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Comportement des joints en élastomère dans les emballages de transport de matière radioactive

Matériaux et applications Physique de l’état condensé, chimie et nanosciences Physique du solide, surfaces et interfaces Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

Le comportement mécanique et en étanchéité des joints en élastomère est un enjeu essentiel pour la sûreté des emballages de transport de matières radioactives [1], [2]. Les joints doivent en effet assurer l’étanchéité de l’enceinte de confinement dans une large gamme de température afin de garantir le confinement des gaz et matières radioactifs y compris en conditions accidentelles.

A -40°C, le taux de compression du joint torique assurant l’étanchéité du couvercle doit rester suffisant ce qui implique que son diamètre soit élevée par rapport à la hauteur de la gorge [3]–[6]. Au contraire, à haute température, on cherche à éviter que le volume du joint n’excède celui de la gorge de manière à prévenir son extrusion éventuelle. De plus, la déformation rémanente après compression (DRC), ou inaptitude du joint à revenir à sa position initiale après compression, doit aussi être prise en compte [7], [8].
Ces deux critères sont difficiles à concilier et le dimensionnement de l’ensemble gorge/joint ne peut être que le résultat d’un compromis puisque ces exigences s’opposent. Il est ainsi parfois impossible d’éviter que le volume du joint ne dépasse celui de la gorge d’autant plus si le joint est soumis à une température élevée (e.g. 250°C).
Dans ce cas, l’élastomère étant considéré comme un matériau incompressible, l’extrusion se produira si un jeu est présent et offre au joint un volume pour se dilater [9]–[12]. Ce phénomène aboutit généralement à la perte de l’intégrité physique du joint.
Toutefois, dans les emballages de transport, l’assemblage entre la bride et le couvercle de confinement n’offre généralement pas de jeu au joint pour se dilater ne permettant donc pas son extrusion.
Or, le comportement à haute température d’un joint dans un volume contraint est très peu documentée dans la littérature scientifique [7]. Ainsi, on ignore si l’élastomère peut devenir compressible ou s’il est au contraire capable de soulever ou déformer la gorge et/ou le couvercle métallique de l’assemblage, nuisant ainsi à l’étanchéité de l’emballage.

Dans ce contexte, ce sujet de thèse vise à faire progresser notre connaissance des propriétés des joints élastomères avec une approche thermomécanique (haute et basse températur) avec un focus particulier sur deux aspects : (a) mieux comprendre le phénomène d’extrusion lorsqu’un jeu est présent et (b) mieux appréhender le maintien ou la perte de la notion d’incompressibilité du matériau élastomère dans un volume contraint.

Le travail envisagé se décompose en plusieurs parties :

En collaboration avec le DTEL/SGPE, le programme d’études sera défini. Il devra être représentatif des problématiques rencontrées dans les emballages de transport du CEA : différentes nuances de joints et d’aciers, dimensions, formes de gorges, de forces de serrage, plage de température, etc.
Un protocole expérimental sera élaboré pour caractériser le comportement des joints in situ dans des assemblages vissés représentatifs offrant un jeu d’extrusion ou, au contraire, un volume contraint. Ces essais expérimentaux seront réalisés au CETIM en bénéficiant des moyens de mise en température, la conception et la réalisation de maquettes adaptées à l’étude avec leurs instrumentations, les moyens de contrôles métrologiques et étanchéité avec l’aspect mécanique en lien. Le CETIM a également une large connaissance du domaines nucléaire et notamment un REX important dans l’étude des problématiques liées aux transports matière radioactive [2], [13].

Après essais, la structure des joints sera caractérisée à l’échelle atomique, microscopique et mécanique par diverses techniques (MEB, microdureté, force de réaction…).

Ces essais seront conçus et interprétés à l’aide de simulations numériques faisant appel à une base de données fonctionnelles et matériaux afin de modéliser le phénomène d’extrusion. Avec cette méthode, et connaissant la géométrie et les propriétés des matériaux, il est en effet possible de prédire la pression limite d’extrusion à différentes températures.
Les résultats expérimentaux seront confrontés aux calculs pour optimiser le design et les paramètres des dispositifs d’essais.

Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse permettront, à terme, de faire progresser notre connaissance du comportement des joints élastomères et de leur capacité à maintenir l’étanchéité en conditions extrêmes. Ils permettront de contribuer à adopter une approche plus innovante dans la conception des emballages de transport de matière radioactive et de les rendre plus sûrs.
Enfin, le couplage entre expériences et simulations permettra de faire progresser les codes numériques utilisés pour modéliser le phénomène d’extrusion.

L’ensemble de ce travail de thèse sera réalisé grâce à plusieurs collaborations :
- CETIM de Nantes,
- DES/DDSD/DTEL/SGPE du CEA de Cadarache et
- Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé (LaMé - EA 7494) - Université de Tours
Le doctorant sera principalement basé au CETIM de Nantes mais sera amené à se rendre régulièrement au CEA de Cadarache et au LaMé de Tours selon l’avancement de chaque partie du travail.

Laboratoire

Département Transports Emballages et Logistique
Service de Gestion du Parc d’Emballages
Groupe des Autorisations Externes de Transport
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