Brevet FR2302348A1 — publié le 19760924

La présente invention concerne, d'une manière générale, des matériaux pour la construction de réacteurs nucléaires et, plus particulièrement, un nouveau procédé automatique de traitement thermique de zone de conduits en alliage à base de zirconium et en vue d'augmenter la résistance de ces conduits à la corrosion occasionnée par les conditions de fonctionnement des réacteurs à eau bouillante, ainsi qu'un nouvel appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. I1 est important que les matériaux utilisés dans la construction de réacteurs nucléaires à eau bouillante n'offrent qu'une faible absorption aux neutrons thermiques, présentent une résistance satisfaisante à la corrosion, à la corrosion sous contraintes ainsi qu'une résistance mécanique convenable. Les alliages de zirconium satisfont suffisamment à ces diverses exigences pour etre largement utilisés à cette fin.Les alliages "Zircaloy-Z" (contenant environ 1, 5 % d'étain, 0, 15 g1O de fer, 0, 1 tlo de chrome, 0, 05 % de nickel et 0, 1 51O d'oxygène) et "Zircaloy-4" (ne contenant pratiquement pas de nickel et renfermant environ 0, Z % de fer, la composition étant, pour le reste, semblable à celle du Zircaloy-Z) sont deux alliages commerciaux importants utilisés couramment à cette fin. Ces alliages n'offrent cependant pas toutes les qualités souhaitables, en particulier en ce qui concerne la corrosion accélérée en "pustules" qui se produit dans les conditions de fonctionnement normal du réacteur à eau bouillante et qui se traduit par lteffritement dioxydes épais déposés sur les conduits et par l'accumulation d'oxydes sur les barres de combustibles.L'effritement des flocons d'oxydes aboutit, dans certains cas, au développement d'importants champs de rayonnement au voisinage des mécanismes de commande des barres où les flocons se rassemblent. Par ailleurs, la présence de couches épaisses d'oxyde réduit l'efficacité du transfert thermique et peut se traduire par des surchauffes locales de la gaine du combustible. Les efforts accomplis pour résoudre cette difficulté particulière n ont pas, à la connaissance de la demanderesse, débouclé sur un résultat satisfaisant bien que la question de la corrosion, en géneral, de tels alliages ait intéressé de longue date les experts dans la technique considérée. Ainsi, dans le brevet des Etats-Unis n" 3.009.706, on a proposé d'ajouter de 0, 03 à 0, 1 1O de béryllium aux alliages de zirconium destinés à l'utilisation dans des chaudieres classiques, les réacteurs à eau bouillante et les appareils similaires pour en accroître la résistance à la corrosion à l'eau à température élevée.De meme, dans les brevets des Etats-Unis n" 3.261.682 et 3.150.972, on a proposé d'utiliser le cérium et/ou l'yttrium et le calcium, respectivement, comme additifs pour alliages de zirconium, dans des proportions semblables, aux mêmes fins. La relation et l'exposé de résultats à long terme de telles modifications de composition sont cependant restreints et il n'y a pas d'alliages commerciaux de zirconium renfermant de tels additifs. La présente invention s'est fixé pour but de résoudre cette difficulté en permettant d'augmenter la durée de service des composants strùcturels des réacteurs à eau bouillante d'approximativement 100 % et plus. Le nouveau concept permettant d'atteindre ce but est basé sur la redistribution de la phase de particules dans le conduit ou autre composant de structure grâce à un nouveau traitement thermique tout à fait critique. La mise en oeuvre de ce concept, au moyen d'un procédé et d'un appareil praticables sur le plan commercial, a soulevé une nouvelle difficulté, car on ne disposait dans la technique antérieure d'aucun moyen approprié.Ainsi, la taille des pièces à traiter, et particulièrement leur longueur, ainsi que la température très élevée et la gamme relativement étroite du traitement thermique, puis le refroidissement rapide, associés au fait que la durée du traitement thermique à haute température ne doit être que de quelques secondes, constituent une combinaison de difficultés qui n'est convenablement compatible ni avec la technique du puits de rechautfage, ni avec celle du four continu, ni avec une quelconque autre technique antérieurement connue. La présente invention, tant en ce qui concerne le procédé que l'appareil, est basée sur un nouveau concept prévoyant un traitement thermique de zone d'une pièce allongée en alliage à base de zirconium, à une température très élevée, pendant un très court laps de temps puis un refroi dissenient très rapide de la pièce de telle manière qu'à l'issue de l'opération, toutes les parties de la pieceaient été soumises à la même tempétature élevée critique et aux memes vitesses de refroidissement pour conférer à toute la masse de la pince les caractéristiques microstructurelles voulues et les y maintenir.Ainsi, par exemple, on fait passer axialement une pièce allongée en alliage de zirconium au travers d'une zone chaude de longueur axiale relativement courte, à une température maximale fixée supérieure à 825 C, puis axialement au travers d'une zone "de trempe" dans laquelle on abaisse pratiquement instantanément dtau moins 125"C la température de la la pièce. En utilisant une bobine de chauffage par induction électrique en faisant passer la pièce à traiter au travers de la bobine et en maintenant la zone de température maximum à l'extérieur de la bobine, on peut faire en sorte, tandis qu'une partie longitudinale de la pièce est encore dans la bobine, de corriger les variations dans la vitesse d'augmentation de température de telle manière que la portion longitudinale atteigne la température critique maximale après avoir quitté la bobine et puisse etre refroidie de cette température à une température plus basse choisie, à la vitesse voulue. En bref, sur le plan du procédé, la présente invention consiste à déplacer en continu, axialement, la pièce en alliage de telle manière que des portions longitudinales successives de cette dernière pénètrent, traversent et quittent une bobine d'induction électrique, puis pénètrent et traversent une zone de refroidissement espacée de la bobine. Au fur et à mesure de l'accomplissement de l'opération, on détermine la température de chaque portion successive de la pièce tandis qu'elle passe dans la bobine et l'on règle l'intensité électrique à l'entrée de la bobine de manière que chaque portion successive de la pièce atteigne une température re maximale prédéterminée comprise entre 825 et ll0O0C, tandis que cette portion est déplacée dans l'espace compris entre la bobine et la zone de re froidis sement. L'appareil, selon l'invention, comprend des moyens pour l'avancement longitudinal de la pièce le long d'un trajet sur lequel se trouve une zone de chauffage, cette zone comprenant une bobine de chauffage par induction électrique ouverte à ses extrémités ayant un nombre de spires convenables et disposée de manière à recevoir et à entourer radialement une portion longitudinale de la pièce. On prévoit des moyens de détermination de la température mesurant continuellement la température d'une partie de la pièce passant à un point intermédiaire de la bobine et des moyens de commande de l'intensité électrique coopérant avec la bobine en réponse aux informations reçues des moyens de détermination de la température, pour régler l'intensité à l'entrée de la bobine et, ainsi, maintenir la température maximum de la pièce à une température présélectionnée comprise entre 825"C et 11000C. Une zone de refroidissement est disposée à lE écart de la zone de chauffage axialement sur le trajet selon lequel se dépiace la pièce pour recevoir et refroidir à une vitesse prédéterminée les portions successives de la pièce. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Fig. 1 - une vue en perspective partielle d'un appareil selon l'invention dans une forme d'exécution recommandée, montrant la pièce à traiter en place au cours de son passage dans les zones de chauffage et de refroidisse ment Fig. 2 - une vue similaire à la figure 1, montrant les zones de température croissante dans la portion de la pièce entre les zones de chauffage et de refroidissement Fig.3 - un schéma du montage électrique de l'appareil selon la figure 1, et Fig. 4 - un graphique montrant "l'histoire thermique" de deux portions d'une pièce traversant la zone de chauffage, L'appareil visible à la figure 1 comporte un bati (non représenté) supportant des stations ou zones de chauffage et de refroidissement 10 et 11 coaxiales et écartées verticalement l'une de l'autre et des moyens de levage vertical tels qu'une grue (non représentée) pour faire descendre un conduit 12axialementautravers des zones 10 et 11 à une vitesse choisie constante ou variable. On peut prévoir des moyens de guidage convenables (également non représentés) pour maintenir le conduit 12 à une faible distance radiale de la bobine de chauffage par induction 14 constituant la zone de chauffage 10 et un ensemble de buses de pulvérisation 16 au-dessous de la bobine 14 constituant la zone de refroidissement 11. Un générateur-moteur de 200 kW 17 sert de source d'énergie électrique (trois kilohertz) pour la bobine 14, et l'intensité à l'entrée de la bobine est automatiquement réglée pour maintenir la zone de température maximum du conduit 12 au niveau de température voulu, à l'emplacement voulu, le long du trajet de déplacement du conduit. Comme on le voit à la figure 3, l'unité de réglage et d'adaptation d'impédance 20 réunit la bobine 14 à la sortie du générateur 17 et le générateur est commandé par des signaux appliqués à l'inducteur du générateur depuis la source de courant alternatif 21 par le circuit en pont 23 lorsque la prise 24 est déplacée par un servo-moteur 25. Une unité de détection à pyrométrie 27 est disposée de ma nière a' détecter lesrayonnements émis par la portion du conduit 12 dans la bobine 14.Le pyromètre est réuni à une unité électronique 30 qui est, à son tour, reliée à une unité d'équilibrage continu 32 et à un potentiomètre 33. Les buses de pulvérisation 35 de la zone de refroidissement 11 sont disposées en groupes de quatre autour des quatre faces du conduit pour distribuer de l'eau pulvérisée sur la surface externe du conduit, tout autour de ce dernier, de telle manière que le refroidissement soit accompli de façon plus ou moins uniforme sur chaque section successive du conduit.Les buses 35 sont réunies à une alimentation en eau convenable (non représentée) sous une pression convenable, à peu près à la température ambiante, et des van nes (également non représentées) sont prévues pour régler l'écoulement de l'eau en direction des buses par les conduites représentées reliées à la source, On peut utiliser avantageusement de l'eau à une température élevée, telle que 80"C, si on désire opérer avec une vitesse de refroidissement in termédiaire. L'exemple ci-après illustre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Exemple : On fabrique un conduit de 4, 26 m de long, de section carrée, ayant 146 mm de côté (coins arrondis) à partir d'un feuillard de Zircaloy-4, norme ASTM B 352, Qualité RA2, de 2, 54 mm d' épaisseur, tout d'abord façonné en deux profilés se correspondant que l'on soude bord à bord, sur toute leur longueur. On fixe le conduit résultant, que l'on voit en 12 sur les dessins, par sa partie supérieure à un élévateur actionné par un moteur. Cet élévateut permet de faire descendre le canal à la vitesse de 12, 7 mm/s au travers des zones de chauffage et de refroidissement 10 et 11.On commande manuellement l'intensité à l'entrée de la bobine 14 lors que le conduit entre dans la bobine, le réglage automatique étant établi lors que le pyromètre 27 commence à détecter le rayonnement émis par le conduit à mi-longueur de la bobine. A ce moment, avec le potentiomètre 33 réglé de manière à garantir que le conduit atteint une température de 900-920"C lors qu'il passe entre les zones 10 et 11, le signal engendré par le pyromètre est enregistré par l'unité d' d'équilibrage 32 avec pour conséquence que le servo- moteur 25 est activé pour déplacer la prise 24 de manière à augmenter ou à abaisser l'intensité du du courant au travers du circuit en pont 23 vers l'inducteur du générateur.Les augmentations et diminutions de llintensité de sortie du générateur vers la bobine se font automatiquement de cette manière en fonction de la pente prévue pour la courbe de vitesse de chauffage tandis que la portion concernée est bien encore dans la bobine. L'unité de commande automatique agit continuellement de cette manière tandis que le conduit subit un traitement thermique de zone d'une extrémité à l'autre, comme indiqué à la figure 4 dans laquelle les courbes A et B représentent "l'histoire thermique" de deux portions longitudinales différentes du conduit 12.La portion de conduit A a été chauffée selon la courbe A tandis qu'elle se déplaçait au travers de la bobine 14, pour atteindre le niveau intermédiaire correspondant à la mi-longueur de la bobine où le pyromètre est dirigé de manière à recevoir le rayonnement infrarouge, dans le but décrit plus haut. Etant donné que le chauffage, dans ce cas, s'effectue à la vitesse voulue pour que cette portion du conduit atteigne le maximum choisi d'environ 920"C après que le conduit quitte la bobine 14, il ne se produit pas de changement dans l'alimentation d'entrée de la bobine. Par contre, dans le cas de la portion de conduit B, le chauffage s'effectue à une vitesse moindre de telle sorte que, lorsqu'elle atteint le point médian, le rayonnement infrarouge est inférieur à celui qui est requis par le système de comrnande automatique et l'unité d'équilibrage 32 actionne le servomoteur 25 qui agit au moyen de la prise 24 et du circuit 23 pour augmenter l'alimentation d'entrée de la bobine 14 à partir du générateur 17.Le changement dans la pente de la courbe B provient de l'augmentation de l'intensité à l'entrée de la bobine, gracie à laquelle la portion de conduit atteint la température maximale voulue au méme point extérieur à la bobine 14 que la partie A ce qui garantit le même traitement thermique de zone et se traduit par l'obtention de la meme microstructure voulue dans la masse, dans les deux cas, tout au long du conduit 12. L'extrémité inférieure de la zone de température maximale est à proximité de la zone de refroidissement 11, comme il ressort des figures 1 et 2, de telle manière que les jets d'eau aérée délivrés par la batterie lie buses 35 attaquent la surface extérieure du conduit au point où celui-ci est au voisinage de sa température maximale. Les jets se recoupent grâce à quoi le refroidissement s'effectue d'une manière raisonnablement uniforme tout autour de la périphérie du conduit et au travers des parois du conduit, la température du conduit s'abaisse à 700"C en une seconde ou deux, puis au-dessous de 5000C en six autres secondes. La vitesse à laquelle la température du conduit est réduite peut être réglée en jouant sur le mélange aireau des jets.En variante, on peut utiliser de lleau non aérée. Les opérations de finissage comprenant le calibrage, le sablage et lléboordage des extrémités du conduit s'effectuent une fois le conduit 12 enlevé de l'appareil de traitement thermique. Après quoi on fixe des boutons de guidage de barres de commande classiques (non représentés) au conduit qui est alors pret à recevoir des barres de combustibles chargées et des grilles d'espacement préalablement à leur mise en place dans un réacteur nucléaire à eau bouillante. Au lieu de régler l'intensité à l'entrée de la bobine 14, ou en plus de faire ce réglage, comme il est décrit ci-dessus, on peut mettre en Qu- vre l'invention d'une manière qui comprenne un réglage de la vitesse de déplacement du conduit 12. Ceci peut s'effectuer automatiquement à partir des signaux provenant du pyromètre ou d'un autre moyen de détection de la température pour régler la température du conduit lorsqu'il atteint un point intermédiaire dans la bobine 14. Ainsi, si le chauffage est accompli à la vitesse indiquée par la courbe B de la figure 3, le moteur commandant la vitesse de descente du conduit sera automatiquement réduite pour permettre un chauffage prolongé pour que la température maximale voulue puisse entre atteinte REVENDICATIONS I. Procédé de traitement thermique de zone d'une pièce longue en alliage de zirconium, en vue d'augmenter sa résistance à la corrosion dans les conditions de réfrigération des réacteurs à eau bouillante, selon lequel on fait passer axialement la pèce au travers d'une succession de zones de température maximale critique, pendant une durée critique, et lui fait subir une réduction de température à une vitesse critique, caractérisé en ce qu?il consiste à déplacer axialement la pièce vers, dans et hors une bobine d'induction électrique, puis vers et dans une zone de refroidissement à lé- cart de la bobine, à détecter la température de portions successives longitudinales de la pièce se trouvant dans la bobine, et à régler l'intensité électrique alimentant la bobine pour que chaque portion successive atteigne une température maximale comprise entre 825 C et 1100 C lorsque la portion se trouve dans l'espace compris entre la bobine et la zone de refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que du liquide réfrigérant est délivré à l'encontre de la surface annulaire externe de portions successives longitudinales tandis qu'elles entrent successivement dans la zone de refroidissement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on dirige de l'eau à une température de l'ordre de 80"C sous forme de jets à l'encontre de la surface annulaire externe de portions longitudinales successives tandis qu'elles entrent successivement dans la zone de refroidissement. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on dirige de l'eau sous forme de jets aérés à l'encontre de la surface annulaire externe de portions longitudinales successives tandis qu'elles entrent successivement dans la zone de refroidissement. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les portions longitudinales successives de la pièce sont chauffées par la bobine à une température comprise entre environ 860"C et 930"C et maintenues par la bobine dans cette gamme de température pendant de 3 à 30 secondes, et en ce que ces portions longitudinales successives sont refroidies à liteau successivement dans la zone de refroidissement à la vitesse de 150 C - 400"C par seconde pour atteindre environ 700 C, puis à la vitesse de ZO0C - 400"C par seconde pour atteindre 500"C. 6. Appareil pour le traitement thermique de zone d'une pièce allongée en alliage de zirconium caractérisé en ce qu'ii comprend - des moyens pour le déplacement de la pièce, le long d'un trajet longitudinal, - une zone de chauffage située sur le trajet de déplacement de la pièce et comprenant une bobine d'induction électrique ouverte à ses extrémités, cette bobine comportant une série de spires aptes à recevoir et entourer radialement une portion longitudinale de la pièce, - des moyens de détection de la température comprenant un détecteur de rayonnement infrarouge détectant continuellement la température d'une portion de la pièce en un point intermédiaire de la bobine chauffante pour réunir la bobine à une source de courant alternatif, - des moyens de commande de l'intensité électrique coopérant avec la bobine et réagissant en réponse aux informations provenant des moyens de détection de la température pour régler l'intensité électrique à l'en- trée de la bobine pour maintenir la température maximale de la pièce dans la gamme comprise entre 825"C et 1100 C, et - une zone de refroidissement située axialement à l'écart de la zone de chauffage sur le trajet du déplacement de la pièce pour recevoir et refroidir à une vitesse prédéterminée des portions longitudinales successives de la pièce. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le détecteur de rayonnement infrarouge est un pyromètre 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la zone de refroidissement comporte une série de buses de pulvérisation de liquide disposées de manière à délivrer un liquide réfrigérant à l'encontre dune portion annulaire de la pièce à refroidir. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de déplacement de la pièce supportent la pièce de manière que l'axe longitudinal de cette dernière soit vertical et en ce que la zone de refroidissement est située au-dessous de la zone de chauffage.