Ténacité des gaines combustibles en Zircaloy-4 en cas de fissuration différée par hydruration (DHC)

Pierrick Francois^1,3, Tom Petit¹, Quentin Auzoux², David Le Boulch¹, Kais Ammar³, Jacques Besson³

¹Université Paris-Saclay, CEA, Service d’Etude des Matériaux Irradiés, 91191 Gif-sur-Yvette, France

²Université Paris-Saclay, CEA, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux ,91191 Gif-sur-Yvette, France

³MINES Paris, PSL Research University, Centre des matériaux, CNRS UMR 7633

Après leur utilisation dans les réacteurs nucléaires, les crayons combustibles doivent être entreposés. Les conditions d’entreposage à sec pourraient favoriser l’apparition dans les gaines en alliage de zirconium d’un phénomène mécano-chimique appelé fissuration différée par hydruration (DHC pour Delayed Hydride Cracking en anglais). Ce phénomène se déroule en trois étapes itératives : (i) la diffusion de l’hydrogène en solution solide vers une fissure préexistante sous l’effet du gradient de contrainte ; (ii) l’augmentation de la concentration d’hydrogène en pointe de fissure jusqu’à la limite de solubilité, provoquant la précipitation de cet hydrogène sous la forme d’hydrures et la croissance de ceux-ci ; (iii) la rupture de la zone fragilisée par les hydrures dans le cas où le facteur d’intensité des contraintes atteint une valeur critique (appelée facteur d’intensité des contraintes seuil et notée KIDHC). La répétition de ces trois étapes mène à la propagation fragile progressive de la fissure. L’objectif de cette étude est de développer une approche couplée expérimentale-numérique permettant de quantifier la ténacité des gaines combustibles en Zircaloy-4 en cas de DHC, et de fournir un modèle prédictif de propagation de fissure.

La procédure expérimentale permet de propager en température une fissure en DHC dans l’épaisseur d’une gaine combustible (Figure 1b), à partir d’éprouvettes « C-ring entaillées » (préalablement préfissurées par rupture fragile d’une zone hydrurée en pointe d’une entaille usinée - Figure 1a). Un modèle numérique multi-physique est construit à partir de ces expériences et des données bibliographiques, en développant des lois de comportement mécaniques (élasto-visco-plastiques) et chimiques (diffusion de l’hydrogène, précipitation des hydrures), qui interagissent (dilatation induite par l’hydrogène et les hydrures et diffusion induite par le gradient de contrainte). L’amorçage et la propagation de fissure sont estimés à l’aide d’un modèle de zones cohésives (Figure 1c) sur Cast3M. Ces travaux permettent notamment de fournir des valeurs de ténacité K I DHC  complémentaires de celles de la littérature.