2.6.1 Etude de l'in uence de l'endommagement mécanique
Lors de la manutention des aiguilles de combustible ou lors de rampes de puissance en coeur des réacteurs nucléaires, des contraintes mécaniques peuvent engendrer de la ssuration au sein des CMC. L'apparition de ces ssurations peut aecter les propriétés thermiques puisqu'elles agissent comme des barrières au transfert de chaleur. De fait, l'impact de ces ssurations sur les propriétés thermiques du matériau de gainage doit être évalué.
Présentation du banc d'expérience
Le banc de mesure, parfaitement amovible, est adapté à une machine de traction pour permettre la mesure de diusivité thermique sur des échantillons tubulaires sollicités mé- caniquement (cf. références [Roh13] [LSC+12]). Ce nouveau montage reprend les mêmes
caractéristiques que celui présenté à la gure 2.11, à quelques diérences près :
seules deux lampes ash (au lieu de quatre) sont disposées autour de l'échantillon ( gure 2.33) ;
ce montage permet en l'état de réaliser uniquement des mesures de type ash en face avant.
Figure 2.33 Montage ash adapté sur une machine de traction
Cette nouvelle con guration expérimentale permet de mener des essais de traction cyclée sur des échantillons tubulaires jusqu'à rupture et de réaliser des expériences ash simultanément à chaque point singulier de la courbe de comportement [LSC+12]. La
corrélation d'images est utilisée pour suivre les déformations en cours d'essais, selon la procédure décrite par E.Rohmer [Roh13]. Un des intérêts du couplage des expériences ash à un dispositif de traction comme ici est de n'utiliser qu'un seul et même échantillon pour obtenir à la fois son comportement mécanique et ses propriétés thermiques.
Stratégie d'étude
Pour diérentes raisons d'ordre expérimental (espace restreint et caractère très diusif de nos matériaux), plusieurs convenances ont été prises pour réaliser les essais.
Nombre de ashs : L'in uence du nombre de lampes ashs a été véri ée. L'utili- sation de 4 ashs autour du tube permet d'homogénéiser la densité d'énergie sur celui-ci. Il est donc important de véri er que le fait d'enlever 2 ashs ne biaise pas la mesure de la diusivité thermique. Pour cela, une série d'expériences a été eectuée avec 4 ashs répartis uniformément autour de notre tube en SiC monolithique et avec 2 ashs disposés d'un seul côté. L'écart absolu entre la diusivité thermique estimée avec 4 ashs et celle estimée avec 2 ashs avec le modèle quadripolaire cylindrique est de l'ordre de 3%. L'in uence du nombre de ashs est donc bien réelle. Toutefois, l'écart étant cependant relativement modéré, il est décidé pour des raisons d'encombrement de travailler avec seulement deux lampes pour cette première série de mesures ;
Mors de serrage métalliques : le serrage des éprouvettes par les mors s'eectue par l'intermédiaire de talons métalliques pouvant induire un eet "pompe de chaleur" qui in uencerait la mesure. Cet eet est ici écarté par la présence d'une épaisseur de colle isolante (utilisée pour solidariser les talons à l'éprouvette) conséquente. Fréquence d'acquisition et rayon de courbure : L'acquisition des pro ls thermiques par
la caméra à sa fréquence maximale (2500 Hz) est possible lorsque l'on réduit la taille des images ( gure 2.34). La fenêtre réduite en pixels est donc utilisée. Par ailleurs, a n de minimiser l'impact du rayon de courbure sur la mesure, la caméra IR est disposée sur le côté. De ce fait, l'image traitée par la caméra est orientée dans le sens longitudinal et l'in uence de la courbure du tube peut être négligée.
Résultats sur tube composite
A chaque palier de chargement, une expérience ash est réalisée. La diusivité ther- mique est estimée par minimisation du thermogramme face avant avec le modèle axisy- métrique face avant détaillé en section 2.4.3. Les résultats obtenus sont reportés sur la gure 2.35, et corrèlent les mesures de diusivité réalisées avec la courbe de comportement mécanique en traction uniaxiale sur un échantillon tubulaire composite SiCf/SiC tressé
interlock (référence T3D-Tex3-JE3-T1). Les valeurs correspondent à la déformation subie par le composite, le sens des èches indique le déroulement de l'essai
Figure 2.35 Evolution de la diusivité thermique radiale moyenne d'un composite SiCf/SiCtubulaire
au cours d'un essai de traction uniaxiale cyclée
La gure 2.35 montre l'eet de l'endommagement mécanique sur la diusivité ther- mique transverse. Ici, l'éprouvette s'est rompue à un niveau de déformation de l'ordre de 0.7%. La diusivité évolue en fonction de l'endommagement subit. Lors de l'essai de traction cyclée, plusieurs domaines caractéristiques apparaissent :
le domaine dit "élastique" au cours duquel il n'y a pas de ssuration au sein du matériau. Ce domaine est caractérisé par un "plateau", au cours duquel la diusivité thermique reste constante ;
le domaine dit "d'endommagement", au cours duquel les ssures apparaissent et ne se referment plus. Il y a apparition de déformations résiduelles. D'un point de vue thermique, ces ssures opèrent comme des barrières au transfert de chaleur au sein du matériau. Il est ainsi constaté une diminution irréversible des valeurs de diusivité avec l'endommagement du matériau. On note ainsi que la diusivité thermique ne revient pas à sa valeur initiale après chaque cycle d'hystérésis. La diminution atteint jusqu'à 70% de la valeur initiale pour les niveaux de déformation proches de la rupture.
2.6.2 Etude en conditions représentatives des réacteurs à eau (REP)
Une campagne de mesure en conditions de fonctionnement représentatives (hors irra- diation) a été menée pour évaluer l'impact du vieillissement sur les propriétés thermiques d'échantillon composite. Lors d'une étude menée en collaboration avec EDF et AREVA, l'impact de ce vieillissement a pu être évalué jusqu'à une durée de 110 jours à 360C et 200 bars dans une eau de chimie REP. Les résultats de cette étude montrent qu'il n'y a pas d'in uence signi cative de l'exposition en boucle représentative. En eet, aucune perte de propriétés thermiques signi cative n'a été observée sur la structure composite, ce qui laisse donc présager à ce stade que les gaines sandwich SiCf/SiC sont légitimes
d'un point de vue thermique pour être envisagées comme gaine ATF au sein des réacteurs de générations II et III. Cependant, il convient d'étudier l'évolution de leurs propriétés au terme d'une exposition prolongée en fonctionnement nominal hors irradiation (200 bars, 360C, caloporteur eau). Ainsi, les propriétés thermiques d'un tube de tressage 2D sont estimées avant et après exposition. Ce tube est testé sur notre banc de mesures à l'instant initial, après 30,80 puis 110 jours (les mesures étant limitées par la date de n de thèse) (cf. tableau 2.6). La densité de l'échantillon mesurée est de 2823 kg.m−3 avec
une capacité thermique de 680 J.kg−1.K−1.
Table 2.6 Diusivités et conductivités thermiques d'un tube de tressage composite 2D avant et après exposition représentative en boucle REP
Temps d'exposition (jours) 0 30 80 110 Diusivité (mm2.s−1) 15.09 ± 1.03 14.84 ± 0.74 14.92 ± 1.02 14.77 ± 0.26
Conductivité (W.m−1.s−1) 28.97 ± 1.98 28.50 ± 1.42 28.64 ± 2.07 28.35 ± 0.50
Les conductivités thermiques sont reportées graphiquement gure 2.36.
Figure 2.36 Evolution de la conductivité thermique d'un échantillon de composite SiCf/SiC tressé
2D tubulaire avant et après exposition
En 110 jours d'exposition, la conductivité thermique de l'échantillon tubulaire en com- posite tressé 2D ne varie pas. Les conditions représentatives en boucle REP n'ont pas
d'impact sur la propriété thermique à ce terme. Comme il n'y a pas d'eet, et que la thèse est nie, la campagne de mesure est arrêtée à 110 jours d'un point de vue ther- mique. Elle est cependant poursuivie jusqu'à 500 jours pour d'autres validations (suivie massique, comportement à l'érosion, etc).