Ballooning deformation of Zircaloy-4 fuel clads under Loss-Of-Coolant accident conditions
Étude du ballonnement des gaines combustibles en Zircaloy-4 en situation d'Accident de Perte de Réfrigérant Primaire
Résumé
In a nuclear power plant, the nuclear fuel is contained within fuel clads made of cold-work stress relieved Zircaloy-4 alloy. During a LOCA (Loss Of Coolant Accident), claddings are subjected to severe thermo-mechanical loading, as a consequence of temperature and over pressure rise. As a consequence, the clads undergo major and unstable deformation leading to ballooning until rupture. LOCA is acomplex transient in which the clads are simultaneously subjected to a temperature ramp up to 100°C/s and an overpressure up to100bar. Furthermore, the temperature is not homogeneous over the clad surface. The aim of this work is a better comprehension of this phenomenon by carrying out a specific experimental campaign and the development of modelling, capable of reproduce the tests and improving the prediction of the ballooning and rupture for LOCA-representative conditions. A semi-integral LOCA test device was used to realize realistic transients. Constant-temperature creep tests were performed under three different temperatures (650°C, 700°C,750°C) and height overpressures (30bar, 40bar, 50bar, 60bar, 70bar, 80bar, 90bar, 100bar) in order to better understand the ballooning phenomenon under non-dynamic conditions. Ramp-tests were also performed for three different ramp rates (1°C/s, 5°C/s et 10°C/s) for similar overpressures than constant-temperature creep tests. Thermal field being a first order parameter, efforts have been made to characterize it. This characterization was made for constant-temperatures and for different ramp-rates by means of an equipped cladwith welded thermocouples and an infrared thermographic camera. Furthermore, high-resolution camera was used throughout the experiment to measure the strain during the experiments. The experiments showed a remarkable reproducibility of the results compared to the majority of similar tests conducted so far. The second part of this work is dedicated to the numerical modelling of ballooning. A temperature-dependent visco-plastic behavior law was identified from our experiments. A semi-analytical method based on a simplified shell analysis has been developed, allowing the ballooned geometry to be taken into account. The main advantages are a better comprehension of the influence of the model parameters upon the ballooning phenomenology and the computation time, infinitely lowerthan a finite elements simulation. The applicability has been proved for LOCA-representative conditions. The last part of the work is dedicated to the simulation of the tests using Code Aster®. A function has been found to describe the temperature field of our device and 3D computations were conducted that enabled to model the ballooning deformation with gradients values that did not allowed it until then.
En centrale, le combustible nucléaire est contenu dans des tubes de gainage en Zircaloy-4 issus d’un procédé de formage à froid suivi d’un traitement de détensionnement. Lors d’un Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), les gaines subissent une chargement thermomécanique sévère sous l’effet conjugué de l’augmentation de la température et de la pression interne. En résulte un phénomène instable qui conduit au ballonnement et à la rupture du fait des grandes déformations. L’APRP est un transitoire complexe au cours duquel les gaines sont simultanément soumises à des rampes de température allant jusqu’à 100°C/s et des surpressions pouvant atteindre 100bar. De plus, le champ de température n’est pas homogène sur la surface de la gaine. L’objectif de ce travail est de gagner en compréhension sur le phénomène en menant une campagne d’essais ciblée et de développer des simulations capables de les reproduire, et éventuellement de prédire la rupture pour des conditions données représentatives d’un chargement représentatif d’un APRP. Un dispositif d’essai semi-intégral a été utilisé afin de réaliser des transitoires réalistes. Des essais à température constante ont été conduits pour trois températures (650°C, 700°C,750°C) et huit valeurs de surpression (30bar, 40bar, 50bar, 60bar, 70bar, 80bar,90bar, 100bar) afin de mieux comprendre le phénomène de ballonnement en le découplant de la dynamique thermique. Des essais en rampes ont aussi été réalisés pour trois vitesses (1°C/s, 5°C/s et 10°C/s) et une gamme de pression similaire au fluage. Les gradients de température jouant un rôle d’ordre un dans le développement du ballon, une attention particulière a été portée à sa caractérisation. Celle-ci a été faite tant en plateau qu’en rampe de température en utilisant une gaine instrumentée de thermocouples soudés ainsi qu’une caméra thermique. De plus, un système de mesure de la déformation a été mis en place afin de suivre l’évolution de la déformation à l’aide de caméras haute résolution. La seconde partie de ce travail a été dédiée à la simulation numérique du ballonnement. Une loi constitutive a été identifiée sur notre campagne d’essais et prend en compte l’effet de la viscoplasticité et de la température. Une méthode de calcul semi-analytique basée sur un modèle simplifié de coque a été mise en place et permet de prendre en compte la géométrie du ballon. Son intérêt porte sur la compréhension de l’influence des paramètres du modèle sur la phénoménologie et sur le temps de calcul, infiniment plus faible qu’une modélisation par éléments finis. La faisabilité de l’utilisation de ce modèle a été démontrée pour des conditions représentatives d’un APRP. Pour finir des modélisations par éléments finis ont été réalisées en utilisant Code Aster®. Le gradient mesuré expérimentalement a été imposé au maillage grâce à l’écriture d’une fonction d’interpolation déduite du champ mesuré. En suivant cette stratégie, un bon accord est atteint entre l’expérience et la simulation et permet d'apporter une meilleure compréhension des modèles aux éléments finis
Origine : Version validée par le jury (STAR)