Thermal characterization of SiCf/SiC tubular composite structures for nuclear applications
Caractérisation thermique de structures composites SiCf/SiC tubulaires pour applications nucléaires
Résumé
Researches on the development on SiCf/SiC refractory composites for generation IV nuclear fuel cladding have lead the CEA to focus on the thermal behavior of these materials. In particular, knowledge of thermal properties is one of the key points in the design of their components. In view of the development of the “sandwich” concept, whose complexity and geometry differs from flat tubes conventionally used, usual measurement methods are unsuitable.
This thesis focuses on the characterization and modeling of the thermal behavior of these structures. The first part of the work concerns the identification of global thermal parameters of the different layers of a "sandwich" sheath. For this purpose, a flash method is used and an experimental bench suitable for tubular geometries has been developed. A new estimation method based on the combination of both collected signals in front and rear faces now allows the identification of the thermal diffusivity of tubular composites using infrared thermography. The second part of the thesis focuses on a virtual material approach which has been established to describe the thermal behavior of a "sandwich" cladding, starting from the properties of the elementary constituents (fibers and matrix). These properties, obtained with two different estimation methods to exploit the measurements of two separate experiments based on infrared thermography, are used as data for the modeling of the heat transfer in these ducts. Confrontations between experimental measures and numerical results finally allow to gain insight into the weight of the different influencing factors governing heat transfer.
Les recherches portant sur le développement des composites réfractaires de type SiCf/SiC pour application gainage du combustible des réacteurs de génération IV ont conduit le CEA à s’intéresser au comportement thermique de ces matériaux. En particulier, la connaissance des propriétés thermiques représente un des points clés dans la conception des composants. Au regard du concept « sandwich » dont la complexité de structure et la géométrie cylindrique s’éloigne de celle d’éprouvettes planes classiquement utilisées, les méthodes de mesures usuelles ne conviennent pas.
Ce travail de thèse s’intéresse à la caractérisation et à la modélisation du comportement thermique de ces structures. Une première partie du travail concerne l'identification des paramètres thermiques globaux des différentes couches constitutives d’une gaine « sandwich ». Pour cela, une méthode flash est employée et un banc d’expériences adapté aux géométries tubulaires a pu être développé. L’écriture d’un nouveau modèle d’estimation, fondé sur le couplage des signaux recueillis à la fois en face avant et en face arrière, permet aujourd’hui d’accéder par la mesure à la diffusivité thermique des composites tubulaires via la thermographie infrarouge. Dans une seconde partie de la thèse, une démarche matériau virtuel a été mise en place pour décrire le comportement thermique d’une gaine « sandwich » à partir des propriétés des constituants élémentaires (fibres et matrice). Ces propriétés, obtenues avec deux méthodes d’estimation différentes permettant d’exploiter les mesures de deux expériences distinctes basées sur la thermographie infrarouge, sont utilisées comme données pour la modélisation du transfert thermique au sein de ces gaines. Les confrontations réalisées entre campagnes de mesures et expériences numériques permettent finalement d’appréhender le poids des différents facteurs d’influence qui régissent les transferts thermiques.