Brevet FR2625022A1 — publié le 19890623

L'invention concerne un procédé de fermeture étanche d'un élément combustible nucléaire. On connait des éléments combustibles nuclé aires appelés crayons qui sont utilisés par exemple dans les reacteurs nucléaires à eau sous pression, sous la forme d'assemblages comportant un faisceau de. crayon s parallèles maintenus suivant un réseau régu lier, par des éléments de structure des assemblages. Les crayons combustibles comportent une gaine métallique tubulaire généralement en alliage de zirconium renfermant des pastilles de matériau combus tible, par exemple de l'oxyde d'uranium UC2 fritté, empilées à l'intérieur de la gaine. suivant sa direc tion axiale. La gaine est fermée à ses extrémités par deux bouchons en alliage de zirconium, l'étanchéité de la fermeture étant assurée par soudure des extrémités de la gaine sur les bouchons. Dans le cas des réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau sous pression, la surface extérieure 'de la gaine est soumise en service dans le réacteur nucléaire à une pression voisine de 160 bars qui est la pression du fluide réfrigérant. Pour éviter toute deformation de la gaine des crayons en service, on établit à l'intérieur de la gaine. après son remplissage par les pastilles combu stibles. une pression de gaz inerte qui peut être com prise entre 15 et 45 bars et qui permet de conférer en service aux crayons combustibles une stabilité mécan ique suffisante pour limiter les effets de l'affaissement de la gaine et sa mise en contact avec les pas tilles combustibles. La fabrication des crayons com bustibles est donc une opération industrielle com plexe, dans la mesure ou il est nécessaire d'effectuer le scellement étanche de la gaine en utilisant les bouchons, le volume interne de la gaine étant rempli par un gaz sous une pression relativement élevée. De plus, il est nécessaire de purger le vo lume intérieur de la gaine de toute présence de gaz oxydant et en particulier d'air, avant son remplissage par le gaz inerte. Le remplissage, la mise sous pression interne et la fermeture des crayons combustibles tels que ceux utilisés dans les centrales à eau légère comportent les étapes suivantes - soudage d'un premier bouchon désigné comme bouchon inférieur, sur une des extrémités de la gaine en alliage de zirconium, - remplissage de la gaine par des pastilles de matériau combustible, - introduction d'un ressort de maintien de la colonne de pastilles combustibles dans la gaine à l'extrémité de cette colonne et engagement du second bouchon ou bouchon supérieur, - soudage du bouchon supérieur qui comporte une ouverture et un ajutage de passage appelé queusot, - mise sous vide du volume interne du crayon par l'intermédiaire du queusot, - mise sous pression du volume interne de la gaine par remplissage à l'aide d'un gaz inerte qui peut etre de l'hélium, également par l'intermédiaire du queusot. - fermeture par soudage du queusot. Les phases de soudage sont généralement réalisées à l'arc en utilisant une électrode de tungstène et sous gaz inerte (procédé TIG). Il est bien évident que ces opérations successives nombreuses compliquent considérablement la fabrication des crayons combustibles. De plus, les procédés actuels ne permettent pas de reduire de façon notable la longueur des bouchons ; du fait du grandissement des crayons sous irradiation, il n'est donc pas possible d'envisager un accroissement sensible de leur capacité d'épuisement. En particulier, la fermeture étanche du crayon combustible rempli de gaz inerte suppose la présence d'un queusot, puis la fermeture par soudage de ce queusot, ce qui complique encore les opérations de scellement du crayon. En outre, la mise sous vide et l'établissement d'une pression de gaz inerte dans la gaine. par 1 intermédiaire d'un queusot de très faible section augmente considérablement la durée des opérations. On a donc proposé des procédés de fermeture de la gaine d'un crayon combustible permettant d'éviter l'utilisation d'un queusot et qui sont mis en oeuvre dans une chambre étanche à atmosphère controlée. Par exemple, dans les brevets Français FR-A2.121.580 et FR-A-2.305.827, on a proposé d'effectuer, dans un premier temps, à l'intérieur d'une chambre à atmosphère controlée, le soudage du bouchon supérieur par faisceau laser, puis à l'aide du meme faisceau laser, le perçage d'un queusot dans la gaine ou le bouchon permettant la mise en communication du volume intérieur de la gaine avec le volume de la chambre, La mise sous pression du crayon est réalisée en introduisant le gaz inerte de pressurisation à l'intérieur de la chambre. Le trou de queusotage est ensuite bouché en utilisant le même faisceau laser qui a servi au soudage et au perçage du- crayon. On a également proposé, dans le brevet Français FR-A-2.331.126 de supprimer le queusot et d effectuer le purgeage et la mise sous pression de la gaine par ses extrémités, avant le soudage des bou chons. Pour cela, on utilise un dispositif comportant des chambres entourant les extrémités du crayon dans lesquelles on effectue, après mise sous pression de gaz inerte de la gaine, le soudage des bouchons par résistance. Le dispositif correspondant est cependant très complexe et le soudage par résistance qui pré- sente l'avantage d'une exécution très rapide mais qui est incompatible avec les controles non destructifs habituels n'offre donc pas toute garantie en ce qui concerne la qualité de la soudure, Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de fermeture étanche d'un élément combus tible nucléaire comportant une gaine métallique tubu laire renfermant des pastilles de matériau combustible empilées suivant la direction axiale de la gaine et deux bouchons de fermeture étanche des extrémités de la gaine destinés à maintenir, dans le volume inté rieur de la gaine, un gaz inerte sous une pression de service sensiblement supérieure à la pression atmos phérique, après la fermeture de l'élément combustible réalisée par soudage des bouchons sur la gaine, à l'intérieur d'une enceinte étanche, la paroi de la gaine et les bouchons ne comportant pas d'ouverture traversante et le procédé pouvant être mis en oeuvre de manière simple avec une possibilité d'assurer le controle des soudures réalisées pour obtenir une qua lité parfaite des soudures de fermeture étanche. Dans ce but, le soudage de l'un au moins des bouchons est effectué dans l'enceinte remplie de gaz inerte à la pression de service, par l'un des procédés suivants - soudage à l'arc avec électrode de tungstène, - soudage par microplasma, - soudage par laser. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, l opération de soudage des bouchons étant effectuée par procédé TIG dans un gaz inerte sous forte pression. La figure unique représente de manière schématique l'une des extrémités d'un crayon combustible pendant son scellement, par soudage TIG d'un bouchon. Comme il est visible sur la figure, le crayon combustible désigné de manière générale par le repère 1 comporte une gaine tubulaire 2 renfermant des pastilles combustibles 3 et fermée à ses extrémités par des bouchons tels que 4. Un crayon 1 destiné à ètre utilisé dans un réacteur nucléaire à eau sous pression comporte une gaine 2 en alliage de zirconium dont le diamétre extérieur est de 9,53 mm, l'épaisseur voisine de 0,6 mm et dont la longueur est voisine de 4 mètres. Les pastilles 3 sont empilées à l'intérieur de la gaine 2,. suivant la direction axiale 5 de cette gaine et présentent un léger jeu radial par rapport à la surface intérieure de la gaine. La fabrication d'un crayon combustible peut être réalisée, pour ses premières étapes, de la meme façon que dans l'art antérieur. Un bouchon de fermeture est engagé dans l'une des extrémités de la gaine 2, pour constituer le bouchon inférieur. L'extrémité de la gaine et le bouchon sont soudés de manière étanche par procédé TIG dans une chambre de type connu à l'intérieur de laquelle on effectue un balayage de la zone en cours de soudure, par un gaz inerte tel que l'argon ou l'hélium. Le soudage est effectué à une pression voisine de la pression atmosphérique. Les pastilles combustibles 3 sont alors introduites dans la gaine par sa seconde extrémité non fermée et empilées à l'intérieur de la gaine, suivant sa direction axiale 5, jusqu'à son remplissage complet. On. introduit alors un ressort de maintien 9 par l'ouverture de la gaine, puis la gaine 2 est introduite dans une chambre de soudage étanche permettant la mise en oeuvre du procédé de fermeture suivant 1' invention. Il serait également possible de n'introduire dans la chambre que l'extrémité non fermée de la gaine, un passage rotatif étanche assurant le passage de la gaine dans l'enceinte. L'enceinte de soudage est équipée d'un dispositif de manipulation télécommandé pouvant assurer la prise en charge et l'introduction dans l'extrémité de la gaine 2, d'un bouchon 4 préalablement introduit dans l'enceinte. L'enceinte est également équipée d'un dispositif à vitesse réglable de mise en rotation de la gaine 2 autour de son axe 5. Sur la figure, on a représenté de manière schématique par la flèche 6, le mouvement de rotation du crayon à l'intérieur de l'enceinte. L'enceinte renferme de plus une torche de soudage TIG de type classique comportant une électrode 8 en tungstène renfermant 2 X de thorium. L'électrode 8 peut être déplacée dans sa direction axiale a dans un sens ou dans l'autre, pour régler la distance de sa pointe Sa à la surface extérieure du crayon 1 (flèche 7 sur la figure). Enfin, l'enceinte de soudage étanche est reliée d'une part à une installation de pompage permettant sa mise sous vide et à un dispositif de remplissage de l enceinte par-de l'hélium sous une pression réglable entre 15 et 45 bars. Dans une première phase, on réalise la purge du volume intérieur de la gaine 2. Pour cela, après fermeture étanche de l'enceinte, on met en fonctionnement le dispositif de pompage pour la mise sous vide de l'enceinte. Le volume intérieur de la gaine communiquant avec le volume intérieur de l'enceinte par son extrémité non fermée est ainsi facilement évacué de tout gaz présent autour des pastilles ou absorbé à la surface de ces pastilles On introduit alors dans l'enceinte de l'hé- lium sous la pression de service choisie pour réaliser la pressurisation interne du crayon 1. Le volume interne de la gaine 2 se met alors en équipression avec le volume intérieur de l enceinte étanche si bien que la gaine 2 est remplie d'hélium à la pression de service. Le bouchon 4 est alors mis en place grace au dispositif de manipulation, son extrémité 4a de forme légèrement tronconique étant engagée dans l'extrémité ouverte de la gaine 2, comme représenté sur la figure. Ces opérations préalables à la mise en oeuvre du procédé de fermeture étanche suivant l'invention peuvent être réalisées par tout moyen connu. L'enceinte étanche est maintenue sous la pression d'hélium de service, le volume interne de la gaine 2 restant en équipression avec cette enceinte. L'électrode 8 est mise dans sa position de service, l'extrémité de sa pointe Sa venant à une distance d parfaitement déterminée de la surface ex terne de l'élément combustible, dans la zone de jonction entre la gaine 2 et le bouchon 4. Le crayon combustible 1 est alors mis en rotation comme indiqué par la flèche 6. L'électrode S est alimentée en courant électrique et le soudage circulaire a lieu pendant la rotation du crayon, dans l'hélium sous haute pression. Le soudage ayant lieu sous gaz inerte, la torche de soudage TIG ne comporte pas de buse d'alimentation et de balayage en gaz inerte. En réglant soigneusement les paramètres de soudage, on a obtenu, un arc parfaitement stable et une qualité de soudure parfaite. On donnera ci-dessous plusieurs exemples de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention caractérisé par des paramètres de soudage différents. Premier exemole On a utilisé une électrode de tungstène thorié à 2 Y. d'un diamètre de 2 mm dont l'angle au sommet de la pointe Sa a une valeur de 20, cette pointe Sa étant terminée par un arrondi de rayon L égai 0,4 mm. La polarité de l'électrode est négative. L'électrode est placée à une distance d de l'élément combustible 1 voisine de 0,4 mm. L'intensité du courant de soudage est réglée à une valeur voisine de 20 Ampères. L'enceinte est remplie d'hélium sous une pression de 15 bars. L'élément combustible est mis en rotation à une vitesse de 11 tours par minute pendant le soudage. La zone fondue pendant le soudage a une largeur d'environ 2 mm et une profondeur de l'ordre de 80 Y de l'épaisseur de la gaine. La soudure est de bonne qualité mais pour augmenter la pénétration de la zone soudée, il n'est pas possible d augmenter l'intensité au-delà d'une certaine limite, sans chauffer exagérément le tube, ce qui donne naissance à une soudure trop large à l'aspect irrégulier. Dans le cas présent, l'intensité limite de soudage est de 22 Ampères. De manière préférentielle, on utilisera un appareil de soudage à courant pulsé qui permet d'obtenir une meilleure pénétration tout en maintenant une très bonne qualité de la soudure. Second Exemple On a utilisé un appareil de soudage à courant pulsé permettant de régler les différents paramètres caractérisant le cycle de soudage. Ces paramètres comprennent en particulier la fréquence de pulsations f, l'intensité d'amorçage Ia, l'intensité maximale pendant le soudage I MAX, l'in- tensité minimum I MIN, le temps d amorçage tA, le temps de soudage t F et le temps d'extinction tEs On en déduit l'intensité moyenne du soudage Im. Le soudage est effectué dans une atmosphère d'hélium à la pression de 15 bars, la vitesse de rotation de l'élément combustible est de 15 tours par minute, ce qui représente une vitesse linéaire de l'or- dre de 45 cm/mn et la tension à vide minimale de l'électrode est établie à 150 volts. Les paramètres de soudage énumérés ci-dessus ont été fixés, lors de trois essais successifs référencés 1, 2 et 3, aux valeurs données dans le tableau indiqué ci-dessous. Essais f(Hz) IA Imax Imin Im tA TS tE 1. 4 14A 19A 15,5A 17A îs 3s 3s 2 4 14A 18,5A 15,5A 16A 1s 3s ' 3s 3 4 14A 21A 15,5A 16,5A is 3s 3s Ces conditions ont permis d'obtenir une soudure de bonne qualité avec une pénétration correspondant à l'épaisseur totale de la gaine. Dans tous les cas, la fréquence de pulsations a été maintenue à une valeur de 4 Hz et l'intensité d'amorçage à 14 Ampères. Le temps total de soudage est de 7 secondes se décomposant en une seconde d'amorçage, trois secondes de soudage (correspondant à trois-quarts de tour) et trois secondes d'extinction. Pendant la première seconde du temps d'extinction, l'arc vient en contact avec la partie soudée lors de l'amorçage et en effectue la refusion. Pendant les deux secondes finales de l'extinction, l'arc balaye le cordon déjà soudé, sans effet notable. Pour obtenir une meilleure tenue de l'électrode et une plus longue durée de vie, on a utilisé un angle au sommet de la pointe Sa d'une valeur de 60 terminé par un arrondi d'un rayon L égal 0,4 mm environ. La distance électrode-pièce t a été maintenue à une distance voisine de 0,8 mm. Troisième exemple On a opéré sous une atmosphère d'hélium à 30 bars, les paramètres de soudage étant fixés à des valeurs proches de celles indiquées ci-dessus. On a obtenu un arc stable et une qualité satisfaisante de la soudure en limitant l-a distance électrode-pièce d à la valeur 0,4 mm. Quatrième exemDle A la pulsation basse fréquence, il est possible de superposer une pulsation haute fréquence à l'intensité haute qui brasse encore plus de bain, ainsi les conditions suivantes conduisent à des soudures de bonne qualité pour une vitesse de rotation de 16 tours/minutes. PULSATION BASSE PULSATION HAUTE FREQUENCE FREQUENCE PRESSION I MAX DUREE I MIN DUREE F(Hz) VARIATION I MAX I MIN D'INTENSITE 30 bars 25 A 20 ms 15 A '20 ms 500 + 10 A 30 bars 25 A 20 ms 15 A 120 ms 2000 + 10 A 30 bars 25 A 20 ms 15 A 20 ms 3000 + 10 A 30 bars 25 A 20 ms 15 A 120 ms 5000 + 10 A 30 bars 85 A 10 ms 10 A 40 ms 5000 + 20 A Le procédé suivant l'invention a do.nc l'avantage d'éviter toute utilisation d'un queusot sur le bouchon ou la gaine de l'élément combustible, si bien que la fermeture étanche et la mise en équipression du crayon combustible peuvent être obtenues plus rapide ment et plus facilement que dans les procédés suivant. l'art antérieur. D'autre part, on a pu obtenir une soudure de bonne qualité par un procédé TIG, en particulier à courant pulsé. On a pu obtenir également des soudures de bonne qualité, dans l'hélium à une pression allant de 15 à 45 bars, en utilisant un dispositif de soudage à laser. On peut effectuer le soudage soit en laser continu de 500 W de puissance ou plus, soit en laser YAG de 300 V. Les conditions de soudage pour les bouchons employés conduisant à une pénétration au moins égale à l'épaisseur de la gaine pour une vitesse de rotation de 15 tours/minute sont en laser YAG énergie La largeur du cordon de soudure est de 0,7 à 1 mm, la largeur de la zone affectée thermiquement de 1,5 à 2,5 mm environ. Le soudage par microplasma fournit une densité d'énergie plus élevée que le soudage TIG. Il permet donc d'obtenir une réduction de la largeur des cordons de soudure et une zone affectée thermiquement à pénétration équivalente. En outre, les risques de pollution de la soudure par le tungstène issu de l'é- lectrode sont quasi nuls. Pour des intenstés inférieures à 15A, les largeurs de cordons de soudure restent inférieures à 2 mm et la pénétration supérieure à l'épaisseur de la gaine. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi que les paramètres de soudage peuvent être fixés à des valeurs différentes et adaptés au cas de l'élément combustible à souder, suivant ses caractéristiques et le matériau de la gaine et du bouchon et suivant la forme du bouchon. Il est possible de mettre en oeuvre l'invention de manière différente et de réaliser le soudage des deux bouchons, soit successivement, soit simultanément à l'intérieur de la méme enceinte sous pression d'hélium. Dans ce cas, la purge du volume interne du crayon et sa mise sous pression d'hélium sont facilitées par le fait que ses deux extrémités sont ouvertes à l'intérieur de l'enceinte. L'invention peut etre appliquée à la fermeture étanche d'éléments combustibles pour des réacteurs nucléaires à eau bouillante aussi bien qu'à eau sous pression et, de manière générale, pour tout élément combustible pour réacteur à eau légère. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fermeture étanche d'un élément combustible nucléaire (1) comportant une gaine métallique tubulaire (2) renfermant des pastilles (3? de matériau combustible empilées suivant la direction axiale (5) de la gaine (2) et deux bouchons (4) de fermeture étanche des extrémités de la gaine (2) des tinés à maintenir, dans le volume intérieur de la gaine (2), un gaz inerte sous une pression de service sensiblement supérieure à la pression atmosphérique, après la fermeture de l'élément combustible (1) réali -sée par soudage des bouchons (4) sur la gaine (2) à l'intérieur d'une enceinte étanche, la paroi de la gaine (2) et des bouchons (4) ne comportant pas d'ou verture traversante, caractérisé par le fait que le soudage de 1 'un au moins des bouchon.s (4) est effectué dans l'enceinte remplie de gaz inerte à la pression de service, par l'un des procédés suivants - soudage à l'arc avec électrode de tungstène, - soudage par microplasma, - soudage par laser. 2.- Procédé suivant la revendication 1, ca ractérisé par le fait que le gaz inerte est de l'hé lium à une pression de service au moins égale à 15 bars et au plus égale à 45 bars. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des re vendications 1 et 2 caractérisé par le fait que la gaine (2) de l'élément combustible (1) est entièrement située à l'intérieur de l'enceinte étanche remplie de gaz inerte sous pression pendant le soudage. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des re vendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le soudage du bouchon (4) sur la gaine (2) est effectué par procédé à 1' arc à courant pulsé. 5.- Procédé suivant la revendication 4, ca ractérisé par le fait que la fréquence de pulsation est comprise entre 4 et 50 Hz.