Thèse
Auteur :
Colin Christian

Date de soutenance :
23 septembre 2003

Directeur(s) de thèse :
Boussuge Michel



École :

MINES ParisTech
Intitulé de la thèse : Etude du fluage du dioxyde d'uranium: caractérisation par essais de flexion et modélisation mécanique.


Résumé : Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre des études sur les interactions pastille-gaine dans les assemblages combustibles utilisés dans les centrales nucléaires. En effet, l'exploitant (EDF)doit assurer et démontrer l'intégrité de l'ensemble 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 d'uranium 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 d'un 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 l'identification 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 d'uranium en flexion. Le cahier des charges de cette étude imposant de prélever les échantillons directement dans les pastilles, ceci dans un souci de représentativité, l'entraxe 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 d'épaisseur 0,5 à 1 mm. Dans nos conditions d'essai, le fluage stationnaire a pu être décrit à l'aide 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: l'introduction 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. L'identification 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 l'effet de l'irradiation sur le fluage de UO2.1 INTRODUCTION GENERALE 5

1.1 PRINCIPE ET FONCTIONNEMENT D'UN REACTEUR 7

1.2 ASSEMBLAGE ET COMBUSTIBLE DANS LES REP 8

1.3 FONCTIONNEMENT EN REGIME DE BASE DANS LES REP 11

1.4 TRANSITOIRES DE PUISSANCE 12

1.5 SITUATION DE CETTE THESE - IPG 14

2 CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT EN REACTEURS A EAU PRESSURISEE 19

2.1 PRODUCTION ET EVACUATION DE LA CHALEUR 22

2.2 EFFETS DE LA TEMPERATURE 24

2.3 EFFETS DE L'IRRADIATION 26

2.3.1 Création de défauts 27

2.3.2 Diffusion 28

2.3.3 Fluage 28

2.3.4 Gonflement et produit de fissions 29

2.3.5 Rim effect 31

2.4 FONCTIONNEMENT D'UN REACTEUR REP 33

3 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DU COMPORTEMENT MECANIQUE DE UO2 37

3.1 FABRICATION DU COMBUSTIBLE 39

3.1.1 Cycle du combustible 39

3.1.2 Fabrication des pastilles 40

3.1.2.1 La poudre UO2 40

3.1.2.2 La pastille UO2 40

3.2 PROPRIETES PHYSIQUES DE UO2 42

3.2.1 Structure cristallographique 42

3.2.2 Ecart à la stoechiométrie 44

3.2.3 Dislocations dans la structure fluorine 46

3.2.4 Diffusion dans UO2 46

3.3 COMPORTEMENT MECANIQUE 47

3.3.1 Plasticité - Rupture 48

3.3.1.1 Carte de rupture 48

3.3.1.2 Transition d'un comportement fragile vers viscoplastique 49

3.3.1.3 Essais d'écrouissage: mise en évidence d'un pic de compression 50

3.3.2 Fluage 51

3.3.2.1 Carte de fluage 51

3.3.2.2 Effets des paramètres macroscopiques 52

3.3.2.3 Influence de la microstructure 54

3.3.2.4 Mécanismes de déformation 55

3.3.2.5 Description à l'aide d'une loi de fluage stationnaire 60

3.4 CONCLUSION 62

- 1Contribution à l'étude du fluage du dioxyde d'uranium en flexion.

4 SOLLICITATIONS THERMOMECANIQUES EN TRANSITOIRE DE PUISSANCE 65

4.1 CONDITIONS D'UTILISATION DES CODES DE CALCUL 67

4.2 DESCRIPTION DU REGIME DE BASE, CONDITIONNEMENT DU CRAYON 68

4.3 DESCRIPTION D'UNE RAMPE DE PUISSANCE, EVOLUTION DE LA TEMPERATURE 69

4.4 DESCRIPTION D'UNE RAMPE DE PUISSANCE, EVOLUTION DES CONTRAINTES MECANIQUES 71

4.5 CONCLUSION 74

5 DISPOSITIF EXPERIMENTAL 77

5.1 ELEMENT CHAUFFANT: FOUR GRAPHITE A INDUCTION - 80

5.2 MESURE DE LA CHARGE ET ENSEMBLE DE CHARGEMENT 82

5.3 ATMOSPHERE CONTROLEE: L'ENCEINTE D'ESSAI 84

5.4 MESURE DES DEFORMATIONS: EXTENSOMETRE LASER 86

5.4.1 Principe 86

5.4.2 Limites d'utilisation de l'extensomètre et solutions proposées 87

5.5 REGLAGE ET MISE EN PLACE DU DISPOSITIF 89

5.6 MESURES DES DIFFERENTS SIGNAUX UTILES: CHAINES D'ACQUISITION 90

5.7 RISQUES D'UTILISATION DE L'APPAREIL 90

5.8 DESCRIPTION MECANIQUE DE L'ESSAI DE FLEXION 91

5.8.1 Solution élastique 91

5.8.2 Fluage en flexion 92

5.8.3 Régime stationnaire 93

5.9 VALIDATIONS DES MESURES 94

5.9.1 Stabilité thermique 94

5.9.2 Essais mécaniques 95

5.9.3 Mesures de modules d'élasticité 97

5.9.4 Mesures de déformations permanentes plastiques 99

5.10 CONCLUSION 101

6 FLUAGE DU DIOXYDE D'URANIUM EN FLEXION 103

6.1 COMPORTEMENT DU DIOXYDE D'URANIUM EN FLEXION, BIBLIOGRAPHIE 105

6.1.1 Comportement vis-à-vis de la fissuration 105

6.1.2 Fluage du dioxyde d'uranium en flexion 107

6.2 COMPARAISON DES COMPORTEMENTS 109

6.3 MATERIAU UTILISE POUR NOTRE ETUDE 110

6.3.1 Microstructure 110

6.3.2 Découpes des éprouvettes 113

6.4 INTERPRETATION DES RESULTATS 115

6.5 PRESELECTION DES TEMPERATURES D'ESSAI 115

6.6 COMPORTEMENT EN FLEXION 116

6.6.1 Ecrouissage et élasticité à 1 350°C 116

6.6.2 Fluage stationnaire à 1 350°C, influence de la contrainte 118

6.6.3 Fluage stationnaire sous 75 MPa, influence de la température 120

6.6.4 Vérification de l'exposant de contrainte, exploitation d'essai de relaxation 122

6.6.5 Vérification de l'énergie d'activation, retour sur les essais anisothermes 123

6.7 CONFRONTATION DE NOS RESULTATS AVEC LA LITTERATURE 125

6.8 CONCLUSIONS 128

- 27 IDENTIFICATION D'UNE LOI DE COMPORTEMENT MECANIQUE 131

7.1 CHOIX D'UNE LOI 133

7.2 ESSAIS DE COMPRESSION 136

7.2.1 Influence de la contrainte, à 1 500°C 137

7.2.2 Evolution avec la température 139

7.2.3 Validation 142

7.2.4 Récapitulatif 144

7.3 ESSAIS DE FLEXION 146

7.3.1 Problématique 146

7.3.2 Simulation par calcul aux éléments finis 148

7.3.3 Influence de la contrainte, à 1 350°C 149

7.3.4 Evolution avec la température 152

7.3.5 Validation de la loi 156

7.4 COMPARAISON DES DEUX LOIS 158

7.4.1 Deux domaines de comportements 158

7.4.2 Zone de transition: essais de fluage 158

7.4.3 Essais à vitesses de déformation imposée 161

7.5 CONCLUSIONS - 162

8 SIMULATION D'UNE RAMPE DE PUISSANCE 165

8.1 CHOIX DE MODELISATION ET CONDITIONS DE CALCUL 167

8.1.1 Historique de puissance 168

8.1.2 Maillage 168

8.1.3 Calculs thermomécaniques 169

8.2 CALCUL THERMIQUE 169

8.2.1 Conditions aux limites 169

8.2.2 Propriétés thermiques du matériau 170

8.2.3 Champ thermique 170

8.3 CALCUL MECANIQUE EN ELASTICITE 172

8.3.1 Conditions aux limites du calcul 173

8.3.2 Propriétés élastiques du dioxyde d'uranium 173

8.3.3 Contraintes dans le combustible 173

8.4 CALCUL MECANIQUE EN ELASTO-VISCOPLASTICITE 177

8.4.1 Propriétés mécaniques de UO2 177

8.4.2 Sollicitations en transitoire de puissance: loi élasto-viscoplastique 178

8.4.3 Comparaison avec les calculs METEOR 188

8.4.4 Résumé et retour de réacteur 190

8.5 CONCLUSION 193

9 ESSAIS SUR EPROUVETTES IRRADIEES AUX IONS 195

9.1 CONDITIONS D'IRRADIATION 197

9.2 DEFAUTS MICROSTRUCTURAUX D'IRRADIATION, RELATION AVEC LE COMPORTEMENT MECANIQUE 200

9.3 FLUAGE ET IRRADIATION 203

9.4 ESSAIS DE FLEXION SUR EPROUVETTES IMPLANTEES AUX IONS KR 204

9.5 CONCLUSIONS 206

10 RESUME, CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 209

11 BIBLIOGRAPHIE 217

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