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Theses Year : 2020

Behavior of zirconium alloy cladding under thermo-mechanical conditions representative of an RIA accident

Comportement des gaines en alliages de zirconium en conditions thermo-mécaniques représentatives d’un accident RIA

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Abstract

The aim of this work is to enhance the understanding of the thermomechanical behavior at rupture of the fuel rod cladding during an accidental transient of the RIA type. A new mechanical test has been developed in order to apply a strain biaxiality ratio ɛzz/ɛ00 between -0,2 et 1. It allows reproducing loading conditions close to the ones occurring during a RIA accident. An experimental campaign at room temperature carried out with this device made it possible to study the effects of strain biaxiality ratios and strain rate on the fracture of the cladding. The tests carried out show a significant effect of the biaxiality on the hoop strain at failure which has a minimum of a plane strain state where the strain biaxiality is close to 0. A slight decrease in ductility was also recorded during the increase in the strain rate for all biaxiality levels. The damage mechanisms and failure modes of specimens are identified from the surfaces and failure profiles depending on the stress conditions. Numerical finite element simulations were performed with the CAST3M code to model the test and simulate the failure of cladding with biaxial loading. A second experimental device has been developed to couple the effects of biaxial mechanical loading and rapid thermal loading. The objective is to heat the cladding with temperature rise rates greater than 100 °C.s-1 in order to avoid the restoration of the defects linked to the hydriding and to the irradiation during the test. The method was used to perform thermomechanical tests at high heating rates, high strain rates, and high biaxiality levels to reproduce full loadings in a reactivity accident. The first results show, for a virgin cladding, that the strain at the break was not affected by temperature or by the rate of heating. Finite element simulations were undertaken to model the different heating methods tested and to optimise the chosen method. These simulations made it possible in particular to model the passage of electric current and heat flow through solid-solid interfaces.
Ces travaux ont pour but d’établir une meilleure compréhension du comportement thermomécanique à la rupture des gaines du crayon combustible au cours d’un transitoire accidentel de type RIA. Un dispositif expérimental nommé EDC-T permettant la réalisation d’essais mécaniques sur des gaines en Zircaloy-4 avec des biaxialités de déformation ɛzz/ɛ00 entre -0,2 et 1 a été développé. Une campagne expérimentale à 25 °C menée sur ce dispositif a permis d’étudier les effets de la biaxialité et de la vitesse de déformation sur la rupture de la gaine. Les essais réalisés ont montré un effet important de la biaxialité sur la déformation circonférentielle à la rupture qui possède un minimum à l’état de déformation plane où la biaxialité de déformation est proche de 0. Une faible baisse de la ductilité a également été enregistrée lors de l’augmentation de la vitesse de déformation pour tous les niveaux de biaxialité. Les mécanismes d’endommagement et les modes de rupture des éprouvettes ont été identifiés d’après les surfaces et les profils de rupture en fonction des conditions de sollicitation. Des simulations numériques par éléments finis ont été réalisées avec le code CAST3M pour modéliser l’essai et simuler la rupture des gaines avec un chargement biaxial. Un second dispositif expérimental a été développé pour coupler les effets d’un chargement mécanique biaxial et d’un chargement thermique rapide. Des simulations par éléments finis ont été mises en place pour modéliser les différentes méthodes de chauffage testées et permettre d’optimiser les paramètres de la méthode retenue. Ces simulations ont notamment permis de modéliser le passage du courant électrique et du flux thermique à travers les différents éléments du dispositif. L'objectif à termes étant d’étudier le comportement des gaines irradiées, des vitesses de montée en température supérieures à 100 °C.s-1 sont visées afin de limiter la restauration des défauts d’irradiation. Cette méthode a été utilisée pour réaliser des essais thermomécaniques à des fortes vitesses de chauffage pour de fortes vitesses de déformation et à des niveaux de biaxialité élevés afin de reproduire l’intégralité des chargements lors d’un accident de réactivité. Les premiers résultats, obtenus à 400 °C pour une gaine vierge, montrent que pour une même biaxialité la déformation à la rupture est proche de celle obtenue à 25 °C.
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Dates and versions

tel-03201656 , version 1 (19-04-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03201656 , version 1

Cite

Ahmed Zouari. Comportement des gaines en alliages de zirconium en conditions thermo-mécaniques représentatives d’un accident RIA. Matériaux. Université Paris sciences et lettres, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UPSLM058⟩. ⟨tel-03201656⟩
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