance similaire a été observée en étudiant l’influence de différentes tailles de gap (80, 130 et 230 μm) et de différents diamètres d’ouverture par laquelle la vapeur pénètre (⌀2 et ⌀4 mm). Différentes méthodes de mesure de l’hydrogène ont été utilisées pour caractériser la distribution de l’hydrogène au sein du matériau après oxydation :la mesure par fusion dégazage, l’imagerie par neutrons et la μ–LIBS. Des techniques d’analyses locales (EPMA et μ–LIBS) ont également été employées afin de déterminer la distribution locale de l’oxygène et de l’hydrogène.

Les essais à effets séparés ont été modélisés à l’aide du logiciel SHOWBIZ de l’ASNR. Les simulations réalisées ont permis de modéliser les mécanismes de transport des gaz à l’intérieur de la gaine couplés aux réactions d’oxydation et d’hydruration et de mener des études paramétriques. La tendance des résultats de simulations est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, les effets de fragilisation combinés des réactions d’oxydation et d’hydruration de la gaine ont été étudiés par le biais d’essais de flexion 4 points et par une modélisation mécanique linéaire élastique de la rupture.