Creep behavior under internal pressure of zirconium alloy cladding oxidized in steam at high temperature
Étude expérimentale et modélisation du comportement en fluage sous pression interne d’une gaine en alliage de zirconium oxydée en atmosphère vapeur
Résumé
During hypothetical Loss-Of-Coolant-Accident (LOCA) scenarii, zirconium alloy fuel cladding tubes creep under internal pressure and are oxidized on their outer surface at high temperature (HT). Claddings become stratified materials: zirconia and oxygen-stabilized alpha phase, called alpha(O), are formed on the outer surface of the cladding whereas the inner part remains in the beta domain. The strengthening effect of oxidation on the cladding creep behavior under internal pressure has been highlighted at HT. In order to model this effect, the creep behavior of each layer had to be determined. This study focused on the characterization of the creep behavior of the alpha(O) phase at HT, through axial creep tests performed under vacuum on model materials, containing from 2 to 7 wt.% of oxygen and representative of the alpha(O) phase. For the first time, two creep flow regimes have been observed in this phase. Underlying physical mechanisms and relevant microstructural parameters have been discussed for each regime. The strengthening effect due to oxygen on the alpha(O) phase creep behavior at HT has been quantified
and creep flow equations have been identified. A ductile to brittle transition criterion has been
also suggested as a function of temperature and oxygen content. Relevance of the creep flow
equations for each layer, identified in this study or from the literature, has been discussed.
Then, a finite element model, describing the oxidized cladding as a stratified material, has
been built. Based on this model, a fraction of the experimental strengthening during creep is
predicted.
Durant un scénario d’Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), les gainages combustible en alliage de zirconium fluent sous pression interne et s’oxydent en présence de vapeur à haute température (HT). La gaine devient un matériau stratifié : des couches de zircone et de phase alpha(O) fortement enrichie en oxygène, dite alpha(O), se forment à la surface externe de la gaine, qui est alors en phase béta. L’effet durcissant de l’oxydation sur le comportement
en fluage des gaines sous pression interne a été mis en évidence dans des essais de laboratoire. Pour modéliser cet effet, le comportement mécanique de chacune des couches doit être déterminé. Cette étude a porté sur la caractérisation expérimentale du comportement en fluage de la phase alpha(O). Via un procédé original, des matériaux « modèles » contenant de 2 à 7% en masse d’oxygène et représentatifs de la phase alpha(O) ont été produits puis testés en
fluage axial sous vide. Pour la première fois, deux régimes de fluage ont été observés, pour lesquels les mécanismes physiques et paramètres microstructuraux influents sont discutés. L’effet durcissant de l’oxygène sur le comportement en fluage de la phase alpha a été quantifié et des lois d’écoulement viscoplastique, intégrant cet effet, ont été identifiées. Une transition ductile/fragile, fonction de la température et de la teneur en oxygène, est proposée. Après avoir discuté
leur pertinence, les lois de fluage pour chacune des couches, identifiées dans cette étude ou tirées de la littérature, ont été implémentées dans un modèle par éléments finis, décrivant la gaine comme un matériau stratifié. Ce modèle permet de reproduire une partie du durcissement observé expérimentalement.