Brevet FR2257981A1 — publié le 19750808

La présente inventionest relative à un matériau apte à entrer dans la réalisation d'éléments de structure tels que les gaines d'aiguilles combustibles ou les boitiers d'assemblXages regroupant des faisceaux de telles aiguilles, utilisés dans le coeur d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. On sait que dans les réacteurs de ce genre, le coeur formé par la juxtaposition de boitiers d'assemblages contenant des aiguilles gainées de matière fissile ou fertile, est refroidi par circulation d'un métal liquide, généralement du sodium, dont la température varie entre l'entrée et la sortie du coeur entre 400 ét 5000C. Dans les réalisations actuellement connues, on utilise pour constituer le gainage de ces aiguilles et les boîtiers des assemblages, un matériau à la fois mécanique- ment résistant, peu sensible à la corrosion par le métal de refroidissement et présentant une section de capture pour les neutrons limitée. Dans ce but, on a adopté jusqu'à ce jour diverses nuances d'acier inoxydable, à base de fer, de chrome et de nickel.Or, on constate que l'irradiation de ces aciers par les neutrons rapides lors du fonctionnement du réacteur, entraîne dans l'intervalle de température considéré, l'apparition de défauts notables dans le réseau cristallin de l'acier ou de l'alliage utilisé. Ces défauts , dus notamment aux déplacements des atomes des composants de l'alliage sous le choc des neutrons du flux incident, se manifestent par la présence de cavités dont le nombre et la taille augmentent au cours de l'irradiation et qui produisent une variation dimensionnelle de l'élément considéré, conduisant notamment à un gonflement qui risque d'entrainer des déformations globales dont les conséquences peuvent être graves, surtout pour les réacteurs de grande puissance envisagés actuellement.Par ailleurs, les expériences d'irradiation effectuées sur du fer seul ou pour du nickel seul, ont permis de constater que ces matériaux subissaient aussi ce même effet en dehors des autres insuffisances de leurs propriétés mécaniques, pour l'utilisation envisagée. La présente invention a pour objet un matériau de structure dont les caractéristiques lui permettent de pallier les inconvénients du gonflement mentionnés ci-dessus, tout en conservant les autres qualités requises, notamment du point de vue de ses propriétés mécaniques et chimiques. De façon plus précise, l'invention concerne l'application nouvelle d'un matériau d'un type particulier à la réalisation d'éléments de structure pour réacteur nucléaire à neutrons rapides, application dans laquelle le matériau considéré produit un résultat inattendu dans les circonstances spécifiques de sa mise en oeuvre. A cet effet, l'invention consiste à réaliser lesdits éléments de structure pour réacteur à neutrons rapides, à partir d'un alliage de nickel et d'au moins un corps M choisi dans le groupe du fer et du silicium, dans des proportions pondérales telles que l'irradiation par les neutrons rapides conduise à la formation du composé Ni3M, sans gonflement dimensionnel appréciable desdits éléments. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, en vue d'augmenter sa tenue mécanique à chaud et sa résistance au fluage et à la corrosion, l'alliage incorpore avantageusement du chrome et/ou du molybdène. Dans le cas ou l'alliage considéré est formé principalement de nickel et de fer, la teneur pondérale de ce dernier corps sera de préférence comprise entre 20 et 70%, bien qu'une teneur de 10% produise déjà des effets significatifs quant à la réduction du gonflement sous irradiation. Dans le cas où l'alliage est composé de nickel et de silicium, la teneur en silicium est de préférence supérieure à 0,5% en poids et inférieure à 10%, L'élaboration des alliages considérés à partir de leurs constituants n'offre pas de difficultés majeures et peut s'effectuer par toute méthode classique et en elle-même bien connue.Notamment, il n'est pas nécessaire d'élaborer l'alliage à partir de matières premières tres affinées, les impuretés qu'elles contiennent en quantité qui reste néanmoins toujours limitée n'ayant pas d'effets nuisibles quant aux variations dimensionnelles sous irradiation par les neutrons, seuls étant exclus certains corps présentant une section de capture notable, tel que le bore par exemple. Avant irradiation, les alliages réalisés ne contiennent pas de composés Ni3-M, ces derniers apparaissant seulement en cours de l'irradiation et subsistant ensuite lorsque cette dernière est interrompue. En d'autres termes, la structure de l'alliage initial est profondément modifiée par l'irradiation. Les alliages de nickel et d'un corps M choisi parmi le fer, le silicium, dans un domaine de température s'étendant entre 400 et 5000, sous une irradiation par des neutrons rapides, subissent en effet, comme le montrent l'expérience et les essais effectués par le demandeur, une transformation de structure aboutissant à un arrangement global contenant des précipités plans en relation de semi-cohérence dans le reste de la matrice, ces précipités étant assimilables à des lignes de dislocations dont l'étendue croit avec l'irradiation, ces lignes constituant de manière en elle-même connue, un lieu préférentiel de recombinaison des interstitiels et des lacunes -avec empêchement de groupement de ces dernières et croissance de cavités conduisant à un gonflement préjudiciable.Si ces précipités sont en nombre suffisant et ont des dimensions convenables, il est apparu de façon surprenante que les alliages irradiés ne présentent plus aucune cavité interne et par conséquent ne conduisent à aucune variation dimensionnelle dommageable pour les éléments de structure qu'ils servent à réaliser, du genre notamment des gaines d'aiguilles combustibles ou des boîtiers d'assemblages formés par des faisceaux de telles aiguilles. Ainsi, les alliages considérés, incorporant après irradiation le composé Ni3-M, sont tels que même pour des doses de neutrons plus élevées, il ne se produit aucune cavité de grandes dimensions susceptible de conduire à une augmentation de volume du matériau utilisé, la structure obtenue étant stable puisqu'elle résulte elle-même directement de l'irradiation. On donne ci-après, à titre d'exemples uniquement indicatifs, un tableau fournissant la composXtion en pourcentages d'alliages selon l'invention, n'ayant subi aucune variation de volume après irradiation sous un flux de 5.10 22 /cm2, effectue entre 450 et 5000C. I / Ni 48 Fe 45 Cr 5 Mo 1,5 Si 0,5 Il / Ni 70 Fe 21 Si 4 Cr 4 Mo 1 III/ Ni 50 Fe 50 Iv / Ni 96 Si 4 V / Ni 99,5 Si 0,5 VI / Ni 48 Fe 45 Cr 7 Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus; elle en embrasse au contraire toutes les variantes dans les proportions générales indiquées. REVENDICATIONS 1. éléments de structure pour réacteur à neutrons rapides , caractérisés en ce qu'ils sont réalisés à partir d'un alliage de nickel et d'au moins un corps M choisi dans le groupe du fer et du silicium, dans des proportions pondérales telles que l'irradiation par les neutrons rapides conduise à la formation du composé Ni3-M, sans gonflement dimensionnel apprécia- ble desdits éléments. 2. éléments de structure selon la revendication 1, caractérisés en ce que l'alliage incorpore du chrome et/ou du molybdène. 3. Eléments de structure selon la revendication 1, dans lesquels l'alliage est formé de nickel et de fer, caractérisés en ce que la teneur pondérale en fer est comprise entre 20 et 70%. 4. Eléments de structure selon la revendication l, dans lesquels l'alliage est formé de nickel et de silicium, caractérisés en ce que la teneur pondérale en silicium est comprise entre 0,5% et 10%.