Influence de la contrainte appliquée sur la précipitation des hydrures de zirconium – SIZHYP

La précipitation d'hydrures de zirconium dans le matériau de gainage des réacteurs à eau légère intervient suite à la prise d'hydrogène liée à l'oxydation de la gaine. Lorsque la limite de solubilité est atteinte des hydrures de zirconium précipitent conduisant à la formation d'un matériau hétérogène avec une possible dégradation des propriétés mécaniques à cause de la nature plutôt fragile des hydrures. Il est expérimentalement bien établi que la précipitation d'hydrures est "cristallographique" et donne lieu à une microstructure bien particulière, les petits hydrures (taille de l'ordre du micron) se présentant sous forme d'aiguilles parallèles aux directions denses <112 ¯0>. Par ailleurs, l'application d'une contrainte entraine à l'échelle macroscopique une réorientation, les hydrures adoptant une disposition perpendiculaire à la direction de la contrainte, ce qui est particulièrement nocif du point de vue de la résistance mécanique.Les phénomènes décrits précédemment, bien que connus depuis longtemps, n'avaient jusqu'à présent pas trouvé d'explication globale cohérente ce qui tient probablement à deux raisons. D'une part à la connaissance partielle de la séquence de précipitation des hydrures. En effet, jusqu'à la mise en évidence récente de la phase zheta, cohérente de composition proche de Zr2H, qui apparait lors de refroidissements rapides, on pensait que seules les phases gamma et delta incohérentes précipitaient dans les conditions d'utilisation des gaines. La mise en évidence d'une phase cohérente dont la précipitation induit l'apparition d'énergie élastique ouvre des nouvelles voies d'interprétation et de prédiction des phénomènes d'orientation des hydrures par rapport à la matrice et d'interaction avec la contrainte appliquée. Le deuxième facteur limitant la compréhension des effets élastiques liés à la précipitation est que ceux-ci ne peuvent se comprendre complètement que si l'on décrit le système matrice-précipités à l'aide de la théorie de l'élasticité hétérogène qui suppose que matrice et précipités possèdent des constantes élastiques différentes. Cette théorie n'a été que très récemment mise en œuvre pour expliquer la précipitation des hydrures de zirconium, les travaux antérieurs faisaient référence à la théorie de l'élasticité homogène qui ne peut expliquer de façon satisfaisante l'ensemble des faits observés pour le système ZrH.Une meilleure compréhension des effets physiques à l'origine des interactions matrice-précipité et contrainte-précipité devrait être non seulement satisfaisante du point de vue intellectuel mais conduirait également à une meilleure prédiction de le précipitation dans un contexte d'augmentation constante du taux de combustion depuis une vingtaine d'années mais aussi de recherche continue d'une sécurité accrue des installations. L'objectif de ce projet est de réunir des acteurs reconnus dans le domaine en France et au-delà (collaboration avec l'Université de Manchester) pour mener de front modélisation multi-échelles et expériences afin de lever un certain nombre des verrous scientifique concernant la précipitation des hydrures de zirconium. Pour cela nous souhaitons
développer des modèles thermodynamiques à l'échelle atomique permettant de décrire le système
étudier en utilisant des modèles de cohésion de type liaisons fortes la précipitation à l'échelle atomique
étudier à l'échelle atomique la perte de cohérence qui s'accompagne en général d'une relaxation de l'énergie élastique de précipitation
étudier à l'échelle mésoscopique en utilisant la méthode des champs de phases dans le cadre de l'élasticité hétérogène la précipitation des différentes phases d'hydrures et les interactions précipité-contrainte.
En parallèle à la modélisation seront menées des expériences
de précipitation in situ au microscope à transmission
et en présence de rayonnement X
afin d'alimenter les modèles et d'établir leurs domaines de validité.