Brevet FR2667527A1 — publié le 19920410

i La présente invention est relative à un équipement de perçage et/ou d'obturation au laser du trou de queusot d'un crayon combustible. Les crayons combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires sont constitués d'un tube de gainage en alliage de zirconium aux extrémités duquel sont emmanchés à force, puis soudés, des bouchons du même matériau, destinés à le fermer hermétiquement. Les crayons contiennent un empilage de pastilles combustibles maintenues en appui contre l'un des bouchons (dit bouchon inférieur) à l'aide d'un ressort comprimé entre la colonne fissile et le bou- chon opposé (bouchon supérieur) Le bouchon supérieur comporte un orifice de petit diamètre, dit "trou de queusot", permettant de pressuriser le crayon combus- tible à l'hélium avant de boucher ce trou par soudage, cette opération étant souvent appelée "queusotage". La longueur d'un crayon combustible est de l'ordre de 4 mètres et son diamètre d'environ 10 mm pour une épaisseur d'environ 0,6 mm. Les soudures de trou de queusot sont réa- lisées en atmosphère d'hélium hyperbare et consistent à effondrer les bords d'un orifice de petit diamètre (typiquement inférieur à 0,8 mm) Leur pénétration doit être supérieure ou égale à l'épaisseur de la gaine avec un niveau de garantie important. Le FR-A-2 305 827 propose d'effectuer le perçage et l'obturation de ce trou au moyen d'un faisceau laser, sans décrire de technologie concrète. L'invention a pour but de fournir un équipement permettant de percer et/ou d'obturer de façon automatisée les trous de queusot avec une faible consommation d'hélium. A cet effet, l'invention a pour objet un équipement de perçage et/ou d'obturation au laser du trou de queusot d'un crayon combustible, caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier de focalisation d'un faisceau laser comprenant une branche de sortie dans laquelle débouche une conduite de gaz sous pression; une enceinte qui comporte une fenêtre d' entrée du faisceau laser et un passage d'introduction et de positionnement d'un crayon combustible en regard de la fenêtre, ce passage étant muni d'un joint d'étanchéité; et une vanne d'arrêt interposée de façon étanche entre une bride d'extrémité de la branche de sortie du boîtier et la fenêtre de l'enceinte. Suivant d'autres caractéristiques: le trou de queusot du crayon étant ménagé axiale- ment, la fenêtre forme un siège d'appui pour le crayon; l'espace de l'enceinte situé entre la fenêtre et le joint d'étanchéité peut être relié à une source de gaz de balayage, à une pompe à vide ou à l'atmosphère; la vanne est du type à boisseau. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, dont la Figure unique représente en coupe longitu- dinale un équipement d'obturation de trou de queusot conforme à l'invention. L'équipement 1 représenté au dessin est destiné à obturer au laser le trou de queusot (non visible sur le dessin) ménagé axialement dans un bouchon tronconique 2 d'une série de crayons combus- tibles 3 Les crayons comprennent extérieurement une gaine 4 à chaque extrémité de laquelle a été préala- blement emmanché et soudé un bouchon L'équipement 1 comprend essentiellement un boîtier 5, une enceinte 6, un générateur laser YAG pulsé 7, un détecteur d'éner- gie ou de puissance 8, et une caméra 9. Le boîtier 5 comprend un corps central parallélépipédique 10 dans lequel est monté un miroir de renvoi 11 incliné à 450 Ce bottier est ouvert sur quatre faces successives, d'o partent quatre branches: une branche d'entrée 12 d'axe X-X supposé horizontal, comprenant un support tubulaire 13 et une lentille collimatrice 14 adjacente au corps 10 Une fibre optique 15 partant du générateur laser 7 se termine dans le support 13, o son extrémité est positionnée suivant l'axe X-X; une branche de sortie 16 d'axe Y-Y supposé vertical comprenant successivement, à partir du corps , une lentille de focalisation 17, un hublot 18 et une manchette 19 dont l'ouverture d'extrémité comporte une bride de fixation 20 Le hublot 18 est monté à joint étanche entre deux brides de la branche 16 as- semblées l'une à l'autre, et une conduite 21 d'amenée d'hélium sous environ 30 bars débouche dans la man- chette 19, juste au-dessous de ce hublot; une branche 22 de contrôle de faisceau laser, d'axe X-X, située à l'opposé de la branche 12. Cette branche 22 comporte des lentilles optiques convergente 23 et divergente 24, permettant d'adapter le diamètre du faisceau à la dimension du détecteur 8, et ce dernier est fixé à l'extrémité de la branche 22; et une branche 25 de contrôle visuel, d'axe Y-Y, située à l'opposé de la branche 16 Cette branche comporte des lentilles optiques convergente 26 et divergente 27, permettant d'adapter le diamètre de la lentille de focalisation du faisceau à l'objectif de la caméra 9, et cette dernière est fixée à l'extrémité de la branche 25. L'enceinte 5, de même axe général Y-Y que la manchette 19, est disposée sous le boîtier 5 Elle comporte un passage cylindrique 28 débouchant dans un lamage étagé 29 ouvert vers le haut Le passage 28 est muni, à une petite distance de ce lamage, d'un joint d'étanchéité annulaire 30 du type à lèvres. Une plaque d'appui 31 est fixée de façon étanche dans la partie extérieure, de plus grand diamètre, du lamage 29 Cette plaque comporte en son centre un trou 32 de forme convergente-divergente qui constitue la fenêtre de l'enceinte La partie interne 33 de cette fenêtre forme un siège conjugué du bouchon 2 des crayons combustibles comportant le trou de queusot central à obturer. Un conduit 34 de l'enceinte 6 débouchant dans la partie interne du lamage 29 peut, au moyen d'un distributeur non représenté, être relié sélec- tivement à une source d'hélium sous une pression lé- gèrement supérieure à la pression atmosphérique, à une pompe à vide ou à l'air libre, ou encore être fermé. La bride 20 de la manchette 19 est fixée de manière étanche sur l'enceinte 6 par l'intermédiaire du corps parallélépipédique 35 d'une électrovanne d'arrêt 36 à boisseau sphérique 37 et à tige d'actionnement rotative 38. En service, la vanne 36 étant fermée et en l'absence de tout crayon, l'enceinte 6 est soumise à un balayage d'hélium basse pression via le conduit 34, le lamage 29 et le passage 28 Un crayon combustible 3 est introduit dans le passage 28, à travers le joint , jusqu'à appui de son bouchon 2 sur le siège 33, puis maintenu par des moyens de serrage (non repré- sentés) dont est munie l'enceinte Le conduit 34 est relié à la pompe à vide pour évacuer l'air contenu dans le crayon 3, puis fermé, cette phase d'évacuation étant d'ailleurs optionnelle. La vanne 36 est ouverte, ce qui emplit le crayon d'hélium sous environ 30 bars et offre un passage pour le faisceau laser, à travers le passage cylindrique 39 du boisseau, jusqu'au trou de queusot. La fermeture du trou de queusot est alors effectuée au moyen du faisceau laser pulsé, lequel est véhiculé par la fibre optique 15, collimaté par la lentille 14, réfléchi par le miroir 11 et focalisé par la lentille 17 sur le trou à boucher Puis la vanne 36 est refer- mée, le conduit 34 est mis à l'atmosphère, le crayon 3 est évacué et le balayage de l'enceinte à l'hélium par le circuit basse pression est rétabli. Le miroir 11 est un miroir dichroique qui réfléchit la majorité (par exemple 97 %) du faisceau laser incident ( = 1,06 micron) et en laisse passer une petite fraction vers le détecteur 8 De plus, ce miroir est transparent à la lumière visible, ce qui permet à la caméra 9 de surveiller par visée reflex le bouchon 2 du crayon 3 à travers les lentilles 27, 26 et 17, le miroir 11, le hublot 18 et la fenêtre 32 lorsque la vanne 36 est ouverte. Le détecteur 8 permet de surveiller le faisceau laser, et par exemple de déclencher une alarme en cas de détérioration d'un composant optique ou d'un dysfonctionnement du générateur laser La caméra 9 permet de vérifier le positionnement du crayon dans l'enceinte 6 et, éventuellement, de déclencher également une alarme. La rigidité de tout l'équipement, constitué d'éléments métalliques fixés rigidement les uns sur les autres et comprenant des éléments optiques fixés rigidement dans le boîtier 5, assure une excellente focalisation du faisceau, indéréglable, à l'empla- cement de la soudure et une qualité élevée et bien reproductible des soudures L'équipement est cependant démontable et permet une maintenance aisée, et notamment un démontage et un entretien faciles du hublot 18. Grâce à l'agencement décrit comportant la vanne 36 entre le boîtier et l'enceinte, le volume mort d'hélium sous pression entourant le bouchon 2 et la partie adjacente du crayon est réduit au strict minimum, et il en est de même de la consommation d'hélium de l'installation. Comme on le comprend, le même équipement peut, si on le désire, servir également à percer le trou de queusot de chaque crayon combustible. Il est à noter que, en variante, 1 'électro- vanne à boisseau 36 peut être remplacée par tout autre type d'électrovanne qui, en position d'ouverture, of- fre un passage suffisant au faisceau laser focalisé. REVENDICATIONS 1 Equipement de perçage et/ou d'obturation au laser du trou de queusot d'un crayon combustible ( 3), caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier ( 5) de focalisation d'un faisceau laser comprenant une branche de sortie ( 16) dans laquelle débouche une conduite ( 21) de gaz sous pression; une enceinte ( 6) qui comporte une fenêtre ( 32) d'entrée du faisceau laser et un passage ( 28) d'intro- duction et de positionnement d'un crayon combustible en regard de la fenêtre, ce passage étant muni d'un joint d'étanchéité ( 30); et une vanne d'arrêt ( 36) interposée de façon étanche entre une bride d'extrémité ( 20) de la branche de sortie ( 16) du boîtier et la fenêtre ( 32) de l'enceinte. 2 Equipement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, le trou de queusot du crayon ( 3) étant ménagé axialement, la fenêtre ( 32) forme un siège d'appui ( 33) pour le crayon. 3 Equipement suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'espace de l'enceinte ( 5) situé entre la fenêtre ( 32) et le joint d'étanchéité ( 30) peut être relié à une source de gaz de balayage, à une pompe à vide ou à l'atmosphère. 4 Equipement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la vanne ( 36) est du type à boisseau ( 37).