Brevet FR2604188A1 — publié le 19880325

Elément tubulaire en acier inoxydable Drésentant une résistance à l'usure améliorée L'invention concerne les éléments tubulaires en acier inoxydable au chrome-nickel destinés à être utili- sés dans l'eau & haute pression et haute température des réacteurs nucléaires o l'eau constitue à la fois réfri- gérant et modérateur. Parmi les éléments tubulaires utilisés dans de tels réacteurs, dont l'eau contient fréquemment des produits borés, certains sont fréquemment déplacés en fonctionnement dans des guides sur lesquels ils frottent. C'est en particulier le cas des gaines en acier inoxydable des crayons des grappes de contrôle de réactivité. Pour régler la réactivité du réacteur, ces crayons sont déplacés le long de tubes guides apparte- nant à des assemblages et de guides placés dans les internes supérieurs du réacteur. La fréquence et l'am- plitude des déplacements de certains crayons, notamment lorsque le réacteur est utilisé en suivi de charge, sont telles qu'il est souvent nécessaire, à ce jour, de remplacer systématiquement un certain nombre de grappes à chaque rechargement du coeur. On a déjà proposé de réduire l'usure d'éléments tubulaires soumis à un frottement, par revêtement ex- terne. On a notamment déjà réalisé des revêtements élec- trolytiques de chrome dur et des revêtements chimiques de nickel. Les revêtements de chrome électrolytique se sont révélés fragiles. Le nickel déposé par voie chimi- que a l'inconvénient de risquer de provoquer la contami- nation du circuit primaire du réacteur. Les revêtements contenant du carbure de chrome auquel est ajouté un alliage nickel-chrome de liaison ont un mauvais compor- tement sous irradiation. L'invention vise à fournir un élément tubulaire en acier inoxydable ayant une partie superficielle traitée dont la résistance à l'usure au frottement est accrue dans des proportions élevées, résistant aux cyclages thermiques et conservant ses propriétés sous irradiation. Dans ce but, l'invention propose notamment un élément en acier inoxydable au chrome-nickel, pouvant notamment constituer gaine de crayon de grappe de contrôle pour réacteur nucléaire, caractérisée en ce qu'elle est nitrurée sur une profondeur comprise entre 15 et 40 microns. La nitruration est avantageusement réalisée par voie ionique. Les éléments tubulaires sont soumis à l'action d'un plasma créé par décharge électrique dans une atmosphère raréfiée contenant de l'azote et de l'hydrogène, pour implanter des ions d'azote actifs, à une température suffisamment élevée pour provoquer la diffusion en profondeur de ces ions. Il est souhaitable, pour éviter une sensibilisa- tion du matériau par déchromisation de la matrice des éléments tubulaires nuisible à leur résistance à la corrosion en milieu oxydant, d'adopter des durées et des températures de traitement suffisamment faibles pour que la couche traitée ne dépasse pas 40 pm. Dans la prati- que, on peut opérer à une température d'environ 500C, pendant une durée de quelques heures. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécu- tion de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 montre, de façon simplifiée, un crayon de grappe de contrôle muni d'une gaine traitée suivant l'invention, - la Figure 2 montre très schématiquement une installation possible de traitement des gaines. La Figure 1 montre un crayon 10 de grappe de contrôle de réacteur nucléaire à eau sous pression. Ce crayon 10 est fixé avec d'autres aux bras d'une araignée 12 permettant de déplacer verticalement les crayons. Ces derniers coulissent dans des tubes guides 14 appartenant & un assemblage de combustible dont les tubes guides relient les embouts 16. Chaque crayon est constitué d'une gaine 18 en acier inoxydable chromenickel, fréquemment en acier AISI 304 dont les principaux composants sont les sui- vants (les teneurs étant en poids): Ni: 8,50 à 11 %; Cr: 17 à 19 %; carbone: 8 % au maximum; Mn: 2 % au maximum; le reste étant du fer sauf les impuretés inévitables, et de pastilles 20 (ou d'un barreau) de matériau absorbant les neutrons placées dans la gaine. Cette dernière est fermée de façon étanche par un bou- chon supérieur 22 et un bouchon inférieur.24, également en acier inoxydable. A titre d'exemple, on peut indiquer que la gaine 18 peut avoir un diamètre extérieur de 9 à 25 mm et une épaisseur d'environ 0,4 mm à 1,5 mm, d'autant plus forte que le diamètre est plus grand. Pour réduire l'usure de la gaine 18 lors de ses frottements sur le tube guide 14, qui en général est également constitué en acier inoxydable, cette gaine est nitrurée superficiellement, sur une profondeur comprise entre 15 et 40 pm, avantageusement entre 20 et 40 pm. La nitruration peut être réalisée dans un dispositif ayant la constitution de principe montrée en Figure 2. Le dispositif de la Figure 2 comprend une enceinte étanche 26 munie d'une pompe 28 permettant d'y faire un vide habituellement compris entre 30 et 200 Pascals et une conduite 30 d'amenée d'un mélange d'azote et d'hydrogène. L'enceinte 26 contient un châssis per- mettant de recevoir une charge constituée de plusieurs gaines 18 à traiter. La séquence d'opérations pourra alors être la suivante. Les gaines à traiter sont préalablement nettoyées, puis munies de leur bouchon inférieur 24. Une masse thermique, pouvant être constituée par un barreau en acier inoxydable, est placée dans chaque gaine puis un bouchon supérieur provisoire 32 est fixé sur chaque gaine pour permettre de retenir les gaines lors de l'opération de revêtement. Les gaines sont mises en place, la partie proche des bouchons supérieurs étant avantageusement masquée pour éviter toute nitruration de l'acier inoxydable dans ces zones. Un décapage ionique des pièces est tout d'abord effectué dans l'enceinte 26 sous une pression d'environ Pa. Puis l'enceinte est purgée et on y créée une at- mosphère raréfiée d'azote et d'hydrogène sous une pres- sion totale ne dépassant pas 200 Pa, par exemple à 40 - Pa de pression partielle d'azote. Une différence de potentiel de 300 V à 1000 V est créée à l'aide d'un gé- nérateur 34 entre l'enceinte métallique 26 et les pièces à traiter. Les ions d'azote actifs formés par dissocia- tion du mélange gazeux par la décharge électrique sont implantés par bombardement ionique à la surface des gaines 18. Des moyens (non représentés) sont prévus pour maintenir les gaines à une température inférieure à 510'C sur toute leur longueur, avantageusement d'environ 500'C, pour provoquer la diffusion des ions d'azote. L'opération est poursuivie jusqu'à ce que la profondeur d'implantation atteigne la valeur recherchée. Dans la pratique, la durée de traitement ne dépassera pas 6 heures. Les tubes sont ensuites sortis de l'enceinte, les bouchons supérieurs provisoires sont enlevés, les tubes sont garnis en matériau absorbant et le bouchon supérieur définitif est mis en place. Dans une variante, les éléments tubulaires sont chargés en matériau absorbant les neutrons et fermés avant nitruration ionique. L'invention est applicable à des -éléments tubulaires autres que les gaines de crayons de contrôle. Elle peut notamment être utilisée pour des grappes ayant une autre fonction et dont la surface doit résister à l'usure par frottement ou par vibrations. On peut également soumettre à un traitement similaire la surface interne de tubes subissant le frottement d'une pièce qui y coulisse. REVENDICATIONS 1. Elément tubulaire en acier inoxydable chrome- nickel comportant un revêtement de protection contre l'usure, caractérisé en ce que ledit élément est nitruré sur une profondeur comprise entre 15 et 40 microns. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue la gaine d'un crayon de contrôle de réacteur nucléaire à eau sous pression. 3. Elément selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que l'acier inoxydable est l'acier AISI 304. 4. Procédé de fabrication d'un élément selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit élément est nitruré ioniquement par dé- charge électrique dans une atmosphère raréfiée contenant de l'azote et de l'hydrogène. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la nitruration s'effectue pendant une durée ne dépassant pas 6 heures à une température ne dépassant pas 510'C. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, carac- térisé en ce que la nitruration ionique est précédée d'un décapage ionique dans la même enceinte. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, carac- térisé en ce que les éléments tubulaires sont munis d'une masse thermique interne, avantageusement en acier inoxydable, et fermés par des bouchons avant nitruration ionique. 8. Procédé selon la revendication 4, 5 ou 6, ca- ractérisé en ce que les éléments tubulaires sont chargés en matériau absorbant les neutrons et fermés avant ni- truration ionique.