Aktis n°26 jun/jui/aoû 2017
Aktis n°26 jun/jui/aoû 2017
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°26 de jun/jui/aoû 2017

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire

  • Format : (150 x 210) mm

  • Nombre de pages : 12

  • Taille du fichier PDF : 6,7 Mo

  • Dans ce numéro : mieux connaître l'hydruration des gaines pour prévoir leur rupture.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

Dans ce numéro...
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6 Vue au microscope optique d’une gaine montrant des hydrures. IRSN/Stéphane Charbaut Aktis n°26 – Eté 2017 qui favorisent la formation de fissures traversant radialement l’épaisseur de la gaine ; et la mobilité de l’hydrogène à travers la gaine. L’un des paramètres importants est l’orientation des hydrures précipités  : les hydrures de zirconium radiaux, c’est-à-dire perpendiculaires à la paroi de la gaine, favorisent en effet la formation de fissures radiales dans la gaine notamment lors des manutentions (transports ou entreposage). Des essais ont été réalisés à l’IRSN pour identifier les conditions d’apparition de ces hydrures radiaux. Des gaines incluant de l’hydrogène à différentes concentrations ont été portées à deux températures, 350 °C et 450 °C, en les soumettant à des contraintes mécaniques représentant la pression des gaz présents dans la gaine, pression qui augmente avec la température. Ces tests ont permis d’identifier et de décrire la précipitation des hydrures (dans la direction radiale ou axiale) en fonction des contraintes, de la température et de la teneur en hydrogène. Ces tests ont aussi caractérisé la fragilisation induite par les hydrures radiaux. En s’appuyant sur ces résultats et sur des simulations par des logiciels de calculs mécaniques, les chercheurs de l’IRSN ont développé des modèles pour prédire la quantité d’hydrures radiaux dans une gaine après un transport ou à l’issue d’un entreposage. Ces nouveaux modèles doivent à présent être intégrés dans les outils de simulation de comportement du combustible en irradiation (logiciel FRAPCON) afin d’alimenter les logiciels de simulation du combustible en situation accidentelle, SCANAIR et DRACCAR de l’IRSN. Ils devront également être validés au moyen d’échantillons plus représentatifs du matériau irradié. En parallèle de ces travaux d’analyse structurelle sur la formation des hydrures, les chercheurs étudient les gaines hydrurées dans des conditions similaires à celles d’accidents pour vérifier qu’elles conserveraient une structure permettant au cœur d’être refroidi. Par exemple, dans le cas d’un accident de perte de réfrigérant primaire ou APRP (3), une partie du cœur peut se trouver momentanément hors de l’eau, entraînant une augmentation progressive de la température et de la pression dans les crayons de combustible. Les systèmes d’injection de sécurité du réacteur enverraient alors de l’eau pour refroidir le combustible. Or, la trempe de gaines fragilisées par des hydrures de zirconium pourrait conduire à une rupture franche, entraînant
une modification importante de la géométrie du cœur qui empêche de le refroidir. Pour compléter d’autres travaux réalisés dans le monde à ce sujet, les recherches de l’IRSN se sont concentrées sur les conditions d’une rupture de la gaine à température ambiante après le refroidissement. Des gaines de combustible chargées au préalable à différentes concentrations d’hydrures de zirconium, ont été oxydées sous vapeur à 1 200 °C afin de simuler les conditions d’un APRP, puis trempées dans l’eau jusqu’à température ambiante. Les tests mécaniques réalisés ensuite montrent que le matériau est fragilisé par l’accumulation d’oxygène et par la présence d’hydrogène dans la couche métallique de la gaine. L’analyse détaillée des modifications chimiques subies par la gaine est réalisée dans le cadre d’une thèse par Élodie Torres, qui développe un modèle permettant de simuler la mobilité de l’hydrogène dans la gaine en cas d’APRP. Une fois intégré dans les logiciels de comportement du combustible de l’IRSN, ce modèle permettra de mieux prédire la résistance mécanique de gaines hydrurées à la trempe. Interaction de l’hydrogène avec les défauts Un autre type d’accident qui pourrait se produire dans un réacteur est l’accident d’éjection de grappe (4), ou RIA (Reactivity Initiated Accident), dont l’étude demande de connaître précisément l’état de la gaine avant l’accident et donc de comprendre la formation des hydrures. Ceci nécessite d’utiliser des moyens expérimentaux spécifiques afin de suivre des phénomènes rapides. Depuis plusieurs années, l’IRSN et ses partenaires réalisent des expériences sur l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) à Grenoble qui permet d’observer la nature cristallographique et la cinétique de formation des hydrures. La compréhension de ces mécanismes reste en effet encore controversée bien qu’ils aient été largement étudiés. Les expériences ont mis en évidence que la présence d’hydrogène dans le Zircaloy induit des contraintes additionnelles importantes dans la matrice métallique, confirmant ainsi les observations d’autres auteurs pour qui l’hydrogène interstitiel provoque une dilatation significative du réseau cristallin. Ces travaux se poursuivent actuellement à l’IRSN dans le cadre du projet ANR SIZHYP (2013- 2018), dont une partie a été réalisée durant le post-doctorat de Cédric Leclère. L’interprétation des campagnes d’études réalisées permettra de mieux comprendre la précipitation des hydrures. Ces précédents travaux caractérisent les effets mécaniques de l’hydruration des gaines de combustible sur les paramètres cristallographiques des matériaux (structure, distances entre les plans d’atomes). Mais pour une compréhension fine des phénomènes induits par la présence d’hydrogène et mis en évidence expérimentalement, les chercheurs de l’IRSN ont par ailleurs entrepris de modéliser à l’échelle atomique ces mécanismes (3) L’accident de perte de réfrigérant primaire, ou APRP, pourrait se produire en cas de brèche dans le circuit d’eau dit « primaire » qui refroidit directement le cœur du réacteur. L’eau s’écoule hors de la cuve, dont le cœur n’est donc plus refroidi. Des systèmes de sauvegarde sont prévus pour injecter de l’eau dans la cuve pour refroidir le cœur. (4) Le RIA, ou accident d’éjection de crayons modérateurs de la réaction, résulterait de la rupture du carter d’un mécanisme de commande de grappe. La température dans le combustible atteint alors très brutalement une valeur élevée. Cette excursion de puissance est contrebalancée par « l’effet doppler ». Pixium detector 1 Dispositif expérimental sur la ligne de lumière Id15 à l’ESRF. Le faisceau de rayon X incident vient traverser l’échantillon avant de frapper le détecteur. Les anneaux de diffractions obtenus permettent d’identifier les caractéristiques cristallographiques de l’échantillon. IRSN Aktis n°26 – Eté 2017 7



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