Etude expérimentale et simulation des phénomènes d’usure sous sollicitations de Impact-Fretting-Wear en milieu eau pressurisée: Optimisation du Design des futurs réacteurs nucléaires – Fretting Wear Design

Le projet de chaire industrielle « Fretting Wear Design », développé en partenariat entre le laboratoire CMAT (UMR 7633), MINES Paris - Université PSL (École des Mines de Paris) et la société Framatome, a pour objectif de développer un pôle d’excellence en recherche au CMAT sur les problématiques de l’usure induites par des sollicitations d’Impact-Fretting (glissements alternés de faibles amplitudes) en eau pressurisée (155 bar et 315 °C). Cette recherche s’intègre dans le programme de recherche R&D « Challenge Usure » mis en place par Framatome, qui vise à développer des futurs réacteurs nucléaires plus fiables et moins coûteux en maintenance.

En effet, sous l’action du fluide caloporteur (eau pure à 315 °C, 155 bar), les gaines de combustible, mais aussi les tubes des guides de grappe de commande du milieu primaire, subissent des usures significatives par impact-fretting. Le percement de ces faisceaux de tubes peut être critique pour le fonctionnement des centrales nucléaires. Il est donc essentiel de pouvoir modéliser ces phénomènes et d’optimiser les palliatifs (traitements de surface).

L’objectif de la chaire industrielle « Fretting Wear Design » est de répondre à ces enjeux scientifiques et industriels :

S’inspirant d’un banc d’essai impact-fretting « atmosphérique » (IF1) existant au CMAT, un nouvel essai expérimental d'impact-fretting en eau pressurisée (eau pure à 315 °C, 155 bar) va être développé et mis en place au CMAT (IF2) afin de mieux représenter les conditions réelles d’un milieu REP. Grâce à cet équipement expérimental unique au monde par ses capacités, le CMAT va mener une recherche expérimentale visant à mieux comprendre ces phénomènes d’usure, établir des scénarios d’endommagement, mais aussi compiler des données expérimentales pour mettre en place des modèles d’usure combinant sollicitations mécaniques et tribo-corrosion. Cette recherche va se focaliser sur deux problématiques spécifiques à savoir les phénomènes d' impact-fretting (force normale variable) observés dans les assemblages de combustible et les phénomène d'impact-fretting observés dans les contacts des guides de grappe.

Disposant de données expérimentales, des modèles numériques seront mis en place et transposés au niveau des bureaux d’étude de Framatome pour mieux prédire la durée de vie des futurs assemblages « faisceaux de tubes » des réacteurs nucléaires. Parallèlement à l’établissement d’une stratégie de dimensionnement, un travail d’optimisation sera effectué au niveau expérimental afin d’optimiser le choix des palliatifs (traitements de surface) et ainsi augmenter la durée de vie de ces futurs assemblages.

Ainsi, il est prévu une continuation de cette chaire industrielle par le développement de recherches axées sur l’optimisation de nouveaux traitements de surface spécifiques au milieu REP, mais aussi l’étude de nouvelles problématiques observées au niveau du circuit secondaire (générateur de vapeur/ barres anti-vibrations). A plus long terme cette recherche pourra se poursuivre dans le cadre du développement des futurs réacteurs à neutrons rapides, le développement des SNR (Small Nuclear Reactor) voire l’étude des phénomènes d’impact fretting observés dans des réacteurs de fusion (ITER, DEMO).

Cette chaire impliquera 3 thèses CIFRE Framatome de 36 mois (2 expérimentales + 1 simulation de l’usure), 2 ingénieurs CDD pour le pilotage des développements expérimentaux (2 x 18 mois) et un post-doctorat de 18 mois en charge de développer des approches d’intelligence artificielle pour exploiter les données expérimentales du projet, mais aussi développer des méthodes rapides pour prédire le percement local des gaines et tubes. Le projet impliquera 4 enseignants-chercheurs (1 CNRS (porteur) et 3 EC EMP), ainsi qu’un cadre technique du CMAT.