LMA - Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique

M. Salvo - Étude expérimentale et modélisation du comportement mécanique du combustible UO2 en compression à haute température et forte vitesse de sollicitation

Amphithéâtre du château de Cadarache

Le 17 décembre 2014 à 14h00

L’objectif de ce travail est d’étudier la déformation et la fissuration du combustible des réacteurs nucléaires lors d’un accident d’injection de réactivité (RIA en Anglais). Durant ces accidents, la température du combustible peut atteindre 2500°C et la déformation se fait très rapidement (la déformation peut atteindre quelques % en moins de 10 ms). Aussi, des essais de compression en laboratoire ont été effectués sur deux types de combustible (industriel et à forte densité). Ces essais ont été faits à vitesses de déplacements imposées entre 0,1 mm/min et 100 mm/min et à des températures régulées entre 1100°C et 1700°C. Les résultats de ces essais ont permis de mettre au point une loi de comportement (relation entre la vitesse de déformation et la contrainte nécessaire pour déformer le matériau) qui a été introduite dans le code ALCYONE-RIA afin de simuler la déformation du combustible irradié pendant un RIA.

Encadrement

  • Directeur : Thierry Désoyer
  • Co-encadrant : Jérôme Sercombe (Ingénieur de recherche CEA)
  • Organisme rémunérant : Allocation CEA

Jury

  • Damien HALM, Professeur à l’Université de Poitiers, Rapporteur
  • Yann MONERIE, Professeur à l’Université Montpellier 2, Rapporteur
  • Sylvain LECLERCQ, Ingénieur de recherche EDF, Examinateur
  • Jean-Marc CHAIX, Directeur de recherche SIMAP Grenoble, Examinateur
  • Jérôme SERCOMBE, Ingénieur de recherche CEA, Encadrant
  • Thierry DÉSOYER, Professeur à l’École Centrale de Marseille, Directeur
  • Christophe GARNIER, Ingénieur de recherche AREVA, Invité
  • Vincent GEORGENTHUM, Ingénieur de recherche IRSN, Invité

Résumé

Afin de réduire les coûts d’exploitation des réacteurs, Électricité de France (EdF) souhaiterai augmenter la duré de vie du combustible en réacteur et donc son taux de combustion final pour le faire passer de 52 GWj/t(limite autorisée depuis 1998) à 62 GWj/t. Ce changement ne peut être autorisé par les autorités de sûreté qu’après s’être assuré, entre autre, du maintient de l’intégrité des barrières de confinement en situation accidentelle et en particulier lors d’un accident d’injection de réactivité (Reactivity Initiated Accident, RIA). Pour cela, une étude approfondie de ce type d’accident a été mise en œuvre afin de définir des critères de sûreté. Les modélisations existantes de RIA montrent que les sollicitations vus par le combustible au cours de ces accidents dépassent le domaine de validité des lois de comportement mécanique de l’UO2 calées sur les rampes de puissance. En s’appuyant sur ces résultats, ce travail a pour but de caractériser puis de modéliser le comportement mécanique du combustible UO2 en compression à haute température et forte vitesse de sollicitation.

Ces sollicitations, caractéristiques d’un RIA sont tout d’abord étudiées expérimentalement au travers d’une campagne d’essai réalisée sur un lot de pastille d’UO2 vierge (non irradiée) industrielle. Cette campagne a consisté en un ensemble d’essai de compression à vitesse de déplacement imposée et à température régulée. La vitesse de déplacement a été imposée à 0,1 mm/min, 1 mm/min, 10 mm/min et 100 mm/min alors que la température a été régulée à 1100 °C, 1350 °C, 1550 °C et 1700 °C. Les résultats expérimentaux obtenus (évolution de la géométrie, de la contrainte et de la microstructure) ont permis de définir un modèle en sinh prenant en compte les variations de volume (compressibilité de la porosité) afin de décrire le comportement mécanique de l’UO2 sur une grande gamme de températures (1100 °C - 1700 °C) et de vitesses de déformation (10-9/s - 10-1/s).

En réacteur, la densification a généralement lieu lors du régime nominal. Le combustible testé en condition de RIA en réacteur expérimental est donc peu susceptible de densifier de nouveau pendant un transitoire rapide de puissance. Une seconde étude expérimentale a donc été faite sur un lot de pastille très dense (densité relative de 98 % contre 96 % pour le premier lot). Les conditions d’essais étant les mêmes que celles utilisées pour la campagne d’essai du premier lot. Les résultats ont montré une forte dépendance de la contrainte à la densité du matériau ainsi que de la fragmentation des joints de grains au centre des pastilles testés à 10-1/s, 1550 °C et 1700 °C. La dépendance de l’écoulement viscoplastique à la densité est amplifiée en modifiant le modèle en sinh initialement proposé et un écoulement plastique, basé sur un critère de type Drucker-Prager avec plasticité associé, a été ajouté pour modéliser la fragmentation des joints de grain ainsi que l’augmentation de volume qui en découle.

Enfin, une loi de comportement nommé L3F est définie en y ajoutant la prise en compte du fluage d’irradiation ainsi que de la fissuration macroscopique en traction. Cette loi est alors utilisé dans le code Alcyone-RIA pour simuler les essais REP-Na à l’aide d’une modélisation 1D. La modélisation du comportement mécanique de l’UO2 irradié a été faite en faisant la seule hypothèse que les pores sont incompressible du fait de la forte pression exercée par les gaz de fission. Les résultats de simulation en bon accord avec les essais en réacteur expérimentaux montrent que la fragmentation des joints de grains ne dépends pas seulement du taux de combustion et peut en grande partie s’expliquer par la seule mécanique du combustible.

Mots clés :

UO2 , mécanique, RIA, compression, haute température, forte vitesse de déformation, porosité, fluage, forte densité, étude expérimentale, modélisation, loi de comportement, fragmentation des joints de grain, fissuration, CABRI REP-Na, ALCYONE, Cast3m.

Voir en ligne : Page personnelle de Maxime Salvo

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