EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND MECHANICAL MODELLING OF ZIRCALOY-4 STRESS CORROSION CRACKING
ÉTUDE EXPÉRIMENTALE ET MODÉLISATION MÉCANIQUE DE LA CORROSION SOUS CONTRAINTE DES GAINES EN ZIRCALOY-4
Résumé
In Pressurised Water Reactor fuel assemblies, cladding tubes constitute the first safety barriers against the fission product dissemination. It is therefore essential to ensure their integrity under all the reactor operating conditions. During an important loading, resulting from severe reactor power transients, clad failures can be induced by a Stress Corrosion Cracking phenomenon (SCC) due to the combined action of mechanical loading and gaseous fission products generated by the fuel pellets.The aim of our work is to study the role played by different parameters on the SCC phenomenon of Zircaloy-4 claddings. It is made up of three complementary parts:-the modelling of local mechanical fields applied during laboratory tests;-the design of specific SCC experiments to investigate the influence of several mechanical parameters;-the observation of the damage mechanisms occurring during these different experiments.Coupling mechanical modelling and laboratory tests allowed to obtain some local information which cannot be obtained experimentally. A hierarchical approach was then used to develop accurate constitutive laws of the stress-relieved Zircaloy-4 alloy. The constitutive equations derived from this approach were fitted to the mechanical loading applied during the experiments.The specific SCC tests results and SEM observations proved the existence of a time incubation period, which lasts for an important part of the lifetime measured in the SCC pressurisation tests. This incubation period is closely related to the experimental conditions of the laboratory tests. However the incubation period must be distinguished from the actual SCC mechanisms and corresponds to the time required for the metal surface to strip of its oxide layer by mechanical cracking and/or attack of zircon. First results obtained on pre-cracked samples showed that this stage, which introduces an artefact in the experimental test analysis, can be suppressed. Moreover, we have borne out that initiation and propagation of SCC cracks can be very fast when metal is laid bare and when iodine is present.
La gaine des crayons combustibles des réacteurs à eau sous pression constitue la première barrière contre la dissémination des produits de fission. Il est donc primordial de garantir son intégrité au cours de son utilisation en réacteur. Lors de sollicitations importantes suite à un sévère transitoire de puissance du réacteur, la rupture de la gaine peut intervenir par un phénomène de corrosion sous contrainte (CSC), sous l’action conjuguée des sollicitations mécaniques et des produits de fission gazeux engendrés par les pastilles de combustible.Notre travail, dont le but est d’étudier le rôle de différents paramètres sur le processus de fissuration par CSC des gaines en Zircaloy-4, comporte trois volets complémentaires :-la modélisation des champs mécaniques locaux appliqués lors des essais en laboratoire ;-la réalisation d’essais spécifiques de CSC visant à préciser le rôle des différents paramètres mécaniques ;-l’observation des mécanismes d’endommagement associés à ces différentes expériences.Le couplage entre la modélisation mécanique et les expériences permet d’obtenir des informations locales non accessibles expérimentalement et nous a conduit à développer, à l’aide d’une démarche hiérarchique, des lois de comportement précises du Zircaloy-4 détendu et adaptées aux sollicitations rencontrées lors de nos essais.Le programme d’essais de CSC spécifiques et les observations en MEB ont démontré l’existence d’une phase d’incubation précédant la fissuration. Cette dernière, qui représente une part importante de la durée de vie mesurée lors des essais de CSC en pressurisation interne, est une étape propre à ces essais de laboratoire et doit être distinguée des mécanismes de CSC proprement dits. Elle correspond à la durée nécessaire pour mettre à nu le métal par fissuration mécanique et/ou attaque de la couche de zircone. Les premiers résultats sur éprouvettes préfissurées montrent que la suppression de cette phase, qui introduit un biais dans l’analyse des essais de laboratoire, est possible. De plus, nous avons aussi confirmé que l’amorçage et la propagation de fissures de CSC peuvent être très rapides lorsque le métal est mis à nu en présence d’iode.
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