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Technical Report NTB 92-14
Mechanical Behaviour of High Level Nuclear Waste Overpacks under Repository Loading and During Welding
Un des concepts pour l'entreposage définitif des déchets hautement radioactifs en Suisse consiste en un dépôt à une profondeur d'environ 1200 m dans le socle granitique de la Suisse septentrionale. On tient beaucoup dans ce concept aux barrières multiples qui doivent retarder le retour des radionucléides vers la biosphère et ainsi réduire leur concentration à un niveau acceptable dans la biosphère. En plus des barrières naturelles (rocher d'hôte et couches de sédiments superposées), les barrières artificielles suivantes ont été prévues: la forme vitrifiée des déchets hautement radioactifs eux-mêmes et un conteneur placé horizontalement dans l'axe du dépôt. Le conteneur est entouré de bentonite comprimée. Le conteneur doit rester étanche pendant au moins 1000 ans et isoler les radionucléides des eaux souterraines. Le remplissage en bentonite doit réduire le transport de l'eau et des particules dissoutes entre les déchets et le rocher d'hôte.
La première partie du travail présenté porte sur la participation au projet COMPAS (COntainer Mechanical Performance ASsessment). Ce projet a été exécuté en relation avec le Programme d'Energie Atomique 'Radioactive Waste Management and Disposal' de la Communauté Européenne; il se concentre sur le comportement mécanique des conteneurs d'entreposage pour les déchets hautement radioactifs. Le projet COMPAS poursuit deux buts. Le premier est de prouver que l'on peut concevoir un conteneur capable de résister aux charges géologiques dans un dépôt en grande profondeur. Le deuxième est de trouver une méthode analytique permettant de prédire le comportement des conteneurs non seulement sous cette charge géologique mais aussi sous une charge correspondant à des conditions extrêmes. Dans le projet COMPAS, un grand poids a été donné aux calculs de prédiction. Dans ce sens, les données nécessaires à un contrôle des calculs ont été préparées. Ces données ont été établies sur la base d'expériences sur modèles allant de modèles simples de forme d'anneaux jusqu'à des modèles réels et à l'échelle de forme du conteneur de la Nagra par exemple. Notre intérêt à une participation au projet COMPAS résidait dans la vérification des programmes d'éléments finis appliqués aux expériences, ces expériences ayant montré des problèmes importants à résoudre pour la conception des conteneurs.
La deuxième partie de ce travail concerne le sujet général de la fissuration par corrosion sous contrainte du conteneur de la Nagra pour l'entreposage définitif des déchets hautement radioactifs vitrifiés. Les calculs réalisés (Steag & Motor-Columbus 1984) pour le dimensionnement du conteneur fabriqué à partir d'acier coulé GS-40 montrent pour les contraintes un facteur de sécurité de 5 par rapport à la limite élastique en tension. Des questions concernant la fissuration par corrosion sous contrainte doivent cependant toujours être posées si l'on s'attend à de grandes contraintes en tension, même s'il s'agit d'un acier à basse limite élastique avec une bonne résistance potentielle contre ce type de corrosion. A la Nagra, un projet a été initié sur ce thème avec les buts suivants:
- étude du comportement de l'acier de référence à la fissuration par corrosion sous contrainte plus détaillée que dans les projets précédents et utilisation des examens de laboratoires,
- possibilité d'application de programmes pour la détermination des contraintes résiduelles de soudure et possibilité de l'élimination ou réduction de ces contraintes, et
- possibilité d'établir l'aptitude de différentes techniques pour une réduction suffisante des contraintes résiduelles de soudure.
Le point (2) est l'objet de la deuxième partie de ce travail. Après une description des priorités de l'acier coulé GS-40, le modèle unidimensionnel FIBRE sera discuté. Ce modèle devrait donner un aperçu sur les paramètres impliqués dans les calculs thermomécaniques des procédés de soudage. Les calculs thermomécaniques pour la détermination des contraintes résiduelles de soudure avec la méthode des éléments finis seront alors décrites. On présentera le déroulement des calculs, la vérification des modèles proposés pour le matériau pour ses propriétés aux hautes températures, le soudage par couches multiples et la réduction des contraintes résiduelles de soudure.
Les calculs sont faits avec le programme commercial d'éléments finis ADINA (ADINA 1984). Les résultats d'ADINA ont été utilisés comme données d'entrée au processeur ORVIRT (Bass & Bryson 1983) pour les calculs de mécanique des fissures. Il est apparu clairement pendant les travaux de simulation de soudage que la description du comportement du matériau à hautes températures nécessitait un propre modèle. Ce modèle a été introduit dans le programme d'éléments finis SOLVIA (SOLVIA 1987). SOLVIA a été déduit de la version 84 du programme ADINA.
Le travail présenté permet de tirer les conclusions suivantes:
- Le programme commercial d'éléments finis ADINA est approprié pour faire les analyses de contraintes pour les conteneurs de déchets hautement radioactifs pour leur entreposage définitif en grande profondeur ainsi que pour le soudage.
- Il a été montré avec le programme d'éléments finis ADINA que le comportement des conteneurs peut être simulé avec un degré de précision au dedans des valeurs limites réalistes d'ingénieur. Les travaux de validation et de vérification réalisés dans le projet COMPAS incluent le fluage transitoire, les problèmes de mécanique des fissures et les flambages. Les expériences ont été simulées avec des modèles à deux et trois dimensions pour lesquels un comportement élasto-plastique du matériau a été supposé et les grands déplacements considérés. Le modèle pour simuler le comportement du matériau à hautes températures a été vérifié par l'expérience des deux anneaux soudés électriquement.
- Les hypothèses introduites dans les calculs thermomécaniques pour la simulation du soudage sont importantes pour la forme de la pièce; elles ne le sont pas pour les contraintes résiduelles parce que ces contraintes sont grandes mais en dessous de la limite élastique. Les contraintes de tension autour de la soudure peuvent atteindre la limite élastique.
- La réduction des contraintes par chauffage après le soudage peut être conservée après le refroidissement à la température ambiante si ce refroidissement est fait de manière appropriée. Un refroidissement rapide peut produire des contraintes résiduelles élevées, qui même en considérant les effets de viscosité, ne seront pas obligatoirement réduites.