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Ténacité et produits minces : fissuration différée par hydruration (DHC) lors du transport de gaines combustibles

Ténacité et produits minces : fissuration différée par hydruration (DHC) lors du transport de gaines combustibles

Fracture toughness and thin products: DHC (delayed hydride cracking) during transport of fuel rod claddings

Proposition de thèse

Spécialité

Sciences et génie des matériaux

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

BESSON Jacques

Co-encadrant

MADI Yazid

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactJacques Besson
Date de validité

01/10/2020

Site Web
Mots-clés

Sciences des matériaux, mécanique de la rupture, ténacité, diffusion, DHC,, hydrures

/, /

Résumé

Contexte scientifique et industriel :
La DHC (Delayed Hydride Cracking, à savoir fissuration différée induite par la précipitation d'hydrures) est un mode de rupture différé des alliages de zirconium. Ce phénomène résulte de l'interaction entre d'une part un défaut préexistant (une fissure par exemple) et d'autre part l'hydrogène. A chargement constant et sous l'action du champ de contrainte, l'hydrogène va migrer autour de diffuser vers ce défaut, puis précipiter sous forme d'hydrures fragiles en pointe de fissure. Une fois que la zone hydrurée ne supporte plus la contrainte locale de traction, celle-ci rompt de manière fragile, provoquant l'avancée de la fissure. L'hydrogène va alors de nouveau diffuser en pointe de la nouvelle fissure, puis engendrer un nouveau cycle.
La DHC est notamment étudiée sur les gaines de crayons combustibles nucléaires, dans le cadre des problématiques de transport après passage en réacteur. Différents paramètres d'intérêt sont à investiguer, comme la nuance de zirconium utilisée (Zy-4 ou M5), le sens de propagation de la fissure (radial ou longitudinal), l'influence de la température (voire d'un gradient de température), ou encore la dose d'irradiation.
L'épaisseur très réduite de ces gaines, environ 0,6 mm pour un diamètre de 9,5 mm, constitue à la fois un verrou technique important (pour maîtriser la création d'un défaut initial et contrôler l'avancée de la fissure), et un verrou scientifique majeur (pour déterminer une valeur de ténacité pertinente pour le dimensionnement des composants).

/

Contexte

Problématique :
La compréhension et la modélisation de ce mécanisme d'avancée irrégulière de la fissure nécessitent la caractérisation de différents phénomènes couplant mécanique et physico-chimie : diffusion de l'hydrogène assistée par le gradient de contrainte [1][2], germination et croissance des hydrures [3], ou encore les ruptures ductile du zirconium et fragile de la zone hydrurée.
Différents mécanismes sont moteurs dans ce phénomène de DHC :
La concentration de contraintes par le gonflement de la matrice, due au processus temporel de désintégration alpha lié à l'interaction pastille gaine (IPG), avec un collage de la gaine et des pastilles à haut taux de combustion [3].
La cinétique d'évolution de la fraction volumique des hydrures dépend de la concentration locale d'hydrogène dissout et suit une loi de précipitation et de dissolution (fonction de la température [2]). La diffusion de l'hydrogène en pointe de fissure s'apparente à de la diffusion assistée par la mécanique (fonction des gradients de contrainte et de la température) [2]. Pour expliquer la diffusion de l'hydrogène en pointe de fissure, plusieurs paramètres sont pris en compte comme le gradient de contrainte [4] ou le gradient de concentration d'hydrogène dissout [5].
Ensuite, la cinétique de formation des hydrures. La germination d'hydrures dépend de facteurs comme la température, la concentration à l'équilibre en hydrogène à long terme, la super-saturation en hydrogène, ou encore le facteur d'intensité de contraintes. On doit également considérer la transformation de la phase cristalline (hydrides ? à hydrides ?) qui peut fragiliser la gaine. Le taux de fissuration global de l'hydrure dépend du taux d'amorçage, du taux de croissance et du taux de propagation de fissure de l'hydrure [3].
Enfin, l'énergie mécanique de fissuration dépend de la fraction volumique et de l'orientation de ces hydrures dans le massif environnant [2].

Dans la littérature, l'étude expérimentale de la fissuration par DHC des gaines de crayons combustibles est réalisée à l'aide de rampes de puissances et d'essais de laboratoire de différents types [6][7], réalisés sur des portions de gaines, permettant d'étudier deux sens de propagation privilégiés (axial ou radial). Les différents essais sont simulés par éléments finis [1][8][9][10]. Dans les calculs, la fissuration par DHC est prise en compte à l'aide du modèle d'endommagement couplé de Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) [11] ou d'un endommagement couplé qui s'appuie sur l'utilisation d'éléments de zones cohésives [2].
La fissuration par DHC est un problème initialement apparu dans les réacteurs CANDU dans les années 1970-1980. Elle ne semblait pas poser problème dans le cas des réacteurs à eau légère (REB et REP). Cependant, des observations récentes ont montré que la DHC pouvait occasionner des ruptures (respectivement des amorces de fissures) de gaines de crayons combustibles à forts taux de combustion REB (respectivement REP) en rampes de puissance. L'effet de l'irradiation neutronique est également mal connu.

Encadrement

Directeur de thèse : Jacques Besson (Centre des Matériaux)
Encadrants : Yazid Madi (Centre des Matériaux), Tom Petit (DEN/DANS/DMN/SEMI/LCMI), Frantz Martin, Quentin Auzoux (DEN/DANS/DPC/SCCME/LECA)
Lieu : CEA et Centre des Matériaux, Mines ParisTech

Profil candidat

Pour être admis en doctorat, le candidat doit être titulaire d'un diplôme national de master ou d'un autre diplôme conférant le grade de master (diplôme d'ingénieur, diplôme étranger équivalent…), à l'issue d'un parcours de formation établissant son aptitude à la recherche.

Les candidats seront sélectionnés après entretien devant un jury évaluant leur aptitude à la recherche et l'adéquation de leur formation et connaissances avec le sujet de thèse proposé. De solides connaissances scientifiques, une première expérience en recherche (stage 4 mois minimum), une forte motivation pour la recherche, un bon niveau en anglais seront exigés (minimum B2).

Le dossier de candidature doit comporter :
- une lettre de motivation comportant le projet professionnel du candidat
- un curriculum vitae détaillé mentionnant études, stages de recherche effectués, diplômes avec date d'obtention, expérience professionnelle, axes de recherche envisagés
- un relevé de notes du cursus antérieur (cycle ingénieur et/ou master)
- une ou plusieurs lettres de recommandation...
- une attestation du niveau d'anglais.
- pour un étudiant non francophone, un niveau A2/B1 en français (référentiel européen) est recommandé à son entrée en doctorat
- pour les étudiants non titulaires d'un diplôme national de master recherche, tous documents attestant les qualifications de l'étudiant en matière de formation par la recherche (attestations stages de recherche avec résumé du mémoire, recommandations, publications…)
- une copie de carte d'identité ou passeport

Les pièces au format pdf sont à envoyer à
recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

SEULES LES CANDIDATURES ADRESSÉES PAR E-MAIL SERONT PRISES EN COMPTE

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.
Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicantÂ's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Objectif

Objectifs de la thèse :
Les objectifs sont d'une part de propager de façon contrôlée une fissure de DHC dans une gaine, d'autre part d'approfondir la compréhension du phénomène de DHC sur deux nuances d'alliage de zirconium (Zy-4 et M5), et enfin de modéliser cette fissuration par un couplage des phénomènes de diffusion et de mécanique selon deux sens de propagation (axial et radial), pour différents paramètres d'intérêt (température, dose d'irradiation, concentration en hydrogène, …). Les enjeux scientifiques majeurs résident dans la détermination d'une valeur de ténacité pertinente sur un produit mince, ainsi que dans la caractérisation fine des mécanismes de diffusion de l'hydrogène, de précipitation des hydrures et d'endommagement à l'échelle de la microstructure.

Références

Références :
J.D Hong, H.C. Kim, J.S. Kim, Y.S. Yang, D.H. Kook, Delayed hydride cracking assessment of PWR spent fuel during dry storage, Nuclear Engineering and Design 322 (2017) 324–330 Lars O. Jernkvist, Ali R. Massih, Quantum Technologies AB, Uppsala Science Park, Sweden, A comparison between in-pile and out-of-pile radial DHC in Zircaloy-2 cladding, SCIP workshop on hydrogen induced failures, Studsvik, November 17-18, 2009 T.M. Ahn, Delayed-hydride cracking (DHC) of cladding materials: An analysis for storage and disposal of spent nuclear fuel, Nuclear Engineering and Design 350 (2019) 128-136 K. Coleman, Diffusion model for DHC rate, AECL, EACL, Studsvik Cladding Integrity Program Workshop, 17-18, Nov. 2009, Nykoping, Sweden Y.S.Kim, Delayed Hydride Cracking of Zirconium Alloys, Korea Atomic Energy Research Institute, Studsvik Cladding Integrity Program Workshop, 17-18, Nov. 2009, Nykoping, Sweden V. Grigoriev, Parametric study of DHC in fuel cladding, SCIP II A.M. Alvarez Holston, J. Stjärnsäter, On the effect of temperature on the threshold stress intensity factor of delayed hydride cracking in light water reactor fuel cladding, Nuclear Engineering and Technology 49 (2017) 663e667 J. Zhang, J. Zhu, S. Ding, L. Chen, W. Li, H. Pang, Theoretical models of threshold stress intensity factor and critical hydride length for delayed hydride cracking considering thermal stresses, Nuclear Engineering and Technology 50 (2018) 1138e1147 Y.S. Kim, Y.G. Matvienko, Y.M. Cheong, S.S. Kim, S.C. Kwon, A model of the threshold stress intensity factor, KIH, for delayed hydride cracking of Zr±2.5Nb alloy, Journal of Nuclear Materials 278 (2000) 251±257 S. Q. Shi, M.P. Puls, 1994a, Criteria for fracture initiation at hydrides at zirconium alloys-I. Sharp crack tip. J. Nucl. Mat. 208, 232-242. J.K Chakravartty, Materials Group, Bhabha Atomic Research Centre, India, Characterization of Fracture Behaviour of Thin Walled Cladding Material and Effect of Microstructure on Delayed Hydride Cracking Behaviour of Zircaloy Clad SCIP workshop on hydrogen induced failures, Studsvik, November 17-18, 2009 K. Sakamoto, M. Nakatsuka, T. Higuchi, Simulation of cracking during outside-in type failure of high burn-up fuel cladding tubes, 2008 Water Reactor Fuel Performance Meeting

Type financement

Contrat de recherche

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