Mécanisme d'endommagement de la couche d'oxyde des gaines de crayons de combustible en situation accidentelle de type RIA
Vincent BUSSER, Thèse de doctorat de l'institut national des sciences appliquées de Lyon, école doctorale "mécanique, énergétique, génie civil, acoustique", spécialité "mécanique, génie mécanique, génie civil", 236 p., soutenue le 27 mars 2009
En cas d'accident de réactivité, le comportement thermomécanique des gaines de crayons de combustible est fortement influencé par la présence de la couche d'oxyde formée sur les gaines en alliage de zirconium durant son irradiation au réacteur. L'initiation de fissures radiales dans la zircone, suivie de la desquamation de fragments ont un impact important sur la tenue mécaniqne de la gaine. L'objectif de cette thèse est d'étudier les mécanismes susceptibles de conduire à la desquamation de la couche d'oxyde sous l'effet de sollicitations mécaniques.
Des tronçons de gaines en Zircaloy-4 ont été oxydés artificiellement en air à 470°C. Des observations métallographiques de tronçons de gaine ayant subi l'oxydation artificielle ont révélé la présence de nombreuses fissures au sein de la zircone. Un code de modélisation mécanique de la croissance de la couche d'oxyde a été développé. Il permet la prédiction des profils de contraintes dans l'oxyde et la profondeur des fissures radiales initiées dans l'oxyde. Le modèle a été validé sur des essais de la littérature et sur les essais réalisés au cours de cette étude.
La fissuration-desquamation de la couche d'oxyde a été étudiée à partir d'examens métallographiques d'anneaux ayant subi un essai de compression d'anneau. L'analyse des données expérimentales a révélé une succession de plusieurs mécanismes: initiation de fissures radiales dans la couche d'oxyde, puis propagation radiale de ces fissures jusqu'à l'interface métal-oxyde et, enfin, bifurcation et propagation de la fissure le long de l'interface conduisant à la desquamation de fragments.
Ces mécanismes ont été identifiés et caractérisés sur la couche d'oxyde formée dans les conditions de laboratoire de l'étude.
Une étude numérique a été initiée afin de simuler le comportement des gaines oxydées sous sollicitation mécanique. Le rôle-clef joué par les porosités circonférentielles sur la tenue mécanique des fragments d'oxyde a été démontré. Les résultats, bien que qualitatifs, sont plutôt cohérents avec une zircone de porosité circonférentielle importante, conformémemt aux examens métallographiques, et de faible contrainte à rupture.