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Ahmed CHAIEB - Soutenance de thèse MINES ParisTech

Ahmed CHAIEB

Comportement anisotherme et rupture des gaines combustibles en alliages de zirconium. Application à la situation d'accident d'insertion de réactivité (RIA)

Titre anglais : Anisothermal behavior and failure of fuel clads made of zirconium alloys. Application to the situation of reactivity insertion accident (RIA)
Date de soutenance : 09/04/19
Directeur de thèse : Jerôme CREPIN

Mots clés en français : Zircaloy-4,RIA,Traction anisotherme,Transitoire thermo-mécanique,Biaxialité,Rupture,
Mots clés en anglais : Zircaloy-4,RIA,Ansiothermal tensile,Thermo-mechanical transitory,Biaxiality,Failure,

Résumé de la thèse en français
Les gaines combustibles conçues en alliages de zirconium constituent la première barrière de confinement dans les centrales nucléaires. Ce travail a pour but d'établir une meilleure compréhension du comportement thermomécanique du Zircaloy-4 au cours d'un transitoire accidentel de type RIA. En effet, les bases de données expérimentales actuelles sont majoritairement constituées d'essais de traction uniaxiale menés en conditions isothermes. Le caractère anisotherme du chargement, couplé ou non à la biaxialité du chargement mécanique, n'a que peu été étudié. L'objectif de la thèse consiste à développer de nouveaux moyens d'essais permettant de mettre en évidence l'impact d'un chargement anisotherme. Un premier dispositif expérimental a été développé pour étudier les effets d'un transitoire de température sur le matériau de gainage au cours d'un essai de traction uniaxié. Le dispositif expérimental permet de reproduire des conditions de chargement proches de celles rencontrées au cours de l'accident. Il permet de solliciter les gaines jusqu'à des vitesses de chauffage d'environ 600 °C.s-1 couplées à un chargement mécanique rapide pouvant atteindre une vitesse de déformation de 5 s-1. Une campagne expérimentale menée sur ce dispositif a permis de mettre en évidence les premiers effets d'un chargement anisotherme et d'établir par la suite une comparaison entre l'état isotherme et anisotherme. Un impact important a été constaté aux faibles vitesses de déformation et hautes vitesses de chauffage : la contrainte d'écoulement est bien plus importante que celle attendue à partir des essais isothermes. Une étude de la recristallisation du matériau en conditions dynamiques a montré qu'un retard au déclenchement du processus de recristallisation serait la cause des effets anisothermes observés lors des essais de traction. Un second dispositif expérimental a été développé pour coupler les effets d'un chargement biaxial et anisotherme. Une tôle en Zircaloy-4 a été testée selon les deux directions principales (laminage et transverse) avec un système de chauffage par induction. Plusieurs vitesses de chauffage et rapports de biaxialité ont été explorés et les déformations à rupture ont pu être déterminées pour chaque condition expérimentale. L'analyse des essais a montré que la multiaxialité du chargement est le paramètre dominant en ce qui concerne la ductilité du matériau, aucune influence notable du chargement anisotherme n'a été observée lors de ces essais. En soutien à l'analyse des essais de traction anisothermes uniaxiés et biaxiés, des simulations numériques ont été entreprises à l'aide de modèles de comportement mécanique macroscopique existant et développé dans cette étude. Ces simulations ont notamment permis la détermination des champs de contrainte des essais biaxiés et montré que les essais réalisés se trouvaient bien dans le domaine d'intérêt des études sur le RIA.

Résumé de la thèse en anglais
Fuel clads made of zirconium alloys are the first safety barrier in the nuclear power plants. This work aims to enhance the understanding of the thermomechanical behavior of Zirlcaoy-4 during RIA accidental scenario. Indeed, the current experimental databases are mainly constituted of uniaxial tensile tests carried out under isothermal conditions. The anisothermal character of the loading, coupled or not with the biaxiality of the mechanical loading, has been poorly studied. The aim of the thesis is to develop new experimental setups to highlight the effect of anisothermal loading. A first experimental test device was developed to study the effects of temperature transient on the cladding material during uniaxial tensile test. The experimental setup allows to reproduce loading conditions close to the ones occuring during a RIA accident. It allows clad testing up to 600 °C.s-1 heating rates coupled to rapid mechanical loading reaching 5 s-1 in terms of strain rate. First experiments showed first effects of anisothermal loading and allowed us to establish as a second step a comparison between isothermal and anisothermal states. A marked effect of anisothermal loading was observed at low strain rates and high heating rates : the flow stress is much higher than that expected from the isothermal tests. A study of the recrystallization of the material under dynamic conditions has shown that a delay in triggering the recrystallization process would be the cause of the anisothermal eects observed during the tensile tests. A second experimental device was developed to couple effects of biaxial and anisothermal loading. A sheet of Zircaloy-4 was tested along its two main directions (rolling and transverse) with an induction heating system. Several heating rates and biaxiality ratios were explored and failure strains were determined for each experimental condition. The analysis of the tests showed that the multiaxiality of the loading is the dominant parameter with regard to the ductility of the material, no significant influence of the anisothermal loading was observed during these tests. In support of the analysis of uniaxial and biaxial anisothermal tensile tests, numerical FEM calculations were undertaken using a macroscopic mechanical behavior model developed in this study. These simulations made it possible to determine the stress fields of the biaxial tests and showed that the tests carried out were in the field of interest of the RIA studies.

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