Evolution des contraintes internes generees au sein d'un alliage de Zr oxyde a haute temperature puis refroidi

R. Guillou (1) , Matthieu Le Saux (1) , Jc. Brachet (1) , E. Rouesne (1) , D. Hamon (1) , C. Toffolon-Masclet (1) , Jl. Bechade (1) , D. Menut (2) , D. Thiaudière (3)

1 CEA-DES (ex-DEN) - CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire)
2 ESRF - European Synchrotron Radiation Facility
3 SSOLEIL - Synchrotron SOLEIL

Lors de situations accidentelles hypothetiques dans les reacteurs nucleaires a eau pressurisee, comme par exemple lors d'un Accident de Perte de Refrigerant Primaire (APRP), la gaine en alliage de zirconium des crayons combustibles peut etre exposee durant quelques minutes a de la vapeur d'eau a haute temperature (jusqu'a 1200DC) avant d'etre refroidie puis trempee a l'eau. Lors d'un transitoire de type APRP, cette gaine subit de nombreuses evolutions metallurgiques (formation d'une couche d'oxyde, diffusion d'oxygene dans le metal sous-jacent, changements de phases, ) et est soumise a des contraintes internes dont l'etat evolue au cours de l'oxydation a Haute Temperature (HT) mais aussi lors du refroidissement et de la trempe. Ces contraintes internes sont non seulement susceptibles d'avoir un effet sur la structure de l'oxyde et sur la cinetique d'oxydation du materiau, mais elles peuvent aussi nuire a la tenue mecanique de la gaine, fragilisee par son oxydation, lors du refroidissement et de la trempe apres l'oxydation a HT, ou encore avoir des consequences sur l'integrite du materiau a plus long terme. Or ces gaines constituent la premiere barriere de confinement des produits radioactifs.Des lors, il est necessaire de pouvoir estimer les contraintes internes generees au cours de l'oxydation a HT et du refroidissement au sein de ces alliages a base de zirconium (1). Ces contraintes, tres difficiles a evaluer experimentalement du fait des conditions extremes (haute temperature, atmosphere oxydante, trempe), sont a ce jour inconnues. Dans le but de progresser sur la connaissance de ces contraintes internes, des experiences in-situ de diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron ont ete realisees a SOLEIL, pendant l'oxydation a HT (a 700, 800 et 900DC) sous O2-He (en substitution a la vapeur d'eau) et le refroidissement ulterieur, sur des plaquettes en Zircaloy-4 (2-3). Grace au detecteur bidimensionnel XPAD S140, il a ete possible de faire des acquisitions lors du palier d'oxydation puis au cours du refroidissement, simultanement pour les phases monoclinique et quadratique de la zircone. Apres traitement des donnees 2D acquises, l'evolution des contraintes internes moyennes a alors pu etre suivie en fonction du temps pour les differentes conditions investiguees, pour les phases monoclinique et quadratique de la zircone, dont les proportions evoluent au cours du cycle thermique, pendant le palier d'oxydation a 700, 800 et 900DC et le refroidissement ulterieur (Figure 1). On observe une diminution des contraintes moyennes de compression au cours de l'oxydation et du refroidissement pour les deux phases de zircone. Les resultats mettent egalement en lumiere le fait que l'oxyde forme de structure quadratique est en moyenne toujours moins contraint que celui de structure monoclinique, et que l'oxyde (quadratique ou monoclinique) forme a 700DC reste toujours plus contraint a la fin du cycle thermique que celui formes a 800 et 900DC.

Mots clés: ZY-4; oxydation in-situ; contraintes; rayonnement synchrotron; DRX

Domaines: Physique Nucléaire Expérimentale [nucl-ex]; Physique Nucléaire Théorique [nucl-th]

R. Guillou, Matthieu Le Saux, Jc. Brachet, E. Rouesne, D. Hamon, et al.. Evolution des contraintes internes generees au sein d'un alliage de Zr oxyde a haute temperature puis refroidi. 12eme Colloque Rayons X et Matiere (RX - 2017), Nov 2017, Lille, France. ⟨hal-02417370⟩