Anisotropic creep behaviour of zirconium cladding tubes. A new device and experimental results

Les tubes gaine et tubes guide réalisés en alliage de zirconium et utilisés dans les réacteurs à eau pressurisée constituent des éléments de structures essentiels de ce type de réacteur. Soumis à de multiples sollicitations (irradiation, corrosion, hydruration…), ils subissent aussi des contraintes mécaniques multiaxées à une température d'environ 320 °C, ce qui induit du fluage thermique. Cette thèse a pour but d'étudier l'influence de trois paramètres sur le comportement en fluage d'alliages de zirconium qui sont fortement anisotropes : le trajet de chargement, l'état métallurgique et la composition chimique. Compte tenu de la géométrie particulière de ces tubes mais surtout de la multiaxialité des chargements en service (pression interne qui augmente, contrainte axiale…), la première partie de la thèse a consisté en la mise au point d'un dispositif de fluage adapté. Celui-ci a été testé et validé en réalisant des essais sur Zircaloy 4 détendu. La suite de l'étude a été menée à une température fixe, 400 °C, en réalisant des essais pour déterminer deux courbes iso-vitesses de fluage (5 10-9 et 3,510-8 s-1) pour chacun des matériaux testés. La comparaison entre les résultats obtenus sur le Zircaloy 4 détendu et recristallisé a permis de déterminer les effets de l'état métallurgique sur le fluage dans cette gamme de vitesses. L'alliage de référence (M5®) nous a permis de montrer, qu'à cette température, pour cette gamme de contraintes, l'ordre des étapes de mise en charge ne semblait pas avoir d'influence sur le comportement en fluage. Les effets de l'oxygène, de l'étain et du fer ont pu être étudiés grâce à 5 autres alliages (M5® haut et bas oxygène, quaternaires Q12, Q32 et Q42). Enfin, à l'aide du logiciel Sidolo, en utilisant d'une part la base expérimentale sur le M5® et d'autre part celle sur le Zircaloy 4 recristallisé, deux modélisations macroscopiques ont été ajustées sur les résultats expérimentaux. La première utilise un critère de Von Mises (isotrope), la seconde un critère de Hill plus adapté pour les matériaux anisotropes. Aucun de ces deux modèles ne parvient à rendre compte de la forte anisotropie du comportement de fluage à 400°C en particulier pour des valeurs de σZZ / σθθ entre 0,5 et 1.Fuel rods and cladding tubes in zirconium are essential structural parts of Pressurized Water Reactors. There are submitted in service to aggressive environment (vapour at ~320°C, 155 bars, and irradiation) and to multiaxial mechanical loadings leading to thermal creep which has to be quantified. The present work aims to determine the effects of 3 parameters on the mechanical behaviour of different zirconium alloys: the loading path, the metallurgical state (stress-relieved, recrystallized) and the chemical composition. The first step to take was to develop a new device adapted to different geometries of tubes, and to validate it by comparing experimental results obtained upon the stress-relieved Zircaloy 4 to bibliographical results. Second, a large database has been constituted on the M5® in order to highlight the effects of an overloading or of cycling on the circumferential stress, and of the loading path (application of the axial then the circumferential stress, or the contrary or proportional loading). Then by comparing the behaviour of the recrystallized and the stress-relieved Zircaloys 4, the effects of the metallurgical state on this hexagonal alloy on the creep behaviour have also been studied. Lastly, the effects of oxygen, stain and iron have been quantified due to 5 other alloys (M5® low and high oxygen, Q12, Q32 and Q42). The last step of this work corresponds to the model of the macroscopic behaviour of 2 alloys (M5® and Zircaloy 4) with isotropic and anisotropic criteria to prove the necessity of developing a new and strong model adapted to highly anisotropic alloys like Zirconium alloy