Les gaines en alliage de zirconium qui contiennent les combustibles nucléaires sont la première barrière de sécurité des réacteurs à eau pressurisée français. Leur comportement au fluage lors de la phase de ballonnement des scenarii d’accidents de dimensionnement a une importance non négligeable sur l’efficacité des dispositifs de mitigation des accidents. En fonction du type de scénario d’accident, les gaines sont hypothétiquement soumises à des chargements thermiques pouvant aller jusque 1200°C à des vitesses allant de 5°C.s-1 jusque plus de 1000°C.s-1, à des chargements mécaniques en pression interne jusque 70bar avec un taux de biaxialité variable sous vapeur d’eau. De plus, l’alliage de zircaloy-4 étudié comporte une transformation de phase allotropique : phase α hexagonale compacte en dessous de 824°C vers la phase β cubique centrée au dessus de 1000°C et un domaine biphasé entre ces deux températures. Les effets de l’irradiation ne sont pas pris en compte dans les travaux présentés.
Le LaMCoS en étroite collaboration avec l’IRSN a mis au point un dispositif expérimental appelé ELLIE qui permet de simuler les conditions thermomécaniques des scenarii d’accidents sous
environnement contrôlé afin d’étudier le comportement structural au ballonnement des gaines. Le dispositif permet d’appliquer un chargement mécanique biaxial (pression interne + traction/compression) sous balayage inerte ou oxydant sur un portion de gaine. L’éprouvette est de plus soumise à un chargement thermique par induction. Une attention particulière a été portée sur le développement des mesures des champs thermique et cinématique couplées. Le chargement thermique hétérogène au sein de la région d’intérêt offre une grande richesse de résultats pour l’identification des paramètres de fluage via des stratégies de recalage par éléments finis.
Plusieurs études à complexité graduelle ont été menées à l’aide de ce dispositif. Une première étude a permis de caractériser le comportement au fluage isotherme de gaines vierges en atmosphère inerte sous scénario simulant un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans le domaine alpha et le début du domaine biphasé [1]. Une seconde étude a mis en évidence l’influence de l’état initial (gaine préoxydée) et de l’atmosphère oxydante (Argon + O2) sur le comportement au fluage en APRP à 800°C [2].
Enfin, l’étude de transitoires thermiques rapides caractéristiques des accidents d’injection de réactivité (RIA, Montée en température de l’ordre de 1000°C.s-1) a permis de mettre en évidence l’influence du changement de phase hors équilibre sur le comportement au fluage isotherme depuis la fin du domaine α jusqu’au domaine β de l’alliage [3].

Campello D., Thèse de doctorat, INSA-LYON, 2016
Djeumen Nkwechen E. B., Thèse de doctorat, INSA-LYON, 2022
Jailin T., Thèse de doctorat, INSA-LYON, 2020

Le procédé de fabrication additive WAAM (wire-arc-additive-manufacturing), dérivé du procédé de soudage à l’arc, est plébiscité car il permet notamment la réalisation de pièces massives. Il tend cependant à produire des macrostructures de grains colonnaires texturées, menant à une anisotropie de comportement mécanique. Peu de travaux ont été menés à ce jour sur l’impact des paramètres du procédé sur les microstructures formées, ainsi que sur leur comportement mécanique, notamment en fatigue. Dans ce contexte, la fabrication WAAM, et l’étude des structures métallurgiques et des comportements mécaniques des matériaux obtenus,

notamment en phase d’initiation à la fatigue, ont été réalisées. Les matériaux de base choisis sont l’acier inoxydable 316L et l’alliage de titane TA6V. Dans un premier temps, la fabrication d’éprouvettes par empilement de mono-cordons a été réalisée. L’impact du réglage des paramètres du procédé et ses conséquences physiques (caractéristiques électriques de l’arc, températures, taille du bain), mesurées par le biais d’une instrumentation in-situ, sur les géométries obtenues (taille de cordons, qualité du mouillage), a été analysé. Dans un second temps, l’impact des jeux de paramètres sur les caractéristiques des structures granulaires formées, ainsi que sur les particularités des sous-structures, a été étudié en lien avec les données physiques récoltées. Les phénomènes de solidification et d’évolution en phase solide propres au procédé WAAM, différents pour chacun des deux matériaux étudiés, ont été discutés. L’application de traitements thermiques a permis l’obtention de matériaux différents des états bruts (proportions de phases, tailles des sous-structures…). Le comportement mécanique des structures fabriquées par WAAM a ensuite été étudié par le biais d’essais de traction, de cyclage par paliers de charges, et enfin de fatigue. Ces essais sont complémentaires, et permettent d’appréhender les phénomènes de déformation plastique et d’initiation de fissures en fatigue. Ces analyses ont été menées dans un cadre thermomécanique : des champs d’énergies de déformation et de sources de chaleur sont estimés après traitement d’images CCD et infrarouge. L’évolution de la dissipation intrinsèque témoigne de phénomènes irréversibles d’endommagements. Ces analyses ont permis de révéler des différences de comportements selon

la direction de chargement et les microstructures générées. Les calculs de champs de déformation et de dissipation ont permis d’identifier les zones favorisant la déformation et l’endommagement de fatigue au sein des éprouvettes. Ils contribuent à une meilleure compréhension des comportements des matériaux, et de l’influence des caractéristiques microstructurales induites par les réglages du procédé.

Concrete, the most ubiquitous material, is a nano-structured, multi-phase, composite material that ages over time. It is composed of an amorphous phase, nanometer to micrometer size crystals, bound water, and wide range of porosity. The properties of concrete exist in, and the degradation mechanisms occur across, multiple length scales (nano to micro to macro) where the properties of each scale derive from those of the next smaller scale. The amorphous phase, calcium-silicate-hydrate (C–S–H) is the “glue” that holds concrete together and is itself a nanomaterial. Viewed from the bottom up, at the nanoscale concrete is a composite of molecular assemblages, surfaces (aggregates, fibers), and chemical bonds that interact through local chemical reactions, intermolecular forces, and intraphase diffusion. There is strong evidence that the processes occurring at the nanoscale ultimately affect the engineering properties and performance of the bulk material.
Nanotechnology has changed our vision, expectations, and abilities to control the material world. These developments will greatly affect modern construction and the field of cement-based materials. Despite these developments, the nanotechnology is still in its pre-exploration stage; it is just emerging from fundamental research onto the industrial floor; thus, the full-scale applications in concrete are still limited. Yet, the tremendous potential of nanotechnology to improve the performance of concrete is most promising.

Main Directions:
Recognize the opportunities with new nano-engineered concrete.
Identify appropriate production methods and suitable applications for concrete with nanoparticles/nanofibers.
Compare the performance of nanoparticles/nanofibers in concrete.
Analyze the assumptions and common misconceptions related to nanotechnology of concrete.
Recognize the environmental issues related to application of nanomaterials in concrete