Experimental Approach and Micromechanical Modeling of the Behavior of Irradiated Zirconium Alloys
Approche Expérimentale et Modélisation Micromécanique du Comportement des Alliages de Zirconium Irradiés
Résumé
Zirconium alloys cladding tubes containing nuclear fuel of the Pressurized Water Reactors constitute the first safety barrier against the dissemination of radioactive elements. Thus, it is essential to predict the mechanical behavior of the material in-reactor conditions. This study aims, on the one hand, to identify and characterize the mechanisms of the plastic deformation of irradiated zirconium alloys and, on the other hand, to propose a micromechanical modeling based on these mechanisms. The experimental analysis shows that, for the irradiated material, the plastic deformation occurs by dislocation channeling. For transverse tensile test and internal pressure test this channeling occurs in the basal planes. However, for axial tensile test, the study revealed that the plastic deformation also occurs by channeling but in the prismatic and pyramidal planes. In addition, the study of the macroscopic mechanical behavior, compared to the deformation mechanisms observed by TEM, suggested that the internal stress is higher in the case of irradiated material than in the case of non-irradiated material, because of the very heterogeneous character of the plastic deformation. This analysis led to a coherent interpretation of the mechanical behavior of irradiated materials, in terms of deformation mechanisms. The mechanical behavior of irradiated materials was finally modeled by applying homogenization methods for heterogeneous materials. This model is able to reproduce adequately the mechanical behavior of the irradiated material, in agreement with the TEM observations.
Les tubes en alliages de zirconium renfermant le combustible nucléaire des Réacteurs à Eau Pressurisée constituent la première barrière de sécurité vis-à-vis de la dissémination d'éléments radioactifs. Il est donc essentiel de garantir leur tenue mécanique en réacteur. Cette étude a pour objectifs d'une part d'identifier et caractériser les mécanismes de déformation plastique des alliages de zirconium irradiés, d'autre part de modéliser le comportement macroscopique sur la base des mécanismes identifiés. L'analyse expérimentale a mis en évidence que, sur matériau irradié, la déformation plastique se produit par canalisation des dislocations. Cette canalisation a lieu suivant les plans de base, pour des sollicitations de traction sens travers et de pression interne. En revanche, pour la sollicitation de traction axiale, l'étude a révélé que la canalisation se produit dans les plans prismatiques et pyramidaux. L'étude du comportement macroscopique, en lien avec les mécanismes de déformation observés en Microscopie Electronique en Transmission, a suggéré que la contrainte interne est plus élevée dans le cas du matériau irradié que dans le cas du matériau non irradié, du fait du caractère très hétérogène de la déformation. Cette analyse a permis d'interpréter de façon cohérente l'ensemble des caractéristiques du comportement du matériau irradié, en termes de mécanismes de déformation. Le comportement mécanique du matériau irradié a enfin été modélisé en appliquant les méthodes d'homogénéisation des matériaux hétérogènes. Ce modèle permet de reproduire l'ensemble des caractéristiques du comportement mécanique du matériau irradié, en accord avec les observations MET.