Modélisation numérique de la diffusion-corrosion des alliages de zirconium PDF Download
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Author: Guillaume Zumpicchiat
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Book Description
Dans les réacteurs à Eau Pressurisée (REP), les pastilles d'uranium sont isolées de l'eau du circuit primaire par des gaines en alliages de zirconium (Zy-4, M5, ZIRLO). Ces gaines jouent un rôle crucial en termes de sureté car elles sont la première barrière de confinement des produits de fission. En conditions nominales d'utilisation, la corrosion des gaines induite par l'environnement du circuit primaire (320 °C, 155 bars, présence de lithium et de bore) se traduit par l'oxydation du zirconium et la formation de phases fragiles d'hydrures de zirconium sous l'interface oxyde/métal. Ces phénomènes couplés affectent la tenue mécanique de la gaine et, in fine, limitent la durée de vie des assemblages combustibles en réacteur (~ 5 ans). Ce travail vise à mieux comprendre le phénomène de corrosion des alliages de zirconium.Dans un premier temps, une modélisation par éléments finis de la diffusion-corrosion du Zircaloy-4 a été réalisée pour simuler la cinétique d'oxydation observée expérimentalement. Le modèle analytique de Wagner prédit une évolution de l'épaisseur d'oxyde proportionnelle à la racine carrée du temps (régime parabolique). En pratique, la cinétique d'oxydation du Zircaloy-4 en autoclave s'écarte de la loi parabolique et est quasiment cubique. Plusieurs phénomènes sont susceptibles d'expliquer cette différence entre la cinétique expérimentale et le modèle analytique, notamment la présence de fortes contraintes de compression au sein de la couche d'oxyde. La prise en compte dans la modélisation de l'effet des contraintes sur la diffusion de l'oxygène permet de simuler et d'expliquer cet écart à la loi parabolique.Dans un second temps, nous avons simulé par éléments finis la diffusion de l'oxygène à travers une couche polycristalline de zircone. Les grains de zircone sont modélisés par un agrégat de polyèdres de Voronoï. Un espace entre les polyèdres est également maillé pour modéliser les joints de grains. Ces échantillons numériques ont été utilisés pour étudier l'effet de la microstructure et de la microtexture des couches de zircone sur la diffusion de l'oxygène. Les simulations sont nourries par les données expérimentales obtenues sur des lames minces de zircone formées sur Zircaloy-4 et hydrure de zirconium.
Author: Guillaume Zumpicchiat
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Dans les réacteurs à Eau Pressurisée (REP), les pastilles d'uranium sont isolées de l'eau du circuit primaire par des gaines en alliages de zirconium (Zy-4, M5, ZIRLO). Ces gaines jouent un rôle crucial en termes de sureté car elles sont la première barrière de confinement des produits de fission. En conditions nominales d'utilisation, la corrosion des gaines induite par l'environnement du circuit primaire (320 °C, 155 bars, présence de lithium et de bore) se traduit par l'oxydation du zirconium et la formation de phases fragiles d'hydrures de zirconium sous l'interface oxyde/métal. Ces phénomènes couplés affectent la tenue mécanique de la gaine et, in fine, limitent la durée de vie des assemblages combustibles en réacteur (~ 5 ans). Ce travail vise à mieux comprendre le phénomène de corrosion des alliages de zirconium.Dans un premier temps, une modélisation par éléments finis de la diffusion-corrosion du Zircaloy-4 a été réalisée pour simuler la cinétique d'oxydation observée expérimentalement. Le modèle analytique de Wagner prédit une évolution de l'épaisseur d'oxyde proportionnelle à la racine carrée du temps (régime parabolique). En pratique, la cinétique d'oxydation du Zircaloy-4 en autoclave s'écarte de la loi parabolique et est quasiment cubique. Plusieurs phénomènes sont susceptibles d'expliquer cette différence entre la cinétique expérimentale et le modèle analytique, notamment la présence de fortes contraintes de compression au sein de la couche d'oxyde. La prise en compte dans la modélisation de l'effet des contraintes sur la diffusion de l'oxygène permet de simuler et d'expliquer cet écart à la loi parabolique.Dans un second temps, nous avons simulé par éléments finis la diffusion de l'oxygène à travers une couche polycristalline de zircone. Les grains de zircone sont modélisés par un agrégat de polyèdres de Voronoï. Un espace entre les polyèdres est également maillé pour modéliser les joints de grains. Ces échantillons numériques ont été utilisés pour étudier l'effet de la microstructure et de la microtexture des couches de zircone sur la diffusion de l'oxygène. Les simulations sont nourries par les données expérimentales obtenues sur des lames minces de zircone formées sur Zircaloy-4 et hydrure de zirconium.
Author: Paul Buttin
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La « shadow corrosion » est un phénomène observé sur les gaines en alliages de zirconium des assemblages de combustibles dans les réacteurs nucléaires. Il consiste en l'augmentation de la corrosion sur les zones de la gaine qui sont à proximité d'autres parties de l'assemblage en Inconel. Afin d'améliorer la compréhension de ses mécanismes, des modèles numériques sont développés suivant deux axes d'études. Un premier modèle de couplage galvanique a pour but de dégager les facteurs de premier ordre. Les résultats des simulations montrent que l'intensité du courant anodique, et sa dépendance en potentiel, contrôlent le caractère local (effet d'ombre) de ce phénomène. D'autre part, cet effet nécessitant un courant cathodique assez élevé révèle l'importance du pouvoir oxydant de l'électrolyte. Un deuxième modèle d'oxydation du zirconium est développé en intégrant le transport multi particules dans l'oxyde. Ce modèle, couplé aux effets d'interfaces (métal/oxyde et oxyde/électrolyte), permet de démontrer le rôle crucial de la polarisation et de l'hydrogène provenant de la dissociation de l'eau sur les cinétiques d'oxydation. A partir de ces modèles, un scénario explicatif de la shadow corrosion est élaboré suggérant l'importance de la radiolyse de l'eau.
Author: Julie Drouet
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Les alliages de zirconium recristallisés sont utilisés dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) comme matériaux d'assemblage et de gainage du combustible nucléaire. Durant leur usage en réacteur, ils sont exposés à des conditions d'irradiation qui créent en leur sein une grande densité de défauts et affectent leur comportement mécanique. A l'échelle macroscopique, ces modifications de comportement mécanique sont bien connues et caractérisées, mais les mécanismes microscopiques à leur origine restent mal connus et compris. Afin de mieux les comprendre, une étude des mécanismes d'interactions entre dislocations mobiles, vecteurs de la plasticité, et défauts d'irradiation a été entreprise. Deux techniques, l'une expérimentale et l'autre numérique, ont été employées. Expérimentalement, des éprouvettes de Zircaloy-4 pré-irradiées ont été mises en traction dans un microscope électronique en transmission (MET) afin d'observer in situ les interactions entre les dislocations mobiles et les boucles d'irradiation. Elles révèlent que les boucles de dislocations forment à température ambiante des obstacles forts qui ralentissent ou bloquent les dislocations, jusqu'à ce que celles-ci les contournent. Ces observations sont cohérentes avec le phénomène de durcissement induit par irradiation. L'absorption de boucles a également été observée, ce qui est cohérent avec le balayage progressif des boucles de dislocations observé dans un matériau massif pré irradié puis sollicité mécaniquement. La simulation à l'aide d'un code de dynamique des dislocations (DD), NUMODIS, des interactions entre des dislocations mobiles situées dans les plans prismatiques ou basaux de la maille HCP et des boucles de dislocation a été effectuée. Ces résultats sont en bon accord avec ceux d'une récente étude des interactions entre dislocations glissant dans les plans prismatiques et boucles de dislocations par Dynamique Moléculaire (DM), ce qui permet l'extension confiante de l'étude de DD aux interactions impliquant des dislocations glissant dans un plan de base, non étudiées en DM à ce jour. L'ensemble de cette étude établit les mécanismes microscopiques qui permettent d'expliquer le phénomène de canalisation de la déformation dans le plan de base de la maille HCP et propose des explications de la canalisation préférentielle dans les plans de base observée expérimentalement. Elle met également à jour des pistes d'approfondissements nécessaires afin de créer une véritable liaison quantitative entre la DM et la DD dans une démarche multi-échelle. L'interaction entre une dislocation vis glissant dans un plan pyramidal et une boucle, observée en MET in situ, a été simulée en DD, à la même échelle spatiale et temporelle. La simulation révèle la formation d'un tour d'hélice sur la dislocation vis, comme observé expérimentalement et montre pour la première fois qu'un accord spatial et temporel entre simulation de DD et MET in situ est possible. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives : si les paramètres des simulations de DD sont ajustables sur les simulations à l'échelle atomique grâce à des simulations de DM dédiées, ceux-ci peuvent également être ajustés sur des situations observées expérimentalement. Les bases d'une étude des mécanismes microscopiques à l'origine du fluage d'irradiation des alliages de zirconium ont également été posées. L'observation combinée en MET in situ et post mortem d'échantillons irradiés sous contrainte n'a pas permis de mettre en évidence de montée de dislocations, et cette étude doit être poursuivie à des températures plus élevées et plus proches des conditions en réacteur, où la diffusion peut alors jouer un grand rôle.
Author: Yacoub Dali
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Pages : 257
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La corrosion des gaines de crayons combustible, en alliage de zirconium, limite la durée de vie des crayons dans les réacteurs à eau légère. Les industriels ont pour objectif à moyen terme d’augmenter la durée des cycles en réacteur, le nombre de cycles et de soumettre ces gaines à des conditions plus sollicitantes. Dans ce cadre, de nouveaux alliages, notamment le Zr-1%Nb, destinés à remplacer le Zircaloy-4 ont été récemment développés et présentent une résistance accrue à la corrosion en réacteur. Améliorer la compréhension des mécanismes de corrosion de ces alliages est donc un enjeu industriel majeur, pour prédire le comportement à long terme de ces matériaux. L’oxydation de deux familles d’alliages a été étudiée sous vapeur d’eau (pression comprise entre 100 millibars et 100 bars) : les alliages de type Zircaloy, dont la composition est basée sur celle du Zircaloy-4 et ceux de type Zr-x%Nb à différentes teneurs en niobium (0,2 ; 0,4 et 1%). Nos objectifs pour ces deux familles d’alliage étaient de comprendre les différences de réactivité de ces matériaux entre la basse et la haute pression de vapeur d‘eau, en estimant les variations de la vitesse avec cette variable et l’influence de chaque élément d’addition sur la vitesse. Pour les alliages au niobium, une analyse approfondie de la ségrégation du niobium en surface a également été menée. Au cours de ce travail, une thermobalance à suspension magnétique a été développée et mise en œuvre pour suivre in-situ l’oxydation à haute pression (jusqu’à 50 bars). Cette expérimentation est, à notre connaissance, unique en son genre. Au cours de cette étude, un large domaine de pression a ainsi été balayé en associant expérimentations en thermobalance (0,1-10 bars) et en autoclave (10-100 bars). Les couches d’oxyde formées ont ensuite été caractérisées par différentes techniques telles que le MEB, le MET-HR, la DRX, l’ESCA, la marco- et microphotoélectrochimie (MPEC et mPEC), le SIMS après échange isotopique en H218O. Pour les alliages de la famille du Zircaloy, nous avons confirmé le rôle prépondérant des précipités Zr(Fe,Cr)2 sur la résistance à la corrosion des gaines, et validé la croissance de la vitesse d’oxydation du zirconium quasi-pur avec la pression partielle de vapeur d’eau. A l’opposé de la très grande stabilité cinétique du Zircaloy-4, dont la vitesse est indépendante de la pression de vapeur d’eau et donc contrôlée par la diffusion de l’oxygène dans la couche, nos résultats nous ont conduits à proposer une étape limitante de réaction d’interface dans le cas du zirconium pur, associée à une forte dégradation de la couche liée à une croissance des grains catalysée par la vapeur d’eau, à l’origine des décohésions entre des amas de cristallites. Les précipités Zr(Fe,Cr)2, au travers de la dissolution du fer dans la matrice de zircone environnante, pourraient, en stabilisant la zircone quadratique, assurer l’intégrité de la couche. Pour les alliages Zr-x%Nb et plus particulièrement pour l’alliage Zr-1%Nb, la vitesse d‘oxydation est dépendante de la pression partielle de vapeur d’eau. A cela s’ajoute un accroissement sensible de la ségrégation en niobium à la surface, mise en évidence par ESCA, sous la forme Nb2O5, mise en évidence par MPEC. La vitesse d’oxydation et la ségrégation en niobium montrent toutes deux une dépendance homographique en fonction de la pression. L’originalité de l’exploitation de ces résultats réside essentiellement dans la proposition d’un mécanisme simple prenant à la fois en compte la ségrégation et l’oxydation. Une étape limitante de diffusion des ions hydroxydes adsorbés dans la couche externe de l’oxyde permet de décrire la majorité des résultats expérimentaux obtenus sur les alliages Zr-x%Nb.
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Category : Zirconium
Languages : fr
Pages : 208
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Author: J. Paul Pemsler
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Category : Metals
Languages : en
Pages : 54
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Author: MARION.. PARISE
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Languages : fr
Pages : 273
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Book Description
LE GAINAGE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE EST CONSTITUE D'ALLIAGES A BASE DE ZIRCONIUM. DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION, L'EXTERIEUR DE LA GAINE S'OXYDE. LA COUCHE FORMEE CONSTITUE UNE BARRIERE THERMIQUE: ELLE EST AINSI LIMITANTE POUR L'UTILISATION DU GAINAGE OXYDE AU-DELA DE 100 M ENVIRON. LA CINETIQUE D'OXYDATION EST APPROXIMATIVEMENT CUBIQUE JUSQU'A UNE EPAISSEUR D'OXYDE DE 2 M ENVIRON, LINEAIRE AU-DELA. UN MODELE CINETIQUE A ETE PROPOSE, PERMETTANT D'ESTIMER LA VITESSE D'OXYDATION EN REGIME POST-TRANSITOIRE A PARTIR DES PARAMETRES CINETIQUES DU REGIME PRE-TRANSITOIRE ET DE CARACTERISTIQUES MORPHOLOGIQUES DES COUCHES POST-TRANSITOIRES. CE TRAVAIL CHERCHE A APPORTER LES ELEMENTS NECESSAIRES A LA VALIDATION DE CE MODELE ET A ETUDIER LES PHENOMENES SURVENANT AUTOUR DE LA TRANSITION CINETIQUE, POUR DETERMINER SI LES MECANISMES D'OXYDATION AVANT ET APRES PEUVENT ETRE SIMILAIRES. LES EPAISSEURS DES COUCHES D'OXYDE DANS LA GAMME 50 - 500 NM SONT MESUREES PAR UNE METHODE OPTIQUE ; LES CINETIQUES PRE-TRANSITOIRES SONT AINSI DETERMINEES PRECISEMENT. L'INFLUENCE DE LA COMPOSITION, DU TRAITEMENT THERMIQUE ET DE LA PRESENCE D'OXYGENE EN SOLUTION SOLIDE DANS LE METAL EST ETUDIEE. L'ETUDE MORPHOLOGIQUE ET CRISTALLOGRAPHIQUE DES COUCHES MONTRE QU'ELLES PRESENTENT DE FORTES SIMILITUDES AVANT ET APRES LA TRANSITION. LES RESULTATS CONCERNANT LES CINETIQUES ET LA MORPHOLOGIE DES COUCHES PERMETTENT DE MONTRER QUE LE MODELE CINETIQUE PROPOSE CONDUIT A UN BON ORDRE DE GRANDEUR DES VITESSES D'OXYDATION POST-TRANSITOIRES. LA TRANSITION CINETIQUE CORRESPOND A L'APPARITION DE FISSURES DANS LA COUCHE D'OXYDE. LE COMPORTEMENT MECANIQUE DU SYSTEME METAL-OXYDE A ETE MODELISE A DIFFERENTES ECHELLES. LA PRISE EN COMPTE DES COMPORTEMENTS MECANIQUES SPECIFIQUES DU METAL ET DE L'OXYDE, AINSI QUE DE LA GEOMETRIE DE L'INTERFACE, A PERMIS DE MONTRER QU'IL EXISTE DES CONTRAINTES DE TRACTION RADIALES SUSCEPTIBLES D'OUVRIR LOCALEMENT DES FISSURES, DONT L'APPARITION ET LA LOCALISATION SONT LIEES A LA GEOMETRIE DE L'INTERFACE ET A LA REPARTITION DES CONTRAINTES DANS LE SYSTEME METAL-OXYDE
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The diffusion rate of O in anion-deficient zirconia, ZrO/sub 1.994/, was determined by the interface migration of stoichiometric oxide and is represented by the equation D = 0.055 exp ( --33,400 surface proces 3100/RT). A comparison was made with other processes that occur in the metal and the oxide. Excellent agreement was noted between activation energies of O diffusion in ZrO/sub 1.944/ and those for parabolic or cubic oxidation in both air and water. It appears that O diffusion in the oxide is rate-controlling during oxidation of the metal. The corrosion and oxidation behavior of Zr and some alloys are discussed in terms of the oxide defect structure and the electric conductivity behavior in the oxide. A speculative mechanism for corrosion transition to linear rates was suggested on the basis of preferential oxidation of a grain boundary metallic phase. The nature of the phase and of its formation and elimination are discussed. (auth).
Author: JEAN-JEROME.. VERMOYAL
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Languages : fr
Pages : 256
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Book Description
LES MECANISMES DE CORROSION DES ALLIAGES DE ZR, UTILISES COMME TUBES DE GAINAGE DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE, NE SONT ACTUELLEMENT PAS TOTALEMENT ELUCIDES DU FAIT, NOTAMMENT, DE LA COMPLEXITE DES MATERIAUX ET DE L'ENVIRONNEMENT DE CORROSION. LA CINETIQUE EST GENERALEMENT CONSIDEREE COMME PILOTEE PAR LA DIFFUSION DES IONS OXYDES A TRAVERS UNE COUCHE BARRIERE DONT LES CARACTERISTIQUES EVOLUENT DANS LE TEMPS. CEPENDANT, CERTAINES CONSTATATIONS EXPERIMENTALES, COMME L'EFFET DU COUPLAGE SUR LA CROISSANCE DU FILM D'OXYDE, MOTIVENT FORTEMENT L'INTRODUCTION DE PROCESSUS ELECTROCHIMIQUES DANS LA DESCRIPTION DES ETAPES-CLES DE L'OXYDATION. LA FINALITE DE LA PRESENTE ETUDE EST DE CONTRIBUER A LEVER L'INDETERMINATION QUANT A LA NATURE DES ETAPES CINETIQUEMENT LIMITANTES DE LA CORROSION DE DEUX ALLIAGES DE ZIRCONIUM, LE ZIRCALOY-4 (ZY-4) ET LE ZR-NB(1%)O(0,13%). LA COMPLEMENTARITE DES CARACTERISATIONS IN SITU DE L'OXYDATION SOUS AIR SEC A 500\C SUR DES CRITERES CINETIQUES (ANALYSES THERMOGRAVIMETRIQUES), ELECTROCHIMIQUES (SPECTROSCOPIE D'IMPEDANCE) ET MICROSTRUCTURAUX (MEB), ET DE L'INFLUENCE DE LA POLARISATION DES GAINES SUR L'OXYDATION ET L'HYDRURATION EN MILIEU REP A 360\C, A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LE CONTRASTE ENTRE LES DEUX ALLIAGES EN TERMES DE PROCESSUS LIMITANTS. ALORS QUE LES RESULTATS OBTENUS POUR LE ZY-4 SATISFONT A L'HYPOTHESE DE LA DIFFUSION DE L'OXYGENE A TRAVERS LE FILM DE ZIRCONE, L'ACCELERATION DE L'OXYDATION DU ZR-NB(1%)O(0,13%) SOUS POLARISATION ANODIQUE EN MILIEU LIQUIDE, ET EN PRESENCE D'UN METAL NOBLE CATALYSEUR DE LA REDUCTION DE L'OXYGENE EN MILIEU GAZEUX, EST INCOMPATIBLE AVEC UN TEL MECANISME. LES ESSAIS MENES EN MILIEU REP PEUVENT S'EXPLIQUER A LA FOIS PAR UN MECANISME PILOTE PAR LA CONDUCTIVITE ELECTRONIQUE DE L'OXYDE MAIS EGALEMENT PAR UN CONTROLE DE TYPE INTERFACIAL. EN COMPLEMENT, LES CARACTERISATIONS ELECTRIQUES DES FILMS DE ZIRCONE FORMES EN EAU ET ETUDIES EN ENVIRONNEMENT GAZEUX CONFIRMENT LA DIFFERENCE ENTRE LES DEUX ALLIAGES. LA PRISE EN COMPTE DU CARACTERE MIXTE (DIFFUSION-INTERFACE) DE L'OXYDATION DU ZR-NB(1%)O(0,13%) A CONDUIT A UN ESSAI DE MODELISATION BASE SUR UNE APPROCHE PROPRE A LA CINETIQUE HETEROGENE AINSI QU'A UNE DESCRIPTION ELECTROCHIMIQUE.
Author: Patrice E. A. Turchi
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 0387259538
Category : Technology & Engineering
Languages : en
Pages : 420
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Book Description
One of the key aspects of this volume is to cut across the traditional taxonomy of disciplines in the study of alloys. Hence there has been a deliberate attempt to integrate the different approaches taken towards alloys as a class of materials in different fields, ranging from geology to metallurgical engineering. The emphasis of this book is to highlight commonalities between different fields with respect to how alloys are studied. The topics in this book fall into several themes, which suggest a number of different classification schemes. We have chosen a scheme that classifies the papers in the volume into the categories Microstructural Considerations, Ordering, Kinetics and Diffusion, Magnetic Considerations and Elastic Considerations. The book has juxtaposed apparently disparate approaches to similar physical processes, in the hope of revealing a more dynamic character of the processes under consideration. This monograph will invigorate new kinds of discussion and reveal challenges and new avenues to the description and prediction of properties of materials in the solid state and the conditions that produce them.
