Finite element modeling of zirconium-based alloys corrosion

Dans les réacteurs à Eau Pressurisée (REP), les pastilles d’uranium sont isolées de l’eau du circuit primaire par des gaines en alliages de zirconium (Zy-4, M5, ZIRLO). Ces gaines jouent un rôle crucial en termes de sureté car elles sont la première barrière de confinement des produits de fission. En conditions nominales d’utilisation, la corrosion des gaines induite par l’environnement du circuit primaire (320 °C, 155 bars, présence de lithium et de bore) se traduit par l’oxydation du zirconium et la formation de phases fragiles d’hydrures de zirconium sous l’interface oxyde/métal. Ces phénomènes couplés affectent la tenue mécanique de la gaine et, in fine, limitent la durée de vie des assemblages combustibles en réacteur (~ 5 ans). Ce travail vise à mieux comprendre le phénomène de corrosion des alliages de zirconium.Dans un premier temps, une modélisation par éléments finis de la diffusion-corrosion du Zircaloy-4 a été réalisée pour simuler la cinétique d’oxydation observée expérimentalement. Le modèle analytique de Wagner prédit une évolution de l’épaisseur d’oxyde proportionnelle à la racine carrée du temps (régime parabolique). En pratique, la cinétique d’oxydation du Zircaloy-4 en autoclave s’écarte de la loi parabolique et est quasiment cubique. Plusieurs phénomènes sont susceptibles d’expliquer cette différence entre la cinétique expérimentale et le modèle analytique, notamment la présence de fortes contraintes de compression au sein de la couche d’oxyde. La prise en compte dans la modélisation de l’effet des contraintes sur la diffusion de l’oxygène permet de simuler et d’expliquer cet écart à la loi parabolique.Dans un second temps, nous avons simulé par éléments finis la diffusion de l’oxygène à travers une couche polycristalline de zircone. Les grains de zircone sont modélisés par un agrégat de polyèdres de Voronoï. Un espace entre les polyèdres est également maillé pour modéliser les joints de grains. Ces échantillons numériques ont été utilisés pour étudier l’effet de la microstructure et de la microtexture des couches de zircone sur la diffusion de l'oxygène. Les simulations sont nourries par les données expérimentales obtenues sur des lames minces de zircone formées sur Zircaloy-4 et hydrure de zirconium.In Pressurized Water Reactor (PWR), zirconium-based alloy cladding tubes are immersed in high pressure water containing boron (1000 wt. boron) and lithium (2 wt. ppm) at high temperature (320 °C). The corrosion induced by this environment is mainly due to the oxidation of the zirconium which transforms in zirconia. This phenomenon is one of the limiting factors of the in-pile fuel rod lifetime (~ 5 years). Therefore, it is important to predict the corrosion process of zirconium based alloys in PWR conditions. Zirconium-based alloys oxidation is sub-parabolic inlike the Wagner theory which predicts a parabolic kinetics. Two finite element models were developed to simulate this phenomenon : the diffuse interface model and the sharp interface model. Both simulate parabolic oxidation kinetics. The growth stress effects on oxygen diffusion were studied to explain the gap between theory and experience. Taking into account the influence of the hydrostatic stress and its gradient into the oxygen flux expression, sub-parabolic oxidation kinetics were simulated. The sub-parabolic behavior of the oxidation kinetics can be explained by a non-uniform compressive stress level into the oxide layer. Simulations of oxygen diffusion throught polycristalline layer of zirconia were performed. Zirconia grains are modelled by Voronoï tesselation and a space between grains is meshed to model grain boundaries. These numerical samples are used to study the effect of zirconia microstructure and microtexture on oxygen diffusion. Experimental data from thin foils of zirconia formed on Zircaloy-4 and zirconium hydrure are used in the simulations