Etude du fluage du dioxyde d'uranium : caractérisation par essais de flexion et modélisation mécanique
Résumé
Ces travaux de thèse sinscrivent dans le cadre des études sur les interactions pastille-gaine dans les assemblages combustibles utilisés dans les centrales nucléaires. En effet, lexploitant (EDF)doit assurer et démontrer lintégrité de lensemble des crayons composant l'assemblage. Pour cela, on doit notamment connaître (et si possible maîtriser) les propriétés viscoplastiques du combustible. Le but de cette thèse a été de caractériser le fluage du dioxyde duranium dans des conditions de
transitoires de puissance de centrale nucléaire. Nous nous sommes intéressés aux résultats disponibles dans la littérature sur le comportement mécanique du dioxyde d'uranium UO2. Ce sont essentiellement des essais de compression qui ont permis de caractériser le fluage de la céramique nucléaire, et qui ont prouvé que le fluage du dioxyde d'uranium est caractérisé par deux types comportement, en fonction du niveau de contraintes appliqué.
Pour évaluer les sollicitations dans la pastille combustible, EDF ou CEA ont développé des codes de calcul spécifiques, dit globaux. Partant dun de ces calculs lors des transitoires de puissance, nous avons dégagé les ordres de grandeur des sollicitations vues par le combustible (température, gradients thermiques, déformations, vitesses de déformations,). Le calcul des contraintes lors de
transitoires de puissance nécessite lidentification de lois de comportement capables de décrire le comportement de la céramique pour de faibles taux de déformation e,t notamment, sous des contraintes de traction. Partant de ce constat nous avons choisi de caractériser le comportement du
dioxyde duranium en flexion. Le cahier des charges de cette étude imposant de prélever les échantillons directement dans les pastilles, ceci dans un souci de représentativité, lentraxe de sollicitation a été fixé à 10 mm. Pour cette étude nous avons donc développé un dispositif spécifique de flexion trois points pouvant atteindre 2000°C sous atmosphère contrôlée (Ar + 5%H2). Une attention particulière a été portée sur la mesure de la flèche ; elle est assurée par un extensomètre à ombrage laser dédié, d'une résolution de ± 2 µm à haute température.
En utilisant ce dispositif, nous avons testé en fluage des éprouvettes dépaisseur 0,5 à 1 mm. Dans nos conditions d'essai, le fluage stationnaire a pu être décrit à laide d'une loi de Norton avec un exposant de contrainte de 1,73 et une énergie d'activation de 540 kJ.mole-1. Nous avons ensuite modélisé le comportement mécanique du combustible : lintroduction de variables internes dans une loi à écrouissage cinématique a permis de représenter l'ensemble des courbes de fluage et les phénomènes de recouvrance de la déformation présentés lors de déchargements partiels. Lidentification a été réalisée par méthode inverse, couplant optimisation des paramètres et calcul par éléments finis des déformations de l'éprouvette de flexion. L'application de cette loi dans un calcul de transitoire de
puissance démontre que les capacités de relaxation du matériau ne permettent pas de prévenir une rupture radiale du combustible en fin de montée de puissance. Lors du maintien à puissance élevée, la température élevée à coeur autorise une diminution des contraintes, notamment près des évidements. Il en résulte un écoulement de matière principalement axial, clairement confirmé par l'observation de pastilles usagées. L'application finale de notre dispositif expérimental a été de tester des éprouvettes implantées aux ions, sur une profondeur de 50µm. La faible épaisseur de nos échantillons a permis de mettre en
évidence leffet de lirradiation sur le fluage de UO2.
transitoires de puissance de centrale nucléaire. Nous nous sommes intéressés aux résultats disponibles dans la littérature sur le comportement mécanique du dioxyde d'uranium UO2. Ce sont essentiellement des essais de compression qui ont permis de caractériser le fluage de la céramique nucléaire, et qui ont prouvé que le fluage du dioxyde d'uranium est caractérisé par deux types comportement, en fonction du niveau de contraintes appliqué.
Pour évaluer les sollicitations dans la pastille combustible, EDF ou CEA ont développé des codes de calcul spécifiques, dit globaux. Partant dun de ces calculs lors des transitoires de puissance, nous avons dégagé les ordres de grandeur des sollicitations vues par le combustible (température, gradients thermiques, déformations, vitesses de déformations,). Le calcul des contraintes lors de
transitoires de puissance nécessite lidentification de lois de comportement capables de décrire le comportement de la céramique pour de faibles taux de déformation e,t notamment, sous des contraintes de traction. Partant de ce constat nous avons choisi de caractériser le comportement du
dioxyde duranium en flexion. Le cahier des charges de cette étude imposant de prélever les échantillons directement dans les pastilles, ceci dans un souci de représentativité, lentraxe de sollicitation a été fixé à 10 mm. Pour cette étude nous avons donc développé un dispositif spécifique de flexion trois points pouvant atteindre 2000°C sous atmosphère contrôlée (Ar + 5%H2). Une attention particulière a été portée sur la mesure de la flèche ; elle est assurée par un extensomètre à ombrage laser dédié, d'une résolution de ± 2 µm à haute température.
En utilisant ce dispositif, nous avons testé en fluage des éprouvettes dépaisseur 0,5 à 1 mm. Dans nos conditions d'essai, le fluage stationnaire a pu être décrit à laide d'une loi de Norton avec un exposant de contrainte de 1,73 et une énergie d'activation de 540 kJ.mole-1. Nous avons ensuite modélisé le comportement mécanique du combustible : lintroduction de variables internes dans une loi à écrouissage cinématique a permis de représenter l'ensemble des courbes de fluage et les phénomènes de recouvrance de la déformation présentés lors de déchargements partiels. Lidentification a été réalisée par méthode inverse, couplant optimisation des paramètres et calcul par éléments finis des déformations de l'éprouvette de flexion. L'application de cette loi dans un calcul de transitoire de
puissance démontre que les capacités de relaxation du matériau ne permettent pas de prévenir une rupture radiale du combustible en fin de montée de puissance. Lors du maintien à puissance élevée, la température élevée à coeur autorise une diminution des contraintes, notamment près des évidements. Il en résulte un écoulement de matière principalement axial, clairement confirmé par l'observation de pastilles usagées. L'application finale de notre dispositif expérimental a été de tester des éprouvettes implantées aux ions, sur une profondeur de 50µm. La faible épaisseur de nos échantillons a permis de mettre en
évidence leffet de lirradiation sur le fluage de UO2.
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