Brevet FR2737335A1 — publié le 19970131

TUBE POUR ASSEMBLAGE DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL TUBE La présente invention concerne les tubes en alliage à base de zirconium utilisables notamment pour constituer la totalité ou la partie externe de la gaine d'un crayon de combustible nucléaire, ainsi que leur procédé de fabrication. On a jusqu'ici surtout utilisé des gaines en alliage dit "Zircaloy 4" qui contiennent de l'étain, du fer et du chrome en plus du zirconium. On a proposé de nombreuses autres compositions, avec des plages de teneur qui sont souvent tellement larges qu'elles apparaissent immédiatement comme purement spéculatives à l'homme de métier. On a en particulier proposé divers alliages avec une teneur en niobium dans une plage telle que la tenue au fluage thermique est très médiocre pour les valeurs maximales, quels que soient les traitements métallurgiques d'élaboration. On a également proposé des alliages contenant notamment, en plus du zirconium, de l'étain, destiné à améliorer la tenue au fluage, et du fer. L'invention vise notamment à fournir des tubes présentant à la fois un bon comportement au fluage et à la corrosion, même en milieu lithié à haute température, pouvant cependant être fabriqués avec un taux de rebut réduit, utilisable pour constituer des gaines ou des tubes guides d'assemblage de combustible. Une des causes de rebut est la formation, lors des traitements thermomécaniques, de criques qui conduisent à des défauts rendant les tubes inacceptables ; ce risque existe notamment pour des teneurs en étain élevées. Pour arriver aux résultats ci-dessus, l'invention propose notamment un tube en alliage à base de zirconium contenant, en poids, 0,8 à 1,8 % de niobium, 0,2 à 0,6 % d'étain et 0,02 à 0,2 % de fer, l'alliage étant à l'état recristallisé ou à l'état détendu, suivant que l'on veut favoriser la résistance à la corrosion ou au fluage. L'alliage contient une teneur en carbone comprise entre 30 et 180 ppm, une teneur en silicium comprise entre 10 et 120 ppm et une teneur en oxygène comprise entre 600 et 1600 ppm. La teneur relativement élevée en niobium, toujours supérieure à la limite de solubilité (environ 0,6 %), donne une résistance élevée à la corrosion en milieu aqueux à haute température. Utilisé seul, le niobium à ces teneurs donne à l'alliage des caractéristiques de fluage intéressantes mais insuffisantes. L'étain, associé au niobium, améliore la tenue au fluage ainsi que la tenue en milieu aqueux lithié sans risquer de provoquer des criques lors du laminage lorsqu'il a une teneur ne dépassant pas 0,6 %. Une teneur en fer allant jusqu'à 0,2 % participe à la compensation de l'effet défavorable de l'étain sur la corrosion généralisée. Les teneurs indiquées ci-dessus tiennent compte de ce que les tolérances et les variations au sein d'un même lingot font que les limites peuvent être atteintes même pour des teneurs nominales spécifiques dans un intervalle plus restreint. Par exemple, des teneurs nominales de 0,84 % et 1,71 % peuvent conduire, dans un même lingot, à des teneurs locales de 0,8 % et 1,8 % suivant qu'on est en tête ou en pied du lingot. L'alliage contient, en plus des éléments ci-dessus, les impuretés inévitables, toujours à de très faibles teneurs. I1 a été constaté que des teneurs nominales comprises entre 0,9 % et 1,1 % de niobium, entre 0,25 % et 0,35 % d'étain et entre 0,03 et 0,06 % de fer donnaient des résultats particulièrement favorables. Du fait de la teneur relativement faible en étain, la recristallisation au cours de l'élaboration peut être effectuée à une température relativement basse, inférieure à 6200C, ce qui a un effet favorable sur la résistance à la corrosion à chaud et sur le fluage. L'invention propose également un procédé de fabrication de tube destiné à constituer une gaine de crayon de combustible nucléaire ou un tube guide pour assemblage de combustible nucléaire. La phase initiale de l'élaboration peut être celle classiquement utilisée pour les alliages dits "Zircaloy 4". En revanche, les phases finales sont différentes et notamment ne font intervenir que des traitements thermiques de recristallisation à température relativement faible. Le procédé peut notamment comprendre les étapes suivantes - on constitue une barre en un alliage à base de zirconium ayant la composition mentionnée ci-dessus - on trempe à l'eau la barre après chauffage entre 10000C et 12000C - on file la barre à l'état d'ébauche tubulaire, après chauffage à une température comprise entre 6000C et 8000C - on recuit l'ébauche filée à une température comprise entre 5900C et 6500C - on lamine à froid ladite ébauche, en au moins quatre passes, pour obtenir un tube, avec des traitements thermiques intermédiaires entre 5600C et 6200C. Le taux de recristallisation est avantageusement croissant croissant d'une étape à la suivante pour affiner la taille de grain. On effectue en général un traitement thermique final, entre 5600C et 6200C lorsque l'alliage doit être à l'état recristallisé, entre 4700C à 5000C lorsque le tube doit être utilisé à l'état détendu. L'alliage ainsi obtenu présente une résistance à la corrosion généralisée, dans un milieu aqueux à haute température représentatif des conditions en réacteur à eau sous pression, comparable à celle des alliages connus Zr-Nb à teneur élevée en niobium et il a une résistance au fluage thermique très supérieure à celle de tels alliages et qui est comparable à celle des meilleurs alliages Zircaloy 4". A titre d'exemple, un alliage de 0,9 % à 1,1 % de niobium, de 0,25 % à 0,35 % d'étain et de 0,03 à 0,06 % de fer a été réalisé. La séquence de traitement métallurgique utilisée comportait un laminage en quatre cycles, entre lesquels étaient intercalés des traitements thermiques de deux heures à 5800C. Les taux d'écrouissage et les taux de recristallisation étaient les suivants Ecrouiseago Taux do (%) recristallisation (%) Première Passe 40 70 Passes (2 ou 3) 50 à 60 80 Dernière Passe 80 100 REVENDICATIONS 1. Tube en alliage à base de zirconium, destiné à constituer la totalité ou la partie externe d'une gaine de crayon de combustible nucléaire ou un tube guide pour assemblage de combustible nucléaire, constitué en un alliage à base de zirconium contenant, en poids, 0,8 à 1,8 % de niobium, 0,2 à 0,6 % d'étain et 0,02 à 0,2 % de fer, plus les impuretés inévitables et ayant une teneur en carbone comprise entre 30 et 180 ppm, une teneur en silicium comprise entre 10 et 120 ppm et une teneur en oxygène comprise entre 600 et 1600 ppm. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage est à l'état recristallisé. 3. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage est à l'état détendu. 4. Tube selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'alliage a une teneur comprise entre 0,9 % et 1,1 % de niobium, entre 0,25 % et 0,35 % d'étain et entre 0,03 % et 0,06 % de fer. 5. Procédé de fabrication de tube selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte la séquence suivante - on constitue une barre en un alliage contenant 0,8 à 1,8 % de niobium, 0,2 à 0,6 % d'étain et 0,02 à 0,2 % de fer - on trempe à l'eau la barre, après chauffage entre 10000C et 12000C - on file la barre à l'état d'ébauche après chauffage à une température comprise entre 6000C et 8000C - on recuit l'ébauche filée à une température comprise entre 5900C et 6500C - on lamine à froid ladite ébauche, en au moins quatre passes, pour obtenir un tube, avec des traitements thermiques intermédiaires entre 5600C et 6200C. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les passes de laminage s'effectuent sur des tubes à taux de recristallisation croissant. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par une étape finale de traitement thermique de recristallisation à une température comprise entre 5600C et 6200C. 8. Procédé suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape finale de détente de 4700C à 500 C environ.