Le CEA étudie, en collaboration avec Framatome et EDF, un concept innovant de gainage en alliage de zirconium revêtu de chrome, dans le but d'améliorer la robustesse des gaines de combustible des réacteurs nucléaires à eau pressurisée, en particulier en conditions extrêmes (i.e. hypothétiques accidentelles). Il a été montré qu'un revêtement de chrome de 10 à 20 microns d'épaisseur, déposé selon un procédé particulier de dépôt physique en phase vapeur, permet de ralentir significativement l'oxydation de la gaine, aussi bien à basse qu'à haute températures [1]. Vis-à-vis de l'application envisagée, il est nécessaire de connaître le comportement mécanique du revêtement de chrome, notamment son endommagement, qui doit rester limité en conditions d'utilisation en réacteur pour que le revêtement joue au mieux son rôle protecteur. Les données relativement peu nombreuses disponibles dans la littérature sur le comportement mécanique du chrome massif sont difficilement transposables au chrome d'intérêt ici, déposé par un procédé particulier sur un substrat spécifique et présentant en conséquence une microstructure particulière.

Dans le cadre de ces travaux de thèse, le comportement mécanique du revêtement de chrome est étudié à différentes échelles, pour différents chargements mécaniques, à l'aide de différentes techniques expérimentales. Des essais dits « biaxés », consistant à appliquer simultanément une pression interne et une force axiale, ont été réalisés sur des tubes en alliage de Zr revêtus d'environ 15 μm de chrome en surface externe, pour étudier la cinétique de fissuration du revêtement en fonction de l'état biaxial du chargement à l'échelle macroscopique. La fissuration du revêtement est détectée grâce à la corrélation d'images numériques (DIC, « Digital Image Correlation ») (taille des domaines de corrélation d'environ 30x30 μm2) et à un système d'émission acoustique. Une analyse statistique des fissures dans le revêtement est menée à partir d'observations au microscope optique 3D et au Microscope Electronique à Balayage (MEB) effectuées après essai. La plasticité, le mode de rupture et la cinétique d'endommagement du revêtement sont étudiés à l'échelle microscopique via des essais de traction réalisés in-situ sous MEB sur des plaquettes en alliage de Zr revêtues d'environ 15 μm de chrome. Les déformations locales du revêtement sont mesurées par DIC (taille des domaines de corrélation d'environ 1x1 μm2). La nature des fissures est étudiée à l'aide d'analyses par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD, « Electron Back Scatter Diffraction »).

Ces caractérisations ont permis d'étudier le mécanisme de fissuration du revêtement de chrome à l'échelle macroscopique, à température ambiante (température très inférieure aux températures de service en réacteur, ~350°C). Le revêtement étudié fissure quand le substrat commence à se déformer plastiquement. Une saturation de la fissuration du revêtement a été mise en évidence. Les fissures se propagent préférentiellement dans la direction perpendiculaire à la direction de la contrainte principale maximale. Des observations post-essai ont montré que les fissures se propagent dans toute l'épaisseur du revêtement mais ne pénètrent pas de manière significative dans le substrat. Aucune décohésion du revêtement n'a été observée. D'après les champs de déformations locales obtenus lors des essais de traction in-situ sous MEB, les pavés non fissurés du revêtement de chrome semblent continuer à se déformer plastiquement à la température ambiante après la formation des premières fissures, sans former de nouvelles fissures. Des analyses EBSD ont montré que les fissures sont à la fois intergranulaires et intragranulaires, avec des proportions comparables.

Des simulations numériques seront réalisées pour interpréter les résultats expérimentaux, notamment le développement de la plasticité du revêtement après la formation des premières fissures.

[1] J. BISCHOFF, et al. AREVA NP's enhanced accident tolerant fuel developments : Focus on Cr-coated M5 cladding, Nuclear Engineering and Technology , 50 (2018) 223-228.