Étude du comportement à haute température d'une fissuration instable dans l'acier 16MND5 et application au calcul de la rupture d'un fond de cuve en cas d'accident grave.

This work deals with the cracking of a French pressure water reactor bottom head under simulated severe accidental conditions. The influence of Two grades of 16MND5 steels were investigated in order to quantify the influence of ductility dip cracking (induced by a small amount of Aluminum and Sulfure, varying between grades) on the crack propagation.An experimental setup was designed to simulate the thermal mechanical conditions of a severe accident on a tubular specimen. The biaxial stress state of a vessel bottom head was reproduced by applying a tension and an internal pressure to the sample. Isothermal creep tests were performed at 900-1000°C. In addition to the usual measurements (ie. Type K thermocouples, Force, Displacement and pressure), the thermal field was measured bu an infrared Camera and the crack propagation was measured by High Speed Cameras. The post-processsing of the tests gives the conditions of crack initiation, crack propagation speed, and the depressurization law. Under theses severe conditions, the crack initiation appears after large creep deformations and the crack speed was evaluated at several meter per second depending primarily on the thermal heterogeneity (hot spot) responsible of the strain localization. The grade ductility was of secondary influence in this structural tests.Finite Element Modeling was also performed to investigate the cracking. A Large displacement Cohesive zone element was formulated with a tension-separation cohesive law with hardening. The model was identified on CT specimen tests performed by the CEA.Finally, the tension 16MND5 database was enriched for thermal loadings in the range of 900°C-1000°C and true strain rates upper than 0.1 per second.L’objet de la thèse porte sur la prévision de la ruine (déchirement) d’un réacteur à eau pressurisée sous chargement accidentel thermomécanique. Des essais réels étant inenvisageables, la méthode utilisée consiste à reproduire ce type de chargement sur maquette instrumentée et de comparer les résultats obtenus sur deux grades d’acier de cuve (16MND5) à des simulations numériques. Une part très importante de ce travail a été la conception et la mise au point de ce dispositif expérimental.La maquette est un tube en traction et pression interne dont l’état de contrainte et le volume de gaz disponible sont comparables au cas réel. Le tube est de plus chauffé à 900 ou 1000°C ce qui correspond au cas accidentel. Aux habituelles mesures de température, effort, déplacement et pression, on filme également le tube par deux caméras numériques rapides et une infrarouge. On extrait de ces essais les conditions d’initiation et de propagation de fissure ainsi que la loi de dépressurisation. A ces températures, le fluage induit de très grandes déformations avant l’apparition des fissures qui peuvent dans le pire des cas se propager à des vitesses de plusieurs mètres par seconde.Les simulations numériques sont conduites en utilisant les éléments finis, l’initiation et la propagation de la fissure est modélisée par une zone cohésive dont le trajet est connu à l’avance. Une formulation 3D d’élément cohésif a été développée et implémentée dans le code de calcul ABAQUS6.6-1. Ces éléments cohésifs supportent les très grands déplacements et supposent une loi de traction/séparation durcissante, seule capable de reproduire les essais réels. L’identification a été faite sur des essais sur éprouvette CT réalisés au CEA.Enfin, la base de données de caractérisation en traction de l’acier 16MND5 a été complétée pour des températures voisines de 900-1000°C et des vitesses de déformation vraie supérieures à 0.1s−1. Ces vitesses de déformation sont représentatives des vitesses de déformations locales lors du fluage tertiaire de la cuve