Qu’est-ce que le stress de pression et de température – Définition

Les contraintes de pression sont des contraintes induites dans des récipients contenant des matériaux sous pression. Le chargement est fourni par la même force produisant la pression. Les contraintes thermiques existent chaque fois que des gradients de température sont présents dans un matériau. Des températures différentes produisent des dilatations différentes et soumettent les matériaux à des contraintes internes. Ce type de contrainte est particulièrement sensible dans les mécanismes fonctionnant à haute température et refroidis par un fluide froid. Ces contraintes peuvent être constituées d’ une contrainte de traction , qui est une contrainte résultant de forces agissant dans des directions opposées tendant à séparer un matériau, et d’une contrainte de compression., qui est une contrainte résultant de forces agissant dans des directions opposées tendant à rapprocher un matériau. Ces contraintes, de nature cyclique, peuvent conduire à une rupture par fatigue des matériaux.

La cuve et les tuyauteries du réacteur sont en revanche soumises à de fortes variations de charge, mais la fréquence des cycles est faible; par conséquent, une ductilité élevée est la principale exigence pour l’acier. Les manchons thermiques sont utilisés dans certains cas, tels que les buses de pulvérisation et les lignes de surtension, pour minimiser les contraintes thermiques. Les limites de taux de chauffage et de refroidissement sont basées sur l’impact sur la durée de vie future de la centrale en fatigue. Les limites d’échauffement et de refroidissement garantissent que la durée de vie en fatigue de la centrale est égale ou supérieure à la durée de vie opérationnelle de la centrale. De plus, les modifications de conception de l’usine incluent par exemple le chauffage des réservoirs d’eau ou des puisards du système de refroidissement d’urgence du cœur (ECCS) afin de réduire la différence de température entre l’eau injectée et le matériau de la RPV.

Un problème de sûreté qui est un problème à long terme provoqué par le vieillissement des installations nucléaires est le choc thermique sous pression (PTS). Le PTS est le choc subi par un récipient à paroi épaisse en raison des contraintes combinées d’un changement rapide de température et/ou de pression.

Référence spéciale: Reactor Pressure Vessel Status Report, US NRC. NUREG-1511. Bureau de réglementation des réacteurs nucléaires US Nuclear Regulatory Commission, Washington, 1994.

Limites de pression et de température (P/T)

Les limites de pression et de température (P/T) sont des courbes limites définies dans les spécifications techniques de l’usine. Chaque courbe limite P/T définit une région acceptable pour un fonctionnement normal. 10 CFR 50, Appendice G, exige l’établissement de limites P/T pour les exigences spécifiques de ténacité à la rupture des matériaux des enveloppes sous pression. Les limites PT sont dérivées sur la base d’analyses de la mécanique de la rupture élastique linéaire (LEFM). Dans ces analyses, la température minimale nécessaire pour assurer des marges adéquates contre la défaillance de la RPV est déterminée en fonction de la pression.

Les P/T sont basés sur les limites de contrainte de la cuve du réacteur et de la tête et sur la nécessité d’empêcher la rupture fragile de la cuve du réacteur et de la tête. L’utilisation habituelle des courbes est le guidage opérationnel pendant les manœuvres de chauffage ou de refroidissement, lorsque les indications de pression et de température sont surveillées et comparées à la courbe applicable pour déterminer que le fonctionnement se situe dans la plage autorisée. Les courbes utilisées par les opérations intègrent également l’erreur instrumentale pour assurer une marge de sécurité adéquate. En raison des effets de fragilisation de l’irradiation neutronique, la courbe MPT se déplacera vers la droite au cours de la durée de vie du cœur pour tenir compte de l’augmentation de la fragilité ou de la diminution de la ductilité.

Choc thermique sous pression – PTS

En général, le choc thermique est une charge mécanique causée par un changement rapide de température d’un certain point. Le changement de température provoque des contraintes sur la surface qui sont en tension, ce qui peut favoriser la formation et la propagation de fissures. Habituellement, les matériaux céramiques sont généralement sensibles aux chocs thermiques, mais dans certaines circonstances, les récipients sous pression souffrent également de chocs thermiques. Avec le chauffage (ou le refroidissement) rapide d’une cuve à paroi épaisse telle que la cuve sous pression du réacteur, une partie de la paroi peut essayer de se dilater (ou de se contracter) tandis que la section adjacente, qui n’a pas encore été exposée au changement de température, essaie pour le retenir.

Choc thermique sous pression, PTS, désigne un événement ou un transitoire dans les réacteurs à eau sous pression (REP) provoquant un surrefroidissement important (choc thermique) simultané ou suivi d’une pression importante dans la cuve du réacteur. Dans ce scénario d’accident, de l’eau froide pénètre dans un réacteur alors que la cuve est sous pression. Cela refroidit rapidement la cuve et exerce d’importantes contraintes thermiques sur l’acier. De graves événements de surrefroidissement du système de réacteur qui pourraient s’accompagner d’une pressurisation ou d’une repressurisation de la cuve du réacteur peuvent résulter de diverses causes. La pression dans le système de réacteur augmente la sévérité du choc thermique en raison de l’ajout de contrainte due à la pression. Les transitoires, qui combinent une pression élevée du système et un choc thermique sévère, sont potentiellement plus dangereux en raison de l’effet supplémentaire des contraintes de traction à l’intérieur de la paroi de la cuve du réacteur. Les transitoires liés au PTS incluent:

• vannes bloquées dans le circuit primaire,
• vannes bloquées dans le circuit secondaire,
• les petits accidents de perte de fluide caloporteur avec injection consécutive d’eau du système de refroidissement de secours du cœur (ECCS),
• ruptures de conduites de vapeur principales,
• ruptures de conduite d’eau d’alimentation.

Le NRC a créé 10 CFR Part 50.61 et 50.61a – la « règle PTS » et la « règle PTS alternative » – ​​pour garantir que l’acier du navire reste suffisamment solide pour protéger l’intégrité du navire. Ces règles nécessitent des évaluations supplémentaires ou d’autres actions si la fragilisation atteint certaines limites.

RT _END = RT _END(U) + M + ΔRT _END

 où:

• RT_NDT désigne la température de référence pour un matériau de la cuve du réacteur, dans toutes les conditions. Pour les matériaux du fond de cuve du réacteur, la RTNDT doit tenir compte des effets du rayonnement neutronique.
• RT_NDT(U) désigne la température de référence pour un matériau de la cuve du réacteur à l’état avant service ou non irradié.
• ΔRT_NDT est l’augmentation de RT_NDT causée par l’irradiation
• M est une marge ajoutée pour couvrir les incertitudes sur les propriétés initiales, les teneurs en cuivre et nickel, la fluence et les procédures de calcul. Plus les quantités de cuivre, de nickel et de fluence neutronique sont élevées, plus l’augmentation est importante.

Tant que la ténacité à la rupture du matériau de la cuve du réacteur est relativement élevée, de tels événements ne menaceront pas l’intégrité de la RPV. Cependant, la ténacité à la fracture des matériaux de la cuve du réacteur diminue avec l’exposition aux neutrons rapides pendant la durée de vie d’une centrale nucléaire. Si la ténacité à la rupture du matériau de la cuve a été suffisamment réduite, des événements PTS graves pourraient provoquer la propagation de petits défauts qui pourraient exister près de la surface intérieure de la cuve. Le défaut initial supposé pourrait se propager dans une fissure à travers la paroi de la cuve d’une étendue suffisante pour menacer l’intégrité de la cuve et, par conséquent, la capacité de refroidissement du cœur.

Bien que le PTS n’affecte pas les réacteurs à eau bouillante, il existe des conditions très limitées dans lesquelles ces récipients pourraient surpressuriser à basse température.

Référence spéciale: NUREG-1511, Reactor Pressure Vessel Status Report. Commission de réglementation nucléaire des États-Unis, Washington, DC, 1994.

Référence spéciale : DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK MATERIAL SCIENCE Volume 2 of 2, DOE-HDBK-1017/2-93, Washington, DC, 1993.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Matériaux de centrale électrique