Conclusions

II.6. Conclusions

Dans les conditions APRP, la gaine de combustible en alliages de zirconium subit de nombreuses évolutions métallurgiques telles que des transformations de phases, une oxydation accélérée sous vapeur d’eau à HT, une prise potentielle d’hydrogène (jusqu’à plusieurs milliers de ppm-mass.), une ségrégation des éléments chimiques. Ces évolutions influencent fortement le comportement mécanique résiduel de la gaine à la fin et à l’issue du transitoire APRP. La tenue mécanique de la gaine pendant et après le refroidissement en fin d’APRP résulte essentiellement du comportement de la couche résiduelle de phase (ex-)βZr, qui dépend de sa teneur en oxygène, de sa teneur en hydrogène, du scénario de

refroidissement et de la température de sollicitation :

− L’oxygène additionnel dans la couche (ex-)βZr résulte de l’oxydation sous vapeur d’eau à HT.

En conditions d’APRP, la teneur en oxygène de la couche βZr peut atteindre 0,9 %-mass. voire

plus localement. Du fait de son caractère α-gène, l’oxygène conduit à augmenter les températures de transition βZr /αZr+βZr /αZr, en particulier le transus βZr /αZr+βZr. D’un point de

vue mécanique, l’oxygène induit une fragilisation du matériau, au moins à basse température. Cela se traduit par l’apparition d’une transition ductile-fragile macroscopique dépendant de la teneur en oxygène et de la température. Au cours de la transformation de phases lors du refroidissement depuis le domaine βZr, l’oxygène dans la couche (ex-)βZr a tendance à ségréger

dans les premières zones à se transformer (sous la forme de lamelles) en phase αZr.

− La prise d’hydrogène résulte de l’oxydation du métal, soit en conditions de fonctionnement nominales avec des teneurs limitées, d’environ 600 ppm-mass. au maximum pour le Zy4 par exemple, soit lors de l’APRP après éclatement de la gaine (phénomène d’hydruration secondaire). Dans ce dernier cas, la quantité d’hydrogène absorbée peut atteindre 3000 – 4000 ppm-mass. localement. Reconnu pour son caractère β-gène, l’hydrogène a tendance à conduire à un abaissement des températures de transition βZr /αZr+βZr /αZr et à un élargissement

du domaine d’existence de la phase βZr. Quant au comportement mécanique, l’hydrogène a un

effet fragilisant sur la structure ex-βZr. Cet effet dépend de la température de sollicitation.

− L’hydrogène augmente la limite de solubilité de l’oxygène dans la phase βZr, ce qui provoque

une fragilisation supplémentaire du matériau.

Les évolutions métallurgiques s’opérant lors du refroidissement depuis le domaine βZr ne sont pas encore

complètement caractérisées ou interprétées pour le Zy4 et le M5Framatome contenant des teneurs élevées

en oxygène et/ou en hydrogène, jusqu’à 0,9 %-mass. et 3000 ppm-mass. respectivement, telles que celles attendues lors d’un APRP en cas d’éclatement de la gaine et d’oxydation interne de celle-ci subséquente (phénomène d’hydruration secondaire). Nous listons ci-dessous des exemples de questions d’ordre métallurgique en suspens, auxquelles cette thèse essaiera de répondre :

− Les évolutions métallurgiques s’opérant au refroidissement depuis le domaine βZr sont-elles

différentes pour le Zy4 et le M5Framatome ?

− Reste-t-il de l'hydrogène en solution solide à l'issue du refroidissement depuis le domaine βZr ?

− Y a-t-il également précipitation des hydrures γZrH à la fin du refroidissement depuis le domaine

βZr lorsque le matériau contient « juste » quelques centaines de ppm-mass. d’hydrogène et qu’il

n’y a donc pas de transformation eutectoïde ? La précipitation des hydrures γZrH dépend-elle de

la vitesse de refroidissement ?

− Pourquoi les paramètres de maille de la phase αZr (ex-βZr) à température ambiante augmentent-

ils avec la teneur moyenne en hydrogène ? Comment évoluent les paramètres de maille des phases αZr et βZr en fonction de la température au refroidissement depuis le domaine βZr ?

Par ailleurs, il manque des données sur le comportement mécanique de la structure (ex-)βZr en fonction

de la teneur en oxygène et de la teneur en hydrogène en fonction de la température de sollicitation (au refroidissement), dans les gammes d’intérêt ici. Il est notamment important de disposer de données en fonction de la température, entre 700 et 30°C typiquement, car elle est susceptible d’avoir des effets significatifs sur le comportement du matériau et les effets de l’oxygène et de l’hydrogène. Dans la littérature, il n’existe quasiment pas de données sur les propriétés mécaniques et métallurgiques de la phase (ex-)βZr contenant à la fois de l’oxygène et l’hydrogène pour des fortes teneurs. Les rares données

disponibles suggèrent que ces deux éléments peuvent avoir des effets couplés. En outre, les modes de déformation et de rupture à l’échelle de la microstructure de la phase (ex-)βZr chargée en hydrogène

et/ou en oxygène mériteraient d’être déterminés de manière plus précise. Par exemple, dans les cas où des faciès de rupture mixte ductile/fragile sont observés, les zones de rupture fragile correspondent-elles aux zones les plus riches en oxygène et les plus pauvres en hydrogène (i.e. les zones s’étant transformées en phase αZr au début du refroidissement), ou l’inverse ?

De tels éléments de compréhension et de telles données sont utiles pour correctement appréhender le comportement de la gaine, oxydée et ayant subi une hydruration secondaire suite à son éclatement par exemple, pendant et après le refroidissement à la fin d’un APRP. Ces éléments peuvent notamment servir à interpréter les résultats des essais APRP semi-intégraux, tels que ceux réalisés à EDF R&D (Thieurmel, 2018) par exemple, voire à aider à la définition de conditions d’essais pertinentes.

Cette étude a pour but d’étudier les caractéristiques métallurgiques et le comportement mécanique de la phase (ex-)βZr chargée en oxygène et/ou en hydrogène à différentes teneurs, de 1000 à 3000 ppm-mass.

pour l’hydrogène et de 0,14 à 0,9 ppm-mass. pour l’oxygène typiquement, telles que celles susceptibles d’être rencontrées au sein de la gaine oxydée à HT ayant subi une hydruration secondaire lors d’un APRP.

Pour ce faire, nous avons mis au point un protocole qui permet d’obtenir des matériaux « modèles » chargés de manière homogène (à l’échelle macroscopique) en oxygène, jusqu’à 0,9 %-mass., et en hydrogène, de 1000 à 3000 ppm-mass., traités dans le domaine βZr. Des caractérisations métallurgiques

et mécaniques ont alors été réalisées sur ces matériaux « modèles », à différentes échelles et finalement mises en relation.

III. Obtention et caractérisations préliminaires des matériaux « modèles » contenant différentes