Brevet FR2001997A1 — publié le 19691003

i La préeente invention est relative à-des.procédés de brasage du zirconium, et plus particulièrement à des moyens de bxcisage au béryllium de petites pièces en alliage de zirconium sur des pièces plus çrandes écale^ent en alliage de zirconiura» 5 Suivant Ja pratique actuelle, les éléments de combus tible nucléaire sont normalement revêtus d'un alliage de zirconium connu sous le nom de zircaloy. Quand on assemble des éléments de combustible nucléaire, il est nécessaire de maintenir les éléments à distance les uns des autres au moyen de pièces 10 d'écartement qui sont de petites pièces "en alliage dit zircaloy qui sont souvent désignées sous le nom cfespaceurs. Le brasage de ces petites pièces sur le tube en alliage de zirconium qui doit contenir le combustible nucléaire constitue, à présent, une opération relativement longue, car il faut braser un certain nombre 15 de pièces d'écartement de ce genre sur chaque élément de combustible, et parce qu'une charge d'un réacteur peut contenir des milliers de pièces d'écartement de ce genre « On voit par conséquent que le coût du brasage de pièces d'écartement à leur emplacement peut représenter une somme importante» 20 L'alliage de brasage normalement utilisé est un composé de béryllium et de zirconium d'une forme approximativement exprimée par Zr 5 w/o Be0 Cet alliage fond à une température d'en-viron 1C30°C, et on peut obtenir un brasage très satisfaisant par soudure par points d'une tôle ou d'un fil d'alliage sur le côté 25 ou en dessous de la cièce, et en procédant ensuite à un chauffage par induction ce l'élément combustible ainsi que de la pièce d'écartement, jusqu'à ce que l'alliage coule dans le joint entre l'espaceur et le tube. Ce procédé est entièrement satisfaisant du point de vue des résultats. On réalise ces joints sains et 30 bons, mais la formation et la mise en place préalable de l'alliage est une opération très coûteuse qui la rend peu pratique pour une production de grand volume» A titre de variante de ce procédé, on a mis au peint une technique dans laquelle on applique une mince couche de béryllium 35 sur la pièce à assembler, c'est-à-dire sur la pièce d'écartement, contre la face qui doit *tre. brasée sur l'élément de combustible. On soude ensuite la pièce d'écartement par points sur l'élément combustible, puis on fait chauffer l'ensemble de façon à le porter à la température de.brasage. A la température eutectique, le . 69 03939 béryllium s'allie avec le zirconium, c'est-à-dire à une température d'environ 980oCo Si on continue alors de chauffer, jusqutà la température de fusion de 1030°, l'alliage réalisé tend à remplir l'intervalle compris entre la pièce d'écartement et l'élément 5 combustible. Ce procédé présente toutefois des inconvénients. Tout d'abord, pour que l'intervalle compris entre la pièce d'écartement et l'élément combustible se remplisse complètement, il faut que l'élément combustible et la pièce d'écartement s'adaptent 10 bien l'un sur l'autre. Un léger céfaut d'alignement ou une mauvaise adaptation peut aboutir à un joint ou à des joints incomplets ou à des joints présentant des vides intérieurs. Le soudage par points des éléments en place lorsque le béryllium a été appliqué en couche sur leur surface pose également certains problèmes, 15 étant donné que le béryllium est un bon conducteur du courant électrique. Il est nécessaire que le courant ait une densité éJs/ée pour que le soudage par points tende également à provoquer une expulsion de matière hors, du tube de l'élément combustible. De plus, la formation de l'alliage demande la dissolution du zirco-20 niuin dans le béryllium, et ceci peut provoquer une pénétration indésirable de la brasure, étant donné qu'une partie du zirconium doit provenir du tube de l'élément combustible. L'amincissement qui en résulte pour le tube peut être nuisible, en provoquant un affaiblissement de l'élément combustible à l'emplacement de la 25 piec-. d'écartement. La solution de tous les problèmes ci-dessus indiqués est fournie par la présente invention, par mise en place du béryllium en un point situé en dehors du joint compris entre la pièce d ' rcarter.ent et le tube de l'élément combustible, soudure par 3G point ce la pièce d'écartement sur ou contre le tube de l'élément comoustible et chauffage pour permettre au béryllium de couler depuis son emplacement d'origine jusque dans l'espace situé sous la pièce d'écartement. Mais l'écoulement ne se produit qu'après que le béryllium s'est allié au zirconium. Ainsi, l'extraction 35 au zirconium se fait aux dépens de la pièce d'écattement, plutôt qu'aux uéoens du tube. Comme le béryllium ne se trouve pas, à l'origine, dans le joint, la soudure par point de la pièce d'écartement sur le tube en alliage de zirconium convient mieux® On obtient certains autres avantages quand on place le béryllium 69 03939 3 •en des endroits autres que la face de la pièce d'écartement qui doit appuyer contre le tube de l'élément combustible» L'invention va être comprise plus clairement par la description suivante faite en regard des dessins joints dans 5 lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un élément combustible nuc.l éaire ; la figure 2 représente la technique antérieure ; la figure 3 représente la technique antérieure ; 10 la figure 4 est une représentation de la pièce d'écar— tement cdnforme à la présente invention ; la figure 5 est une autre représentation, à une échelle plus grande, de la pièce d'écartement» A la figure 1 est représenté un élément combustible 15 comportant un tube en alliage de zirconium désigné par 10, sur lequel on a placé une série de pièces d'écartement 11. Ces pièces d'écartement maintiennent le tube à l'écartement convenable lorsque les tubes sont disposés en faisceaux, et, comme ils sont exposés à une température élevée, eau sous haute pression ou li-20 quides de refroidissement analogues, leur assemblage avec le tube de combustible doit être tel qu'il ne favorise pas l'érosion en raison d'un brasage défectueux et de creux entre la pièce d'écartement et l'élément combustible» A la figure 2, on voit que, conformément à la technique 25 antérieure, il était de pratique courante de souder par points une pièce d'écartement 11 sur le tube 10 et ensuite de mettre en place, par exemple par soudure autogène, un petit fil en alliage de béryllium et de zirconium, désigné par 12, sur l'un des côtés de la pièce d'écartement. On plaçait ensuite l'ensemble dans le 30 vide et on le faisait chauffer jusqu'à ce que le fil d'alliage 12 devienne liquide et s'écoule en dessous de la pièce d'écartement par l'effet de la capillarité, remplissant ainsi l'intervalle compris entre la pièce d'écartement et le tube. Le résultat final est représenté en b dans la figure 2» 35 On voit que l'alliage a coulé de manière à remplir de façon égale l'intervalle et qu'il fournit un bon joint avec des congés bien -formés. Le résultat est constitué par un joint très satisfaisant^ mais il est coûteux à obtenir, par suite de la dépense entraînée par la mise en place des éléments d'alliage." 69 03939 4 *• fSy t*; ZOU ! VV/ En a de la figure 3, on peut voir une variante qui a été utilisée lorsque l'élément 11 était revêtu sur sa face d'une couche de béryllium désignée par 13» Après chauffage, le résultat est celui qui est représenté en b dans la figure 3. L'intervalle 5 entre l'élément 11 et le tube 10 est représenté à l'état rempli de l'alliage, mais on remarquera que l'alliage pénètre dans l'épaisseur de la paroi du tube, réduisant ainsi l'épaisseur effective de la paroi et affaiblissant le tube, étant donné que l'alliage de béryllium avec le zirconium n'offre pas la même résis-10 tance mécanique que l'alliage de zirconium d'origine utilisé dans la fabrication du tube. Dans ce cas également, on remarquera qu'on dispose habituellement d'une quantité insuffisante d'alliage de béryllium avec le zirconium pour remplir entièrement l'intervalle# La base de la brasure n'est pas bien remplie, les congés tendent 15 à être incomplets, en donnant naissance à des crevasses ou à des intervalles qui favorisent la corrosion en présence des fluides à haute température. En a. de la figure 4 et à la figure 5, on a représenté des pièces d'écartement conformes à la présente invention. La 20 pièce d'écartement 11 est revêtue de béryllium sur ses deux côtés# Les couches de revêtement sont désignées par 14 et 15. On voit que la pièce d'écartement 11 est soudée par point au tube 10, et, pour faciliter cette opération, une petite saillie a été réalisée sur la pièce d'écartement, comme cela est repré— 25 senté plus clairement en ç_ de la figure 5. La saillie est désignée par 16. Si on place alors dans le vide l'élément avec sa pièce d'écartement et si on le porte à la température de brasage, le béryllium s'allie au zirconium dans la pièce d'écartement et forme un alliage de brasage liquide qui coule en dessous de la 30 pièce d'écartement et remplit l'intervalle par l'effet de capillarité, et, ainsi qu'on peut le voir en b dans la figure 4, il forme une brasure très satisfaisante, remplissant entièrenent l'intervalle entre la pièce d'écartement 11 et le tube 10 et en formant un bon congé régulier sur les bords. 35 Grâce au fait que l'alliage se forme sur les côtés de la pièce d'écartement avant de couler dans l'intervalle, il n*y a pas formation d'alliage du zirconium dans le tube 10 avec le béryllium, et l'extraction de zirconium au dépens des pièces se 69 03939 5 produit exclusivement le long des faces^Latérales de la pièce d'écartement 11» Ainsi qu'on le voit en ç_ dans la figure 5, la pièce d'écartement 11 est incurvée, de manière à se conformer à la courbure 5 du tube 10. Les côtés sont revêtus de béryllium en 14 et 150 La face inférieure est profilée de manière à former une paire de conduits ou rainures 17 et 18 et à aonner naissance à une saillie 16. La saillie 16 facilite le soudage par point de la pièce sur le tube, et les rainures 17 et 18 aident à guider l'alliage vers 10 le centre du joint et à assurer une répartition uniforme de l'alliage. Le béryllium à l'état finement divisé est une matière très dangereuse, et le traitement des pièces d'écartement doit se faire de manière à réduire le risque de formation de fines particules de béryllium divisé. 15 Dans les pièces d'écartement représentées dans la figure 3, la pratique courante consistait à former des bandes de zirca-loy, à revêtir la face du zircaloy de béryllium et à obtenir les pièces d'écartement par emboutissage. Le résultat consistait en un gaspillage de béryllium, et aussi en une formation indésirable 20 de particules finement divisées de béryllium pendant l'opération d'emboutissage, qu'il fallait assurer dans une ambiance strictement fermée, de manière à éviter l'inflammation de la poussière» Avec la présente invention, on surmonte largement ces difficultés. Les pièces d'écartement 11 sont obtenues a partir 25 d'un fil, par une opération simple de découpage, sur- ce fil, de courtes longueurs de ce dernier et ensuite par une opération d'empreinte, pour former les rainures 17 et 18 et la saillie 16 et obtenir la courbure désirée, le fil étant au début un fil à section transversale sensiblement rectangulaire0 L'ensemble de l'opéra-30 tion de découpage et d'empreinte peut se faire au moyen d'une opération unique et progressive à la matrice, avec une entrée du fil à une extrémité, et, par l'autre extrémité, une sortie des pièces d'écartement conformées. Ensuite, on empile les pièces d'é-carteraent de manière à ,-xposer leurs bords dans des bâtis appro-35 priés qui tiennent les pièces d'écartement simplement par leur extrémité. On place ensuite les piles de pièces d'écartement dans une chambre à(vide où ces piles peuvent être placées rapidement autour d'un centre commun à l'intérieur d'un moule, ou sous la 69 03939 6 2ti forme qui peut être désignée par le terme de carroussel, et de cette façon toutes les piles et toutes les pièces d'écartement sont à égale distance du centre, où on vaporise le béryllium. Le aépôt de oéryllium par condensation de sa vapeur, qui est une opé— 5 ration bien connue, a lieu dans la chambre à vide, et on peut traiter ensemble une grande quantité de pièces d'écartement» Il n'y a pas d'autre opération d'usinage des pièces d'écartement après l'application du revêtement de béryllium, par conséquent il n'y a pas de risque de formation de particules finement 10 d iviseee de béryllium. On voit que ce mode d'obtention offre un avantage très réel en réduisant le danger qu'offre l'exposition des travailleurs aux poudres de béryllium0 On voit également que les arêtes de la pièce d'écartement 15 11 ont été chanfreinées aux angles extérieurs du bas de cette pièce. Ainsi que cela a été indiqué, la pénétration du courant formé par l'alliage à l'intérieur du joint entre la pièce d'écartement et le tube se fait par l'effet de la capillarité, et on conçoit que des angles vifs peuvent être nuisibles à l'établis-20 sement de ce courant. L'expérience a montré qu'on peut obtenir une amélioration de l'écoulement de l'alliage si 1'.aigle inférieur de la pièce d'écartement n'est pas un angle vif à l'endroit du joint. 69 03939 7 • * «C. •- REVENDICATIONS 1. Pièce d'écartement destinée à être brasée sur un tube en alliage de zirconium, Caractérisé par le fait qu'elle est constituée d'une petite plaquette en alliage de zirconium d'une épaisseur apte à réaliser l'intervalle désiré et présentant des parois 5 latérales sensiblement perpendiculaires à sa face à braser sur le tube, et qu'elle porte une couche de béryllium sur une partie au moins desdites parois latérales, 2. Pièce d'écartement selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle présente près dû centre de sa face une 10 saillie qui peut être soudée par point sur le tube. 3. Pièce d'écartement selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'elle présente une rainure pratiquée' dans sa face entre au moins une paroi et un point voisin du centre de cette face» 15 4. Procédé de fabrication d'une pièce d'écartement en alliage de zirconium, destinée à être brasée sur un tube en alliage de zirconium, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les opérations consistant à découper, par sectionnement^ un fil de zirconium, d'un diamètre approprié, en morceaux de la 20 longueur appropriée h donner aux pièces de fil obtenues par découpage la forme appropriée par une opération d'empreinte, cette forme comprenant une face incurvée destinée a s'adapter sur ledit tube, une saillie près du centre de cette face et une rainure joignant cette saillie à l'une au moins des parois latérales, 25 l'opération de superposition desdites pièces les unes sur les autres de façon que leurs parois latérales soient exposées sur la majeure partie de leur étendue, et l'opération de dépôt sous vide, sur lesdites parois latérales, d'une quantité suffisante de béryllium pour se combiner avec une partie du zirconium et la formation 30 a haute température d'un alliage-de brasage qui soit capable de réaliser l'assemblage de ladite pièce d'écartement avec ledit tube • 5» Procédé de brasage d'une pièce d'écartement en alliage de zirconium sur un tube en alliage de zirconium, caractérisé 35 par le fait que ce procédé comprend l'opération de dépôt d'une certaine quantité de béryllium sur les parois latérales de cette pièce d'écartement, le soudage par point de cette pièce d'écartement sur ledit tube, le chauffage des pièces, ainsi assemblées, 69 03939 8 2.:"" 17 i à l'intérieur d'un vide jusqu'à ce que le béryllium s'allie avec une partie du zirconium précité et s'écoule en dessous de ladite pièce d'écartement en remplissant l'intervalle compris entre la face de cette pièce d'écartement et le tube«