Effets des transformations de phases sur le comportement mécanique d’alliages base zirconium, pendant et après incursion à haute température en ambiance oxydante (vapeur)

Influence of the allotropic alpha/beta phase transformations on the mechanical behaviour of Zirconium base alloys during and after high temperature transients in an oxidizing environment (“LOCA”conditions)

¹ DEN, Service de Recherches Métallurgiques Appliquées, CEA-Saclay, 91191 Gif-Sur-Yvette, France
e-mail : jean-christophe.brachet@cea.fr ; valerie.vandenberghe@cea.fr ; laurence.portier@cea.fr ; anthony.stern@cea.fr ; didier.gilbon@cea.fr
² AREVA, AREVA NP, 10 rue Juliette Récamier, 69456 Lyon Cedex 06, France
e-mail : jeanpaul.mardon@areva.com
³ EDF-SEPTEN, 69628 Villeurbanne Cedex, France
e-mail : biya.hafidi@edf.fr
⁴ Centre des Matériaux, École des Mines de Paris, 91003 Evry, France
e-mail : andre.pineau@ensmp.fr

Reçu : 8 Décembre 2009
Accepté : 19 Février 2010

Résumé

Dans le cœur des réacteurs nucléaires à eau légère, les tubes de gainage en alliage base zirconium constituent la première barrière de confinement du combustible, et leur intégrité ainsi que leur stabilité dimensionnelle sont des paramètres clés aussi bien en conditions nominales de fonctionnement que lors de scénarios hypothétiques accidentels. Dans certains types de transitoires, on suppose que le tube de gainage se trouve soumis à une brusque élévation de température et de pression interne, du fait de la dépressurisation du milieu primaire, de la puissance résiduelle du combustible et de la pression interne due au gaz initial (+ gaz de fission). Le ballonnement du tube qui s’ensuit et son éventuelle rupture doivent être correctement appréhendés afin de vérifier le respect des critères de sûreté pour pouvoir, lors de la phase finale d’un tel transitoire, assurer le refroidissement efficace du cœur (notamment éviter un ballonnement excessif qui conduirait à boucher les canaux entre crayons) et limiter une dispersion des produits et des gaz radioactifs (du fait d’une éventuelle multi-fragmentation des crayons combustible). L’article se propose ainsi de décrire les transformations métallurgiques successives qui se produisent au sein du tube de gaine lorsque celui-ci subit une incursion à haute température (i.e. >800 °C) en ambiance oxydante (vapeur d’eau) jusqu’au retour à basse température, ainsi que leurs conséquences sur le comportement mécanique du matériau.

Abstract

This paper deals with zirconium base nuclear fuel cladding tube behaviour upon high temperature “Loss Of Coolant Accidental” (LOCA) transients. Upon such hypothetical scenarii, the cladding materials experience strong metallurgical evolutions (i.e., heating/cooling alpha/beta allotropic phase transformations, oxygen (and hydrogen) ingress/diffusion due to the high temperature oxidation, etc.). The present paper gives an overview of the consequences of such deep metallurgical evolutions on the mechanical properties during and after typical high temperature LOCA transients.