Brevet FR2458876A1 — publié le 19810102

On connait bien les réacteurs nucléaires refroidis et modérés par eau. On en trouvera une description par exemple dans l'article de M.M. El-Wakil dans "Nuclear Power Engineering" McGraw-Hill Book Company, Inc., 1962. Les éléments de combustible pour ces réacteurs se présen- tent généralement sous la forme de pastilles d'oxyde d'uranium et/ou d'oxyde de plutonium enfermées dans un tube de gainage protecteur, de forme allongée, fait d'un métal approprié, communément un alliage de zirconium tel que du Zircaloy-2. Le brevet des Etats Unis no 3.365.371 décrit un élément dé combustible de ce type. Pour éviter une rupture prématurée de la gaine de l'élément de combustible et pour prolonger sa durée de vie mécanique utile, on a proposé d'utiliser divers écrans protecteurs entre la colonne de pastilles de combustible et la surface intérieure de la gaine. Parmi ces écrans se trouvent des couches de zir- conium métallique liées à la surface intérieure du tube en alliage de zirconium. Le Brevet belge 835.481 décrit une couche-écran formée de zirconium métallique pratiquement pur liée à la surface intérieure du tube. Le Brevet Belge 870.342 décrit une couche-écran formée de zirconium métallique de pureté modérée, tel que du zirconium spongieux. Dans le procédé classique de production de tube de gainage avec une couche-écran liée à la surface intérieure de celui- ci, on emboîte dans une billette creuse d'alliage de zirconium, un manchon de zirconium métallique pour la couche-écran, et on co-extrude le composite. On réduit alors le composite au diamètre final par écrouissage à froid par passes multiples dans un.dispositif de réduction tel qu'une machine de réduc- tion de tubes de Pilger. Après chaque passe de réduction, il est classique de recuire le composite par traitement thermique à une tempéra- ture et pendant un temps suffisantspour pratiquement recris- talliser complètement l'alliage de zirconium. Cependant, on a trouvé que les températures de recuit et les temps nécessaires à la recristallisation complète de l'alliage de zirconium provoquent une croissance des grains non souhaitable dans la couche-écran en zirconium métallique. Par conséquent, selon un aspect de la présente invention, on effectue le traitement thermiquedu composite, après l'étape de réduction à la dimension finale,. à une température et pendant une durée qui permettent une recristallisation pratiquement complète de la couche de zirconium métallique, fournissent une microstructure à grains fins, et qui relaxent les contraintes mais ne recristallisent pas complètement l'alliage de zirconium. Selon un autre aspect de la présente invention, on peut, facultativement, améliorer la texture cristallographique de la couche de zirconium métallique par déformation par compres- sion de la surface de la couche, par exemple, par grenaillage, sans déformation de l'alliage de zirconium du tube de gainage cateosite. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement; Figure 1, une vue en coupe partielle d'un élément de com- bustible nucléaire; Figure 2, une vue en coupe transversale de l'élément de combustible de la figure 1. On a représenté sur les figures l et 2, un élément de combustible nucléaire 11, qui se compose d'un tube de gainage composite de forme allongée 12 renfermant une colonne de pas- tille de combustible 13 et qui est scellé à ses extrémités par des bouchons d'extrémités inférieur et supérieur 14 et 16. On prévoit un vide 17 pour permettre la dilatation longi- tudinale du combustible et pour fournir un volume pour les gaz dégagés par le combustible pendant le fonctionnement dans le réacteur. Un ressort 18 entre le sommet de la colonne de combustible et le bouchon d'extrémité supérieur 16 maintient en position la colonne de combustible. Comme le montre mieux la figure 2, le tube de gainage composite 11 est dimensionné par rapport au diamètre des pastilles de combustible pour fournir un jeu annulaire ou intervalle 19 entre les pastilles de combustible et la surface intérieure du tube de gainage.- Dans une réalisation recommandée de l'invention, le tube de gainage composite il comporte un tube 21 en un alliage de zirconium et une coucheécran 22 de zirconium métallique liéemétallurgiquement à la surface intérieure du tube 21. Parmi les alliages de zirconium convenant pour le tube 21, on peut citer le Zircaloy-2 ou le Zircaloy-4. Le Zircaloy-2 contient, sur une base pondérale, environ 1,5% d'étain, 0,12% de fer, 0,09 % de chrome, 0,05% de nickel, le reste étant du zirconium. Le Zircaloy-4 contient moins de nickel que le Zircaloy-2, mais contient légèrement plus de fer. Dans l'un ou l'autre cas, l'alliage contient des constituants autres que le zirconium, en une quantité supérieure à 5.000 parties par million. La couche-écran 22, qui peut représenter d'environ 1 à environ 30% de l'épaisseur de la gaine composite, est faite de zirconium métallique, de teneur en impuretés limitée allant d'un zirconium de pureté élevée ou pratiquement pur renfer- mant moins de 500 ppm d'impuretés a une teneur en impuretés allant jusqu'à 5.000 ppm mais de préférence ayant une teneur en impuretés inférieure à environ 4.200 ppm. Parmi les impuretés, on doit réduire la teneur en oxygène au maximum et, la maintenir dans une gamme de 200 ppm ou moins jusqu'à un maximum d'environ 1200 ppm. D'autres impuretés peuvent se trouver dans la gamme normale pour du zirconium spongieux de qualité pour réacteur du commerce et sont indiquées ci-dessous: aluminium 75 ppm ou moins; bore 0,4 ppm ou moins; cadmium 0,4 ppm ou moins; carbone 270 ppm ou moins; chrome ppm ou moins; cobalt 20 ppm ou moins; cuivre 50 ppm ou moins; hafnium 100 ppm ou moins; hydrogène 25 ppm ou moins; fer 1500 ppm ou moins; magnésium 20 ppm ou moins; manganèse 50 ppm ou moins; molybdène 50 ppm ou moins; nickel 70 ppm ou moins; niobium 100 ppm ou moins; azote 80 ppm ou moins; silicium 120 ppm ou moins; étain 50 ppm ou moins, tunsgtène ppm ou moins, titane 50 ppm ou moins; et uranium 3,5 ppm ou moins. La couche-écran en zirconium métallique 22 est liée métal- lurgiquement au tube d'alliage de zirconium 21 par une dif- fusion croisée entre eux suffisante pour former une forte liaison mais insuffisante pour que la diffusion contamine la couche-écran 22 sur une profondeur supérieure à environ 0,00127 à 0,00254 mm à partir de l'interface de la liaison. On a trouvé qu'une couche-écran de zirconium métallique d'épaisseur de l'ordre de 5 à 15% du gainage composite et d'épaisseur plus particulièrement recommandée d'environ 10%, empêche l'exposition de l'alliage de zirconium du tube de gainage 21 aux produits de fission corrosifs. La couche-écran sépare également le tube en alliage de zirconium d'une interaction mécanique directe avec les pastilles de combustible et réduit les contraintes qui peuvent en résulter. On a trouvé que la couche-écran con- serve ses propriétés structurales souhaitables telles que sa limite d'élasticité et sa dureté à des niveaux nettement inférieurs à ceux des alliages de zirconium classiques. En effet, l'écran métallique ne durcit pas autant que les alliages de zirconium classiqueslorsqu'il est soumis à l'irradiation et ceci, en même temps que la limite d'élasticité initiale- ment faible, permet à l'écran métallique de se déformer plas- tiquement et-de relaxer les contraintes induites par les pas- tilles dans l'élément de combustible pendant des transitoires de puissance. Les contraintes induites par les pastilles dans l'élé- ment de combustible peuvent apparaître, par exemple, lors du gonflement des pastilles de combustible nucléaire aux tempé- ratures de fonctionnement du réacteur de sorte que ces pas- tilles viennent en contact avec le gainage. Le gainage composite de la présente invention peut se fabriquer par l'un quelconque des procédés suivants. Dans un des procédés, on choisit un tube creux de zir- conium métallique pour réaliser la couche-écran et on l'insère dans une billette creuse d'alliage de zirconium choisie pour former le tube de la gaine. L'ensemble est alors soumis à une liaison par explosion du tube à la billette. On extrude le composite à température élevée d'environ 538 à 7600C en uti- lisant des techniques d'extrusion de tube classiques. On soumet alors le composite extrudé à un procédé comprenant la réduction classique du tube jusqu'à la taille voulue de la gaine composite. Dans un autre procédé, on insère un tube creux de zir- conium métallique choisi pour former la couche-écran dans une billette creuse d'alliage de zirconium choisie pour former le tube de la gaine. On soumet l'ensemble à une étape de chauffage, telle que 760'C pendant environ 8 heures, pour pro- duire une liaison par diffusion entre le tube de zirconium métallique et la billette. On extrude alors le composite en utilisant des techniques d'extrusion de tube classiques, et on soumet le composite extrudé à un procédé comportant la réduction classique du tube jusqu'à la taille voulue de la gaine. Dans encore un autre procédé, on insère un tube creux de zirconium métallique choisi pour former la couche-écran, dans une billette creuse d'alliage de zirconium choisie pour former le tube de la gaine. On extrude l'ensemble en utilisant des techniques d'extrusion de tube classiques. On soumet alors le composite extrudé à un procédé comportant la réduction clas- sique du tube jusqu'à la taille voulue. Les dimensions des matériaux de départ sont déterminées par des rapports de section droite de la couche-écran et des parties d'alliage de zirconium de la gaine composite voulue. Par exemple, la section droite totale du gainage finale est donnée par A TF = /4 (ODTF DTF2) o ATF est la section du produit final, ODTF est le diamètre extérieur du produit final, et IDTF est le diamètre inférieur du produit final. La section droite de l'écran voulu est donné par: A =n (OD - _ID2 BF /4 BF BF o ABF est la section droite de l'écran métallique, ODBF est le diamètre extérieur de l'écran métallique et ID BF est le diamètre intérieur de l'écran métallique. La section droite totale de la billette initiale du tube de gainage est donnée par ATI =îr (OD - ID)2 TI (4DTI TI 2458876- o AT est la section droite totale de la billette initiale y compris l'écran métallique, ODTI est le diamètre extérieur de la billette initiale et IDTI est le diamètre intérieur de la billette initiale. La section droite requise de l'écran initial est déterminée par ABT = ATI ABF BIATF EXEMPLE Un exemple de réalisation d'un tube de gainage composite Il selon la présente invention est le suivant: On usine une billette de tube de gainage en alliage de zirconium et l'élément rapporté pour la couche-écran en zir- conium métallique, on les nettoie et les assemble par des procédés classiques, les dimensions étant choisies pour l'ex- trusion de l'ensemble composite dans une presse d'extrusion à chaud. La billette pour le tube de gainage consiste en alliage de Zircaloy-2 normal se conformant à la norme ASTM B353 qualité RA-1 et l'élément rapporté pour la couche-écran consiste en zirconium métallique ayant une teneur en impuretés dans les limites indiquées précédemment. Les alésages de la billette et de l'élément rapporté sont formés avec une coni- cité de 0,2 mm par 25,4 cm et pressés ensemble pour assurer un bon contact entre les surfaces adjacentes. A titre d'exemple de dimensions des pièces usinées, on peut indiquer: pour la billette du tube de gainage, 228,6 mm de long, 145,8 mm de diamètre extérieur, 61,9 mm de diamètre intérieur; pour l'élément rapporté de la couche-écran 61,9 mm de diamètre extérieur, 42,2 mm de diamètre intérieur. Avant l'assemblage, on attaque légèrement chimiquement les surfaces adjacentes de la billette et de l'élément rapporté pour éli- miner les traces d'impuretés. Un produit de décapage conve- nable est une solution de 70 ml d'H20, 30 ml HNO3 (70% aqueux) et 5 ml HF (48% aqueux). Pour assurer une liaison satisfaisante pendant l'extrusion, on peut prélier l'ensemble par pressage de l'élément rapporté conique dans le trou conique de la billette sous un vide S 20 pm de mercure tout en maintenant une température d'en- viron 7600C pendant 8 heures avec des forces de pression initiales de 13.000 à 20.500 kg. On a trouvé que l'on obte- nait ainsi une liaison sur 20 à 25% de la surface de l'in- terface. Pour réduire les pertes aux extrémités pendant l'extru- sion, on peut souder à chaque extrémité des pièces de Zirca- loy-2 de 50, 8 mm de long à l'ensemble prélié et usiné de niveau. un tube de gainage s'effectue en utilisant les paramètres suivants: vitesse d'extrusion 152, 4 mm/mn, rapport de réduction 6: 1, température 5930C et force d'extrusion 3.175 tonnes. Toutes les surfaces de la billette excepté l'alésage central et le mandrin flottant peuvent être lubrifiés avec un lubrifiant soluble dans l'eau) cuit' à une température de 7040C pendant une heure. Après extrusion on enlève par cou- page,des deux extrémités du tube,les pièces d'extrémités ajoutées et on polit la surface intérieure pour éliminer tous défauts et améliorer l'aspect final. La réduction finale du tube composite à une taille conve- nable pour le gainage d'éléments de combustible, s'effectue par écrouissage à froid en trois passes au moyen d'une machine de réduction de tubes de Pilger,bien connueavec traitement thermique et nettoyage entre les passes. Les étapes d'un pro- cédé de réduction représentatif sont indiquées dans le tableau 1 annexé. Le procédé de réduction est classique excepté pour les modifications apportées par la présente invention. La base pour ces modifications et les résultats bénéfiques obtenus vont maintenant être discutés. L'écrouissage à froid sévère qui a lieu lors des passes de réduction du tube conduit à une distorsion des formes des cristallites du métal et produit beaucoup de défauts cris- tallins dans les cristallites. Ainsi, des métaux écrouis à froid se trouvent dans un état d'énergie relativement élevé qui n'est pas thermiquement stable. Le procédé de recuit métallurgique utilise de la chaleur pour impartir une mobi- lité aux atomes de métal et leur permettre de se réarranger en une configuration d'énergie plus faible, ce recuit étant une fonction à la fois de la température et du temps, la température étant le paramètre le plus sensible. En général, la température de recuit et le temps sont choisis pour être suffisants pour fournir une recristallisation pratiquement complète mais insuffisants pour permettre une croissance de grains excessive. Par conséquent, pour les étapes de recuit(5)et(8)du pro- cédé de réduction du tableau I, on choisit les températures et les temps pour fournir une recristallisation pratiquement complète de l'alliage de zirconium du tube 21. Cepéndant, le métal relativement plus pur de la couche- écran 22, se recristallise à une température inférieure et on a trouvé que les températures et les temps de recuit classi- ques convenables pour l'alliage de zirconium, comme dans les étapes(5) et(8), provoquent une croissance de grains dans le métal de la coucheécran jusqu'à un point non souhaitable dans le produit fini. Par conséquent, selon un aspect de la présente invention, après la passe de réduction finale, on traite thermiquement le tube composite à une température inférieure comme indiquée à l'étape(12).Ainsi, la température et la durée du traitement thermique de l'étape(12) sont choisies de telle sorte que le zirconium métallique de la couche-écran 22 soit pratiquement totalement recristallisé sans croissance des grains. Ceci fournit une couche écran avec une microstructure équiaxe à grains fins présentant une résistance et une ductilité amé- liorées, une résistance accrue à la fissuration par corrosion sous contrainte et une stabilité plastique élevée. La température et la durée du traitement thermique de l'étape(12) sont également choisies-en considération de l'obtention d'une relaxation totale des contraintes, mais non d'une recristallisation complète de l'alliage de zirconium du tube 21. Il enrésulte l'avantage supplémentaire que, l'alliage de zirconium conserve la structure à grains allongés impartie par le procédé de réduction et a une résistance plus élevée à des vitesses de déformation élevées tout en étant encore relaxé des contraintes internes. Des températures et des temps convenables pour les étapes de recuit (2), (5) et (8), sont comprises entre 5380C et 7040C pour environ 1 à 15 heures et de préférence pour environ 1 à 4 heures. Des températures et des durées convenables pour l'étape de traitement thermique (12) vont d'environ 440 à 510'C pour une durée d'environ 1 à 4 heures. Selon un autre aspect de la présente invention, la texture cristallographique (c'est-à-dire le degré d'orientation cris- tallographique préférentiel) de la couche - écran en zirconium métallique, peut être facultativement améliorée par déformation mécanique par compression de la surface. Par exemple, avant l'étape de traitement thermique final 12, on peut faire subir à la couche-écran un grenaillage. à partir de l'intérieur de l'ensemble, pour fournir une déformation par compression de cette couche sans déformation notable du tube en alliage de zirconium. Un tel traitement mécanique avant le traitement thermi- que final indiqué à l'étape (10) du tableau 1, fournit une structure cristallographique améliorée avec des p6les de base {00021 fortement alignés dans la direction radiale du tube de gainage composite. T A B L E A U I REDUCTION ET TRAITEMENT DU TUBE Etape E T A P E Epaisseur Diamètre Diamètre N du composite Extérieur Intérieur (cm) (cm) (cm) (1) Départ avec ébauche de tube 1,09 6,35 4,16 (1) Nettoyage avant recuit (dégraissage-produit caustique à base de savon) 1,09 6,35 4,16 (2) Recuit 677 C - 1 heure (3) Première passe de réduction 0,56 3,7 2,56 (4) Nettoyage avant recuit (5) Recuit 621 C - 1 heure o (6) Seconde passe de réduction 0,24 2,03 1,55 (7) Nettoyage avant recuit (8) Recuit 621 C - 1 heure (9) Troisième passe de réduction 0,084 1,23 1,06 (10) Grenaillage de la surface intérieure (11) Nettoyage avant traitement thermique (12) Traitement thermique 482 C - 4 heures (13) Attaque jusqu'à 0,081 1,23 1,07 EPAISSEUR FINALE DE LA COUCHE-ECRAN 0, 0863 0,0076 mm Cal co CD R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de fabrication d'un tube de gainage composite de forme allongée destiné à contenir du combustible nucléaire et former un élément de combustible pour un réacteur nuclé- aire, ce tube de gainage étant formé à partir d'une ébauche de tube de gainage constituée d'un tube en alliage de zirco- nium renfermant des constituants autres que du zirconium en une quantité supérieure à environ 5000 ppm et ayant une couche de zirconium métallique renfermant des quantités inférieures à 500 ppm liée métallurgiquement à sa surface intérieure, procédé caractérisé en ce qu'il comprend: (1) la réduction du diamètre de l'ébauche du tube de gainage par écrouissage à froid en une série d'étapes de ré- duction au diamètre intérieur et à l'épaisseur de paroi voulus; (2) le traitement thermique de cette ébauche de tube de gainage entre chacune de ces étapes de réduction à une tempé- rature et pendant une durée suffisantes pour pratiquement tota- lement recristalliser l'alliage de zirconium; (3) le traitement thermique du tube de gainage après l'étape finale des étapes de réduction à une température infé- rieure et pendant une durée qui permettent une recristallisation pratiquement complète de la couche de zirconium métallique et fournissent une microstructure à grains fins dans celle-ci et qui relaxent les contraintes mais ne recristallisent pas complètement l'alliage de zirconium. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température et la durée de l'étape (2) vont d'environ 5380C à environ 704'C et d'environ 1 heure à environ 15 heures respectivement et en ce que la température et la durée de l'étape (3) vont d'environ 4400C à environ 5100C et d'environ 1 heure à environ 4 heures, respectivement. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de déformation par compression pratiquement uniforme de la surface de la couche en zirconium métallique avant l'étape de traitement thermique (3). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette déformation s'effectue par grenaillage. 5. Tube de gainage composite de forme allongée destiné à contenir du combustible nucléaire en tant qu'un élément de combustible pour un réacteur de nucléaire, ce tube de gainage composite contenant un tube en alliage de zirconium renfer- mant des constituants autres que du zirconium en une quantité supérieure à environ 5000 ppm et ayant une couche de zirconium métallique contenant des impuretés en quantité inférieure à 500 ppm liées métallurgiquement à sa surface intérieure, cette couche de zirconium métallique étant pratiquement totalement recristallisée pour fournir une microstructure à grains fins, et le tube d'alliage de zirconium étant pratiquement totale- ment relaxé de ses contraintes mais non totalement recristal- lisé. 6. Tube de gainage composite selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface de la couche en zirconium métallique est déformée par compression. 7. Tube de gainage composite selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette déformation s'effectue par gre- naillage.