1.0 Contexte
Dans un réacteur CANDU, les tubes de force contiennent le combustible nucléaire et font partie du circuit caloporteur primaire. Ils sont fabriqués d’un alliage de Zr-2,5 % Nb écroui sujet à la pénétration d’hydrogène dans des conditions normales de fonctionnement. L’augmentation de la concentration d’hydrogène et les transitoires thermiques pendant le fonctionnement du réacteur donnent lieu à une phase fragile, un hydrure, ce qui modifie le comportement du matériau. L’hydrure dégrade les propriétés de ténacité et induit une fragilité et une réponse incontrôlée à méso-échelle, et réduit la ductilité du matériau.
La CCSN cherche à étudier les paramètres qui régissent la ténacité des matériaux et la capacité de charge des tubes de force en Zr-2,5 % Nb soumis à des concentrations d’hydrogène élevées dans les régions de transition de la phase fragile et de la phase ductile-fragile. Ces propriétés sont utilisées pour démontrer la fuite avant rupture et la défense en profondeur si la fissuration s’amorce dans le cœur d’un réacteur CANDU. Avec le temps, l’augmentation de la concentration d’hydrogène dans les tubes de force réduit les propriétés de rupture et augmente la température de transition pour le comportement ductile conduisant à leur fin de vie. En termes pratiques, le fonctionnement normal d’un réacteur nucléaire dans la région de transition fragile ou fragile à ductile n’est pas souhaitable. Le fonctionnement dans cette zone de transition est jugé indésirable, car l’amorce des fissures dans les tubes de force peut conduire à une rupture incontrôlée.
Les propriétés de ténacité des matériaux affectent les procédures d’exploitation des réacteurs CANDU en imposant des exigences sur l’enveloppe opérationnelle pression-température. Pour résister à une fissure de paroi postulée ou induite en service et pour démontrer la fuite avant rupture, la pression de l’eau pendant le refroidissement du réacteur doit être diminuée afin de réduire la force pouvant causer des fissures. Si cette force est supérieure à la ténacité du matériau, il peut s’ensuivre la rupture incontrôlée d’un tube de force.
Il est donc nécessaire d’étudier le comportement à la rupture du matériau en Zr-2,5 Nb du tube de force dans des concentrations d’hydrogène élevées afin d’évaluer la durée de vie des tubes de force.
2.0 Objectifs
L’objectif de ce projet est de modéliser, par analyse ou modélisation numérique, le comportement à la rupture du matériau en Zr-2,5 % Nb du tube de force dans de fortes concentrations d’hydrogène (50 à 120 ppm [H]eq) aux températures de fonctionnement du réacteur CANDU.
Cette étude indépendante aidera la CCSN à mettre en œuvre et à améliorer de nouvelles courbes de ténacité pour les matériaux des tubes de force dans de fortes concentrations d’hydrogène.
3.0 Portée des travaux
La portée des travaux comprend ce qui suit :
- Modéliser le processus de fracture du matériau en Zr-2,5 % Nb du tube de force dans des concentrations d’hydrogène élevées (50 à 120 ppm [H]éq) et déterminer les principaux paramètres.
- Élaborer un modèle qui prédit la ténacité dans divers scénarios de concentrations d’hydrogène dissous, de microstructures du matériau et d’histoires thermiques.
- Interagir avec les chercheurs qui travaillent sur un programme expérimental parallèle afin de simuler les configurations expérimentales.
- Valider les modèles ci-dessus par des résultats expérimentaux.
4.0 Tâches à réaliser
1. Élaborer un plan de travail détaillé qui sera soumis à l’examen et à l’acceptation de la CCSN.
2. Réaliser des études paramétriques sur le comportement à la rupture d’une éprouvette compacte de traction courbe (ECTC) [1] et d’un échantillon représentatif utilisé dans les essais d’éclatement de tubes de force. Ces études consistent à comparer les états de déformation et de contrainte, et les paramètres de ténacité, notamment :
l’intégrale J, le déplacement de l’ouverture de l’extrémité de la fissure, le déplacement de l’ouverture de la bouche de la fissure et d’autres paramètres pertinents. Les propriétés des matériaux employées sont celles des matériaux homogènes isotropes et anisotropes.
3. Déterminer les différences, le cas échéant, entre une ECTC et une section de tube de force utilisée dans des essais d’éclatement qui influent sur la ténacité mesurée à la charge maximale. Proposer une méthode pour ajuster la ténacité mesurée à l’aide d’une ECTC par rapport à un échantillon soumis à un essai d’éclatement.
4. Modéliser le comportement mécanique des matériaux des tubes de force avec des hydrures (matériaux hétérogènes) dans un processus de propagation de la fissure jusqu’à la rupture incontrôlée. Cela peut nécessiter l’élaboration d’un nouveau modèle de matériau pour les simulations numériques. Les modèles doivent pouvoir prévoir la ténacité d’une section de tube de force avec une fissure axiale traversant la paroi dans un essai d’éclatement. On devra tenir compte de différentes concentrations d’hydrogène et de la microstructure des matériaux.
5. Déterminer les paramètres décrivant la ténacité des matériaux des tubes de force dans des concentrations d’hydrogène élevées. Développer une méthodologie ou un modèle pour prévoir la ténacité d’un matériau de tube de force dans des concentrations d’hydrogène élevées (entre 50 et 120 ppm [H]eq). Valider les prévisions par rapport aux résultats expérimentaux obtenus par une équipe travaillant sur un programme expérimental parallèle commandé par la CCSN.
6. Préparer et présenter un exposé résumant les résultats, les conclusions et les recommandations.
