MATÉRIAUX À HAUTES PERFORMANCES MATÉRIAUX POUR L ENERGIE

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Joëlle Larouche
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1 MATÉRIAUX À HAUTES PERFORMANCES MATÉRIAUX POUR L ENERGIE TENUE DES CUVES DE REP Jean-Hubert Schmitt jean-hubert.schmitt@ecp.fr Mise en place de la cuve du réacteur dans la centrale d'olkliuto (EPR, Finlande)

2 Réacteur nucléaire à eau pressurisée(pwr) 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 2

3 Cuve de réacteur REP (PWR) EDF 1300 MW H=12m P=155bars D=4m T= C e=20cm d= n.cm -2.s -1 P=315t 40 ans Acier 16 MND5 (A508) Viroles forgées puis soudées Revêtement interne inox 316L 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 3

4 Cuve de réacteur REP (PWR) 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 4

5 Lingot de 315 t Forgeage de la virole 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 5 Virole porte-tube (Flamanville)

6 Cuve de réacteur REP (PWR) Critères de choix de l acier 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 6

très bonne soudabilité bon comportement sous irradiation

7 Cuve de réacteur REP (PWR) Composition chimique acier 16MND5 (%pds) Structure bainitique : bonne conductibilité thermique très bonne soudabilité bon comportement sous irradiation coût faible 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 7

8 Cuve de réacteur REP (PWR) Propriétés mécaniques : état initial non irradié 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 8

heures Reproduction en laboratoire des conditions thermiques

9 Tenue au fluage lors d accidents majeurs Accident de Three Mile Island (1979) 1100 C en fond de cuve pendant quelques heures Reproduction en laboratoire des conditions thermiques de l accident 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 9

10 Tenue au fluage lors d accidents majeurs 900 C 13 MPa Essais en laboratoire de tenue au fluage 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 10

11 Tenue au fluage lors d accidents majeurs 900 C 13 MPa 1100 C 5,5 MPa Essais en laboratoire de tenue au fluage 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 11

12 Tenue au fluage lors d accidents majeurs Endommagement intergranulaire Matériaux B 1000 C Faciès de rupture intergranulaire Matériaux B 900 C 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 12

13 Ténacité des aciers de cuve KIC ductile fragile T 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 13

14 Ténacité des aciers de cuve 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 14

15 Effet d irradiation par les neutrons 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 15

16 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 16

17 Effet d irradiation par les neutrons Simulation par dynamique moléculaire: a) 0,7 picosecondes b) 2,5 ps c) 10,3 ps d) 30 ps atomes déplacés en position interstitielle en rouge lacunes crées en jaune atomes replacés sur site en bleu (non représentés sur les vues c et d) Cascade de déplacements atomiques et défauts induits par irradiation de l acier par des neutrons de forte énergie 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 17

18 Effet d irradiation par les neutrons 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 18

19 Effet sur la ténacité Durcissement par irradiation Agrégats d atomes de Cuivre amas de lacunes, Sonde atomique : 15x15x40 nm 3 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 19

20 Ténacité des aciers de cuve Augmentation de la température de transition ductile fragile par irradiation Développement et saturation de la fragilisation liée à l irradiation (290 C) 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 20

21 Ténacité des aciers de cuve Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP: conditions de fonctionnement normal Calculez les contraintes appliquées en conditions normales (T = 290, P = 155 bars). En déduire la contrainte de von Mises. Quelle est la pression limite à la limite d élasticité? (Re = 430 MPa à 300 ) Calculez les dimensions de fissure critique en conditions normales de fonctionnement, dans l état initial et dans l état irradié (fin de vie). Conclusion? Données : La cuve est assimilée à un cylindre de rayon R (2 m) et d épaisseur e (0,2 m). On supposera l épaisseur faible devant le rayon (hyp. contraintes planes). Après irradiation, Re atteint 600 MPa à 300 C. A cette température, la ténacité est peu affectée par l irradiation et K Ic = 220 MPa.m 1/2 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 21

22 Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP Calcul des contraintes : - hypothèse de contraintes planes : σ r = 0 z - calcul de σ θ à partir de l équilibre des forces dans la section θ r - calcul de σ r à partir de l égalité des forces aux extrémités du cylindre selon z 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 22

23 Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP z θ r Contrainte en conditions normales : Surpression accidentelle : 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 23

24 Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP Intensité de contrainte pour une fissure traversante K I = σ πa Avant irradiation Après irradiation même valeur car KIC reste élevé à 300 C (et irradiation en peau intérieure seulement) Si surpression accidentelle à 510 bars (s = 400 MPa) : 2 a c 1, 72m 2a c 1, 72m 2a c 0, 17m Fissures toutes très faciles à détecter 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 24

25 Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP en situation accidentelle Accident de référence: APRP brèche dans le circuit primaire et injection d eau froide dans la cuve (T=20 C, en réserve). - la pression interne s effondre. - la peau interne en acier 16 MND5 de la cuve descend rapidement à 150 C (ébullition sur paroi, présence du revêtement en acier inox de 1 cm, mauvais conducteur) 1. Calculez l ordre de grandeur des contraintes thermiques en peau interne 2. Calculez la dimension de fissure critique en supposant la peau interne à l état de fragilisation maximale (Re > 600 MPa, KIc= 35 MPa.m 1/2 ). Conclusions? 3. La fissure se propagera-t-elle jusqu à traverser la cuve? Données : α = 1, K -1 E = 190 GPa (à 300 C) 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 25

26 Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP Accident grave: brèche du circuit primaire et injection en quelques mn: T = 150 C en peau interne (sous inox), et P = 0 Évaluation des contraintes maxi avec un gradient de T simplifié : forme cylindrique imposée => ε total uniforme dans l épaisseur ε total = ε ther + ε méca = αt 1 0 = αt2 + ε E surface libre, équibiaxial σ = α 2 1 ν + méca ( T T ) 0 1 paroi interne: traction biaxiale quasi plane σ θ σ = σ z VMises = 600MPa, = σ θ Re σ r 0 irradié 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 26

27 Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP Contrainte maxi : Paroi interne : Taille de défaut critique : σ θ 600MPa K IC 35MPa m 1 KIC 2 K I = 2σ a soit ac = ( ) ac 0, 85mm 4 σ Amorçage certain si fragilisation maximale, programme de surveillance nécessaire! 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 27

28 Evaluation du risque de rupture brutale des cuves REP Pour un défaut de référence détectable soit : a = 6mm K IC 93MPa m Conditions d arrêt en profondeur? fragilisation plus faible, T plus élevée, pression nulle, σ thermique négligeables => arrêt certain (mi-épaisseur) 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 28

des joints soudés 3 fois la dose d irradiation de la cuve Prélèvement

29 Programme de surveillance des cuves REP 8 paniers avec des éprouvettes de traction et de résilience représentatives de l acier de cuve, de la ZAT, et des joints soudés 3 fois la dose d irradiation de la cuve Prélèvement régulier : 3, 5, 7, 11 ans 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 29

30 Programme de surveillance des cuves REP Fluence et décalage de transition DF 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 30

31 Programme de surveillance des cuves REP Fluence et décalage de transition DF 17/12/2014 Matériaux Hautes Performances - Cuve REP 31

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