Les crayons combustibles des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) sont le siège de la fission nucléaire produisant des éléments souvent instables et radioactifs (émetteurs de rayonnement alpha, bêta ou gamma). Le gainage du crayon combustible ― actuellement en Zircaloy-4 ―, étant la première barrière de protection vis-à-vis de l’environnement, son intégrité doit être démontrée pour toutes les situations de fonctionnement normal ou incidentel du réacteur. Les recherches menées par EDF pour augmenter la durée de vie des assemblages combustibles et la souplesse de pilotage du réacteur (dans le but de suivre la demande du réseau), conduisent à considérer des sollicitations mécaniques potentiellement plus sévères sur le tube de gainage que celles initialement prévues. Dans un objectif de prévention contre le risque de rupture de gaine par corrosion sous contrainte, sans conservatisme excessif, il est ainsi devenu nécessaire de simuler le comportement mécanique des gaines avec des modèles permettant d’évaluer des champs de contraintes et de déformations réalistes pour toutes les situations de fonctionnement.
• Aujourd’hui, au CEA ― Commissariat à l’énergie atomique ― comme à EDF, deux modèles de comportement ont été développés pour le Zircaloy-4 détendu à basse teneur en étain, l’un permettant de simuler le comportement de la gaine en fonctionnement normal à faible contrainte, l’autre le comportement incidentel sous forte contrainte en situation d’IPG ― Interaction Pastille-Gaine ― (modèle du laboratoire de Mécanique appliquée de l’université de Franche-Comté). Pour la simulation du crayon, l’un ou l’autre modèle est activé selon le domaine de sollicitation considéré. Rappelons qu’en cas de fonctionnement à faible contrainte, les durées d’irradiation à simuler sont longues (quelques dizaines de milliers d’heures), et la contribution au fluage du mécanisme dit "d’irradiation", c’est-à-dire activé exclusivement sous flux, est importante. Dans le cas du fonctionnement à forte contrainte, au contraire, les durées sont courtes (quelques minutes à une douzaine d’heures), et seul le fluage thermique, caractérisé par des essais hors flux, a jusqu’ici été pris en considération. On conçoit donc aisément le bénéfice à tirer d’une modélisation "unifiée" sur tout le domaine de sollicitation, aussi bien en terme de "facilité" de simulation numérique sur un historique de sollicitation complexe, qu’en terme de fiabilité de cette simulation, et cela d’autant que la modélisation doit rendre compte fidèlement des effets d’histoire de sollicitation du matériau.
• Afin de disposer d’un outil de calcul capable de donner une meilleure estimation des états de contrainte des gaines des crayons combustibles en situation d’IPG, et de mieux évaluer le risque de rupture, le développement d’un modèle de comportement élasto-viscoplastique anisotrope du Zircaloy-4 a été confié au laboratoire de Mécanique appliquée de l’université de Franche-Comté dès 1991. Un modèle phénoménologique à variables internes, développé initialement pour simuler le comportement des aciers, a été adapté au Zircaloy-4 ; il permet de prendre en compte l’anisotropie de comportement inhérente aux tubes en Zircaloy. Il a été présenté dans un premier travail de thèse en 1995.
• En 1997, une extension du modèle DR permettant la prise en compte des effets de la température et de l’irradiation hors flux a été proposée : le modèle DRS. Ce modèle a été identifié aux hautes contraintes (100 à 400 MPa) et sur des temps courts (< 500 heures). Son caractère prédictif a été mis en défaut par la confrontation des simulations aux résultats d’essais récents réalisés à plus basses contraintes (80 MPa) et sur des temps plus longs (> 2 000 heures). De plus, dans l’optique d’une implantation du modèle dans le code de calcul des crayons de EDF (CYRANO), et afin d’éviter le couplage entre plusieurs modèles de comportement, il s’avère nécessaire d’étendre le modèle DRS au comportement du matériau sous flux neutronique.
• Les dernières actions de recherche menées au laboratoire dans ce domaine ont été de poursuivre la modélisation et l’identification du comportement mécanique du Zircaloy-4 sous flux neutronique. L’objectif de ce travail, initié en 1999-2000 en partenariat avec EDF dans le cadre d’un post-doctorat, était d’étendre la formulation d’un modèle élasto-viscoplastique endommageable multiaxial à variables internes, valide dans un domaine de contrainte s’étendant de 60 à 500 MPa, une gamme de températures de 320°C à 420°C, pour un flux neutronique donné et constituant une variable du problème. Ce flux neutronique active fortement le fluage dès que l’énergie des particules dépasse 800 KeV.
• Le modèle DRS a été légèrement modifié pour tenir compte de la nouvelle base expérimentale pour les temps longs. Il a été identifié sur une très large gamme de contrainte et pour des températures comprises entre 320 et 400°C. Globalement, l’ensemble de la base expérimentale thermique et post-irradiation est assez bien appréhendée (environ 200 essais). Les effets du flux neutronique sur le fluage d’irradiation ont été modélisés à l’aide de deux approches : couplée et découplée. Ces deux approches conduisent à des résultats quasiment identiques pour les essais monotones de la base expérimentale. En revanche, pour des essais plus complexes, on note des différences sensibles sur les transitoires (normal ou inverse), l’écoulement stationnaire sous flux étant assez peu affecté par l’histoire préalable.
• En ce qui concerne la modélisation du flux neutronique, une troisième approche, certes plus compliquée mais prometteuse, est également possible en introduisant les effets du flux directement dans la variable de dommage d’irradiation. On observerait une sorte de restauration du dommage sous flux.
• Ce travail de recherche ayant donné des résultats très convaincants, il a été décidé, dans le cadre des actions de coopération tripartite CEA-EDF-FRAMATOME, d’utiliser le modèle DRS comme base d’élaboration du modèle unifié. Les matériaux de gainage à considérer sont le Zircaloy-4 détendu bas étain et le nouvel alliage de gaine M5.
Fabrice Richard – Patrick DelobelleLaboratoire de Mécanique appliquéeUniversité de Franche-ComtéTél. 03 81 66 67 10 / 60 13patrick.delobelle@univ-fcomte.frfabrice.richard@univ-fcomte.fr
