Comportement macroscopique en fluage sous irradiation

En conditions opérationnelles, une déformation par fluage sous irradiation se produit sous l’effet combiné du flux de neutrons et de la contrainte appliquée aux gaines. Le fluage sous irradiation peut être divisé en deux composantes: le fluage thermique, correspondant à la déformation activée par la température, et le fluage d’irradiation, qui correspond à la réponse du matériau quand il est soumis à une contrainte sous flux. Ces deux composantes du fluage sous irradiation impliquent la coexistence de mécanismes différents mais fortement complémentaires. Les mécanismes du fluage d’irradiation seront décrits à la suite de ce chapitre. Bien que les effets sur le comportement macroscopique du matériau du fluage thermique et du fluage d’irradiation soient difficilement différenciables, il est possible de définir deux domaines dépendants de la contrainte et de la température où l’un deux sera dominant. A haute température et pour des contraintes appliquées importantes, le fluage thermique sera dominant. Au contraire, à plus faible température et pour des niveaux de contraintes moins importants, le fluage d’irradiation sera majoritaire.

IV.2.1.1. Influence des conditions d’irradiation

La déformation par fluage d’irradiation est fortement dépendante de la contrainte et du flux de neutrons. Cette dépendance est traduite par une loi puissance. L’effet de la température étant non négligeable, il peut être décrit par la loi d’Arrhenius. La vitesse de déformation de fluage sous irradiation 𝜀̇ peut s’écrire comme suit :

𝜀̇ = 𝐾. 𝜎𝑛_{. 𝜑}𝑝_{. exp (−}𝑇𝑎𝑐𝑡 𝑇 )

Eq. I-13

avec K un coefficient de proportionnalité, 𝜎 la contrainte effective (MPa), 𝜑 : le flux de neutrons rapide (n.m-2_.s-1_{), 𝑇𝑎𝑐𝑡la température d’activation (K) et 𝑇 la température (K).}

Dans les conditions normales de fonctionnement des réacteurs, l’irradiation aux neutrons a pour effet d’augmenter la vitesse de fluage des alliages de zirconium. D’après plusieurs auteurs, la valeur de la puissance p du flux a été trouvée comme comprise entre 0,25 et 1 [92], [95], [96]. Selon Fidleris [92], l’effet de la fluence sur la vitesse de fluage n’est visible que pour des températures supérieures à 327°C dans le cas des alliages écrouis. Deux effets antagonistes sont de plus observés sous irradiation. En effet, bien que la vitesse de fluage augmente avec le flux, une diminution de la composante liée au fluage thermique est tout de même observée à haute température et pour de faibles flux, en raison du durcissement d’irradiation. Cependant, la vitesse de déformation en fluage reste relativement importante en raison de la composante liée au fluage d’irradiation. De plus, l’effet du durcissement d’irradiation sature pour des fluences d’environ 4.1024 _n.m-2_{. Les effets de flux et de températures sont}

liés. De façon générale, l’exposant au flux p diminue quand la température augmente. Pour des températures supérieures à 800 K, il devient même négligeable ce qui s’explique par un fluage thermique dominant.

L’effet de la température sur la vitesse de déformation de fluage sous irradiation des alliages de zirconium peut être quantifié par la température d’activation du fluage. Pour des températures faibles (< 570 K), l’effet de la température est très faible et la température d’activation varie entre 2000 et 5000 K. Ces valeurs démontrent que le fluage d’irradiation est dominant et que la déformation n’est pas uniquement contrôlée par un mécanisme de diffusion thermique. Pour des températures plus élevées, la dépendance de la vitesse de fluage à la température devient importante, et la température d’activation augmente pour atteindre des valeurs comprises entre 25 000 et 50 000 K. Ces valeurs sont proches de celles obtenues dans le cas du fluage thermique hors irradiation, et permettent de déduire que les mécanismes de la déformation sont presque purement thermiquement activés [92], [97], [98]. La température de transition entre les régimes de faible et de forte température d’activation dépend de l’alliage étudié, de son état métallurgique ainsi que de la contrainte appliquée. Soniak et al. [99] démontrent un effet de la température plus important dans le cas du Zy-4 recristallisé où la température d’activation obtenue est de 7200 K, contre 4200 K pour le Zy-4 détendu, pour des contraintes variant respectivement de 60 à 90 MPa et de 90 à 120 MPa et des températures de 280°C à 380°C.

La vitesse de déformation en fluage d’irradiation augmente également avec la contrainte appliquée. La valeur de l’exposant de contrainte n augmente avec la contrainte et la température [92], [97], [99], [100]. Coleman et al. [101] démontrent de plus que la dépendance de la vitesse de déformation à la contrainte est anisotrope en déterminant la valeur du coefficient n pour des éprouvettes prélevées dans les sens longitudinaux et transversaux de tubes de Zr-Nb 2,5 wt%.

IV.2.1.2. Influence des paramètres matériaux

Les alliages de zirconium présentent un comportement anisotrope en fluage. Cette anisotropie devient plus marquée sous irradiation. De nombreux auteurs démontrent que la vitesse de déformation en fluage sous irradiation est supérieure dans le sens de laminage que dans le sens transverse [92], [97], [101], [102]. Cette anisotropie s’explique notamment par la texture des alliages de zirconium, où les directions faibles du réseau (contenues dans le plan basal) coïncident avec la direction de laminage. Afin de prendre en compte l’anisotropie, la loi de puissance peut être réadaptée avec un facteur d’anisotropie 𝐶𝑑 et A une constante du matériau :

IV. Les mécanismes de la déformation des alliages de zirconium sous irradiation

𝜀̇𝑑= 𝐴𝐶𝑑𝜎𝑛𝜑𝑝𝑒(−

𝑇𝑎𝑐𝑡

𝑇 ) Eq. I-14

Contrairement à la déformation due à la croissance sous irradiation, la taille des grains ne semble pas avoir d’impact notable sur le comportement en fluage sous irradiation des alliages de zirconium [102]. De manière générale, une augmentation du taux d’écrouissage entraîne une augmentation de la vitesse de fluage sous irradiation [102]. L’écrouissage agit donc au détriment de la résistance au fluage avec un effet plus élevé dans le sens longitudinal que dans le sens travers. Coleman et al. [101] observent de plus une saturation de la dépendance à l’écrouissage dans le cas du sens travers. Un effet des éléments d’addition sur le comportement des alliages de zirconium en fluage sous irradiation a également été démontré. Le zirconium pur présente une résistance au fluage assez faible. L’ajout d’éléments d’alliage permet une augmentation significative de la résistance au fluage thermique et dans certains cas au fluage d’irradiation. Cette résistance au fluage augmente en particulier grâce au durcissement du matériau par solution solide, interstitielle ou substitutionnelle (O, Sn, Nb) et grâce à la présence de précipités.