Brevet FR2739187A1 — publié le 19970328

L'invention concerne un procédé de contrôle des caractéristiques d'une couche superficielle constituée notamment par de l'oxyde sur un élément en alliage de zirconium d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire. Les assemblages de combustible pour un réacteur nucléaire et en particulier les assemblages de combustible pour un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau comportent, à l'intérieur d'une ossature, des crayons de combustible qui sont maintenus sous la forme d'un faisceau dans lequel les crayons sont parallèles entre eux. Les crayons de combustible sont généralement constitués par un tube en un alliage absorbant faiblement les neutrons, tel qu'un alliage de zirconium, dans lequel sont empilées des pastilles de combustible nucléaire. Après remplissage par les pastilles de combustible, les tubes sont fermés à leurs extrémités par des bouchons qui sont soudés sur le tube constituant la gaine du crayon. L'ossature de l'assemblage combustible est elle-même constituée par des éléments qui sont pour la plupart réalisés en un alliage absorbant faiblement les neutrons tel qu'un alliage de zirconium. Le zirconium et ses alliages sont des métaux passivables, c'est-à-dire des métaux à la surface desquels il se forme naturellement une couche de passivation constituée d'oxyde ayant une très faible épaisseur qui protège le métal du milieu extérieur agressif. Dans le cas des gaines de crayons combustibles, ou d'autres éléments d'un assemblage de combustible en alliage de zirconium, cette couche de passivation conditionne notamment les échanges ioniques et électroniques entre le métal des éléments de l'assemblage de combustible et l'eau de refroidissement du réacteur à très haute température et à haute pression, pendant le fonctionne ment du réacteur nucléaire. Elle évolue en cours d'utilisation. Les caractéristiques de la couche d'oxyde, en ce qui concerne l'efficacité de la protection, dépendent en grande partie des conditions de formation initiales de cette couche à la surface de l'élément en alliage de zirconium. De manière générale, la corrosion à l'intérieur d'un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau sous pression produit, sur un substrat en alliage de zirconium constitué par du métal sain, au moins dans les premières phases de la corrosion, une couche de zircone noire, brillante, adhérente et protectrice. A l'inverse, sur un métal qui ne présente pas les caractéristiques métallurgiques requises ou qui a subi une pollution pendant une phase de fabrication telle que le soudage, la corrosion se développe par formation d'une couche de zircone blanche, non adhérente et non protectrice. Il est donc nécessaire de vérifier, par des essais appropriés, que le substrat en alliage de zirconium présente des propriétés satisfaisantes à l'issue de la fabrication de l'élément d'assemblage de combustible. Dans le cas d'un crayon combustible dont les extrémités sont fermées par des bouchons soudés, on doit vérifier si la zone de soudure est bien exempte de produits polluants. Pour cela, on effectue sur le crayon, un essai de corrosion de trois jours à 360" en autoclave puis on vérifie l'aspect de la couche superficielle passivée au niveau des soudures des bouchons. Dans le cas d'une soudure satisfaisante exempte de pollution, la couche d'oxyde de passivation est uniformément noire. La présence d'une pollution au niveau de la soudure se traduit par des traces blanches plus ou moins étendues ou par une coloration grisâtre. Un tel essai de corrosion en autoclave présente des inconvénients, dans le cadre d'une fabrication de crayons de combustible réalisée à une échelle industrielle. En effet, la durée de l'essai de corrosion, en tenant compte du temps de montée et de descente en température de l'autoclave est de cinq jours pendant lesquels la production de l'unité de fabrication de crayons de combustible est réalisée sans qu'on ait l'assurance du bon fonctionnement de l'unité de soudage. On ne peut donc pas prendre immédiatement les mesures correctives nécessaires dans le cas d'une pollution. Par conséquent, cet inconvénient peut entraîner des rebuts ou des réparations sur des quantités de produits significatives. En outre, la mise en circulation de la production après contrôle ne peut être effectuée qu'à l'issue du test, ce qui affecte la souplesse de fabrication et accroît la quantité de produits semi-ouvrés en cours de fabrication.En outre, l'essai de corrosion est un essai destructif qui ne peut être réalisé que sur un nombre restreint d'échantillons par poste de travail. Les autoclaves utilisés pour les essais sont immobilisés de manière permanente. Le résultat donné par l'essai de corrosion est un résultat tout ou rien purement qualitatif qui ne permet pas de déterminer l'écart de la production par rapport à la norme recherchée. Enfin, il n'existe pas de procédé sûr et rapide permettant de vérifier que la chambre de soudage est correctement purgée et que l'atmosphère protectrice qu'elle contient est correcte. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de contrôle des caractéristiques d'une couche superficielle constituée notamment par de l'oxyde, d'un élément en alliage de zirconium d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire, qui soit rapide et non destructif et qui permette d'obtenir un résultat quantitatif sans nécessiter l'utilisation de matériels d'essai complexes ; en particulier le procédé doit permettre de contrôler une couche d'oxyde sur un élément en alliage de zirconium, tel que par exemple un tube de gainage de crayon de combustible, et notamment de comparer quantitativement le niveau de qualité de la soudure du bouchon du crayon de combustible à des critères définis. Dans ce but, on applique une tension sinusoïdale V dans une zone de mesure de l'élément en alliage de zirconium, on mesure l'intensité I d'un courant sinusoïdal circulant dans la zone de mesure, on détermine l'impédance Z = V/I de la zone de mesure de l'élément et on compare l'impédance obtenue à au moins une valeur de référence pour en déduire les caractéristiques de la couche superficielle. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures jointes en annexe, un exemple de réalisation du procédé suivant l'invention, dans le cas du contrôle de la couche superficielle de passivation formée après une opération de soudage au niveau de la zone de soudure des bouchons de crayons de combustible pour un réacteur nucléaire à eau sous pression. La figure 1 est une vue schématique en élévation d'une installation de contrôle de la zone soudée d'extrémité de crayons combustibles. La figure 2 est une vue de dessus suivant 2 de la figure 1. La figure 3 est une vue analogue à la vue de la figure 1 d'une variante de l'installation de contrôle. Sur les figures 1 et 2, on voit un dispositif de contrôle désigné de manière générale par le repère 1 permettant de réaliser le contrôle de la couche d'oxyde formée sur la gaine de crayons de combustible 2, 2', au niveau de la zone de soudure 3, 3' d'un bouchon 4, 4' de fermeture d'une extrémité de la gaine du crayon 2, 2'. L'installation de contrôle 1 représentée sur les figures permet, soit de réaliser simultanément le contrôle de deux crayons 2, 2', soit de réaliser le contrôle d'un crayon combustible 2 comparativement à un étalon 2' constitué par un crayon combustible de référence ou un élément similaire. Les crayons combustibles 2 ou 2' comportent une gaine tubulaire en alliage de zirconium à l'intérieur de laquelle sont empilées des pastilles de matériau combustible. La gaine du crayon est fermée à ses deux extrémités par des bouchons tels que 4 qui sont engagés en force à l'intérieur de la partie d'extrémité de la gaine et fixés par une ligne de soudure telle que 3. La surface extérieure de la gaine du crayon en alliage de zirconium se recouvre d'une couche d'oxyde qui assure une protection du métal de la gaine. Dans le réacteur nucléaire en service, la couche d'oxyde s'épaissit et se renforce pendant les phases initiales du séjour de l'élément de combustible dans la partie primaire du réacteur nucléaire, la couche protectrice prenant la forme d'une couche de zircone de couleur noire, brillante qui assure une protection efficace de la gaine pendant le fonctionnement du réacteur ainsi que pendant les phases d'arrêt au cours desquelles on assure la manutention et éventuellement la réparation des assemblages de combustible. Dans le cas où, en cours de fabrication, la surface extérieure de la gaine subit certaines détériorations, par exemple dans le cas où l'opération de soudage des bouchons entraîne la présence de polluants sur la surface extérieure de la gaine, la couche d'oxyde est susceptible de devenir poreuse ou de présenter des discontinuités, de sorte que la protection du crayon n'est plus assurée de manière satisfaisante. L'installation de contrôle représentée sur les figures 1 et 2 permet de déterminer, par une mesure d'impédance, si la couche d'oxyde formée sur la partie d'extrémité du crayon comportant le bouchon présente des caractéristiques satisfaisantes. En particulier, le procédé de contrôle permet de déterminer si la couche d'oxyde est parfaitement compacte et adhérente sur la surface extérieure de la gaine et si elle ne présente pas de défauts dus par exemple à des traces de pollution dans la zone de soudure 3. L'installation de contrôle 1 comporte une cuve d'essai 5 contenant un électrolyte 6 et munie de moyens de passage et de support de parties d'extrémité de deux crayons combustibles 2, 2'. Les moyens de passage des crayons 2, 2' sont constitués par deux ajutages 5', 5" fixés sur la paroi de la cuve 5 au niveau d'ouvertures traversant la paroi de la cuve, à l'intérieur de chacun desquels est disposé un ensemble de joints étanches et de moyens d'isolation électrique. Les dispositifs de support 7, 7' des extrémités des crayons 2, 2' sont fixés sur la paroi de la cuve 5 opposée à la paroi sur laquelle sont fixés les ajutages 5', 5", dans le prolongement des supports 7, 7', respectivement. Chacun des supports 7, 7' comporte une ouverture d'engagement de la partie d'extrémité d'un bouchon 4, 4' d'un crayon de combustible 2 ou 2'. Les dispositifs de support des crayons comportent également à l'extérieur de la cuve d'essai 5, deux galets 8, 8', sur chacun desquels vient reposer la gaine d'un crayon 2 ou 2', lorsque la partie d'extrémité du crayon comprenant le bouchon 4 ou 4' est engagée à l'intérieur de la cuve d'essai 5. Le fond inférieur de la cuve d'essai 5 est traversé par une conduite de vidange 9 qui est reliée à une pompe 10 dont la partie de refoulement est reliée à une conduite 11 débouchant dans la partie supérieure d'un réservoir de stockage d'électrolyte 12. Le fond du réservoir de stockage d'électrolyte 12 est traversé par une conduite d'alimentation 13 sur laquelle est intercalée une pompe de remplissage 14. La conduite d'alimentation 13 débouche à la partie supérieure de la cuve d'essai 5. Un bac de rétention de liquide 15 est disposé en-dessous de la cuve d'essai 5, du réservoir 12 et de la pompe de vidange 10. On va maintenant décrire, en se référant aux figures 1 et 2, une opération de contrôle de la couche d'oxyde dans la partie d'extrémité d'un crayon de combustible 2. Dans une phase initiale, la cuve d'essai 5 est vide d'électrolyte et on introduit les extrémités d'un crayon 2 à contrôler, à travers l'ajutage 5", de manière que le bouchon 4 du crayon combustible 2 vienne s'engager dans l'ouverture du support 7. Les joints d'étanchéité disposés à l'intérieur de l'ajutage 5" sont comprimés par le crayon 2, de manière qu'ils puissent assurer une étanchéité au liquide électrolyte autour du crayon 2. De plus, la gaine du crayon est alors isolée électriquement de la cuve. Le crayon 2 vient reposer sur un galet de support 8 en matière isolante électrique. On réalise de la même manière, l'engagement d'un second crayon combustible 2' à contrôler à travers l'ajutage 5" et dans l'ouverture du second support 7. Le second crayon 2' vient reposer sur un second galet 8' en matière isolante, à l'extérieur de la cuve d'essai 5. Le second crayon 2' peut être un crayon dont on effectue le contrôle simultanément au contrôle du crayon 2 ou un crayon étalon présentant une couche dont les caractéristiques sont parfaitement connues. On utilise la pompe de remplissage 14 et la conduite d'alimentation 13 pour remplir la cuve d'essai 5 de liquide électrolyte 6. La gaine des crayons 2 et 2' est alors immergée dans le liquide électrolyte sur une longueur d, la zone de soudure 3 ou 3' du bouchon du crayon combustible étant immergée dans le liquide électrolyte 6. L'installation de contrôle comporte un dispositif de mesure d'impédance 16, constitué sous la forme d'un module comportant une source de courant électrique sinusoïdal et des moyens de mesure et d'enregistrement de la tension sinusoïdale fournie par la source de courant et un dispositif de mesure et d'enregistrement de l'intensité du courant mis en circulation par la source de courant électrique. Chacune des bornes de la source de courant élec- trique alternatif sinusoïdal 16 est reliée à un conducteur respectif 17 ou 17'. Chacun des conducteurs électriques 17 et 17' est solidaire à son extrémité d'une pince de fixation et de mise en contact qui peut être engagée et fixée sur une partie du crayon combustible 2 ou 2' située à l'extérieur de la cuve d'essai 5. Le conducteur 17 est relié à la surface extérieure de la gaine du crayon 2 alors que le conducteur 17' est relié à la surface extérieure de la gaine du crayon 2'. La source de courant électrique sinusoïdal permet de faire circuler un courant à travers la couche d'oxyde de la gaine du crayon 2 immergée dans l'électrolyte 6, à travers l'électrolyte 6 et à travers la couche d'oxyde de la gaine du crayon 2'. L'impédance Z correspondant au rapport de la tension V à l'intensité I du courant est mesurée par une unité de mesure et d'enregistrement du module 16. Cette impédance est représentative de l'état d'oxydation des parties d'extrémité des gaines des crayons 2 et 2'. La tension V du courant alternatif sinusoïdal est de la forme V = VO cos o > t. Cette tension est celle qui est fixée par la source de courant électrique. L'intensité I qui est mesurée et enregistrée par le module 16 a la forme I = 1o cos (0)t-4 > ). La tension nominale VO est limitée à une valeur faible pour éviter toute action du courant sur la gaine du crayon plongé dans l'électrolyte. VO peut être fixée par exemple à une valeur de 10 millivolts. Le module 16 permet de déterminer et d'enregistrer l'impédance complexe Z * = V/I = Vo/Io ei+. L'impédance complexe est donc caractérisée par le module d'impédance Vo/Io et par le déphasage . Des impédances obtenues à partir de l'intensité mesurée du courant électrique sont comparées à des valeurs de référence qui permettent de déterminer l'état de la couche d'oxyde sur la gaine du ou des crayons et en particulier l'état de la couche d'oxyde au niveau de la soudure 3 ou 3' du crayon. En fait, la couche d'oxyde à la surface de la gaine en alliage de zirconium a un comportement essentiellement capacitif. La mesure d'impédance permet donc de déterminer la capacité de la couche d'oxyde qui, en première approximation, peut être exprimée par la formule Z = 1/cl, dans laquelle Z est l'impédance de la couche d'oxyde, C est la capacité de la couche d'oxyde, o > = 2nf, f étant la fréquence du courant. La source de courant électrique est à fréquence variable, de manière qu'on puisse régler les conditions de la mesure. Dans le cas où l'impédance est élevée, c'est-àdire dans le cas où la capacité est faible, on peut en déduire, du fait que les échanges ioniques et électroniques à travers la couche sont réduits, la présence d'un oxyde protecteur. A l'inverse, lorsque l'impédance est plus faible et donc la capacité plus élevée, on peut en déduire une diminution du caractère protecteur de la couche d'oxyde. Il est cependant nécessaire de déterminer le circuit électrique équivalent le plus représentatif de la couche d'oxyde qui n'est pas purement de type capacitif. Par comparaison des valeurs d'impédance d'une capacité obtenue avec des valeurs de référence, on peut obtenir directement en sortie du module de contrôle 16, une évaluation des caractéristiques de la couche d'oxyde protectrice en ce qui concerne son homogénéité et son adhérence. En particulier, il est possible de déterminer de manière précise si la soudure des bouchons a été réalisée de manière satisfaisante et notamment n'a pas été soumise à une pollution. Sur la figure 3, on a représenté une variante de réalisation de l'installation de mesure suivant l'invention. Les éléments correspondants sur les figures 1 et 3 portent les mêmes repères. L'installation de mesure représentée sur la figure 3 permet de réaliser une mesure d'impédance sur un seul crayon de combustible 2 introduit et supporté dans la cuve d'essai 5 de la même manière que les crayons représentés sur les figures 1 et 2. Une électrode 18 introduite par la partie supérieure de la cuve 5 plonge dans le liquide électrolyte 6 contenu dans la cuve. L'électrode 18 est reliée par un conducteur électrique 17a à l'une des bornes d'une source de courant alternatif sinusoïdal d'un dispositif de mesure d'impédance 16' réalisé sous la forme d'un module comportant la source de courant alternatif et des moyens de mesure et d'enregistrement de la tension sinusoïdale fournie par la source et de l'intensité du courant mis en circulation par la source électrique. La seconde borne de la source de courant alternatif est reliée électriquement par l'intermédiaire d'un conducteur électrique 17b et d'une pince 17c à une partie de la gaine du crayon 2 située à l'extérieur de la cuve d'essai 5.La mesure d'impédance est réalisée comme décrit précédemment et permet d'effectuer un contrôle des caractéristiques de la couche superficielle du crayon comme précédemment. Le courant électrique fourni par l'électrode 18 circule dans l'électrolyte pour parvenir à l'extrémité du crayon puis dans la zone d'extrémité du crayon 2. Le dispositif selon la variante de la figure 3 permet d'effectuer un contrôle individuel de crayons de combustible et en particulier un contrôle de la zone de soudure du bouchon de chacun des crayons introduit dans la cuve d'essai 5. Il est bien évident qu'il est possible d'utiliser une cuve d'essai comportant plusieurs emplacements pour plusieurs crayons de combustible qui peuvent être contrôlés successivement ; il suffit pour cela de placer successivement la pince 17c en position de serrage du crayon dont on réalise le contrôle. L'électrode est réalisée en matériau résistant à l'attaque par l'électrolyte 6. Le procédé suivant l'invention permet de réaliser une mesure rapide (en quelques minutes), sans destruction ou altération de la gaine du crayon combustible, du fait que la composition chimique et la concentration de l'électrolyte ainsi que la tension de mesure utilisée sont choisies de manière à n'altérer ni la couche d'oxyde ni le substrat en alliage de zirconium. En définitive, la mesure est très sensible, de sorte qu'on détecte des niveaux de pollution non décelables par la méthode d'essai standardisée selon l'art antérieur. En outre, le contrôle se traduit par une mesure quantitative de l'impédance qui permet de distinguer de manière précise les différents niveaux de pollution de la couche d'oxyde résultant de l'opération de soudage. La méthode de mesure permet également d'obtenir des informations sur la structure de la couche d'oxyde et en particulier de savoir si la couche d'oxyde est poreuse ou compacte. Du fait de la rapidité de la mesure, on peut réagir immédiatement, dans le cas où le contrôle met en évidence une dérive par rapport aux valeurs de référence choisies. Du fait qu'il est non destructif, le contrôle peut être effectué sur les produits sortant de fabrication et non sur des témoins choisis par échantillonnage. Enfin, du fait de sa sensibilité, la méthode de contrôle selon l'invention permet d'effectuer des prévisions sur l'évolution du fonctionnement de la ligne de production de crayons combustibles et en particulier de l'unité de soudage des bouchons. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut utiliser une cuve d'essai ne comportant pas d'ajutages de passage des crayons de combustible ; dans ce cas, les crayons de combustible sont introduits dans la cuve par sa partie supérieure qui est ouverte et plongés dans le liquide électrolyte sur une certaine longueur, en-dessous du niveau supérieur de liquide électrolyte dans la cuve. On peut réaliser des mesures d'impédance sur la couche d'oxyde superficielle d'un crayon de combustible d'une manière différente de celle qui a été décrite avec ou sans utilisation d'un électrolyte. On peut effectuer les mesures sur un seul crayon de combustible ou sur plusieurs crayons. La méthode suivant l'invention est également applicable dans le cas d'éléments d'assemblages de combustible en alliage passivable tel qu'un alliage de zirconium différents d'un crayon de combustible. La méthode suivant l'invention peut s'appliquer par exemple aux tubes-guides ou aux grilles constitutives de l'ossature de l'assemblage de combustible qui sont généralement réalisés en alliage de zirconium, le contrôle étant effectué à l'aide d'un dispositif approprié. REVENDICATIONS 1.- Procédé de contrôle des caractéristiques d'une couche superficielle constituée notamment par de l'oxyde, d'un élément en alliage de zirconium (2, 2') d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'on applique une tension sinusoïdale V à une zone de mesure de l'élément en alliage de zirconium, qu'on mesure l'intensité I d'un courant sinusoïdal circulant dans la zone de mesure, qu'on détermine l'impédance Z = V/I de la zone de mesure de l'élément (2, 2') et qu'on compare l'impédance obtenue à au moins une valeur de référence pour en déduire les caractéristiques de la couche superficielle. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'impédance Z est sensiblement égale en valeur absolue à 1/C(J), avec C capacité de la couche superficielle d'oxyde et O) = 2nif, f étant la fréquence du courant de mesure et qu'on détermine la présence d'une couche compacte et protectrice dans le cas où C a une valeur faible et la présence d'une couche poreuse non protectrice, lorsque C a une valeur élevée. 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on applique le courant de mesure à l'élément (2, 2') en alliage de zirconium par l'intermédiaire d'un électrolyte (6). 4.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on fait passer le courant de mesure entre deux éléments en alliage de zirconium (2, 2') dont une partie d'extrémité est plongée dans l'électrolyte (6), de manière que le courant circule dans un premier élément (2) en alliage de zirconium jusqu'à son extrémité (4), puis à travers l'électrolyte jusqu'à la partie d'extrémité (4') du second élément en alliage de zirconium (2') puis dans une partie du second élément en alliage de zirconium (2'). 5.- Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par le fait qu'on fait passer le courant de mesure entre une électrode (18) plongée dans l'électrolyte (6) et un élément (2) en alliage de zirconium dont une partie d'extrémité est plongée dans l'électrolyte (6), de manière que le courant circule dans l'électrode (18), à travers l'électrolyte (6) jusqu'à la partie d'extrémité de l'élément (2) en alliage de zirconium puis dans une partie de l'élément (2) en alliage de zirconium. 6.- Dispositif de contrôle des caractéristiques d'une couche superficielle d'un élément en alliage de zirconium (2, 2') d'un assemblage de combustible pour un réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'il comporte une cuve d'essai (5), des moyens d'alimentation de la cuve (5) en liquide électrolyte (6), de manière à assurer l'immersion dans l'électrolyte (6) d'au moins une partie de l'élément en alliage de zirconium (2, 2'), un module d'alimentation électrique et de mesure d'impédance (16) et des moyens de liaison électrique (17, 17') entre le module (16) et l'élément en alliage de zirconium (2, 2'). 7.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que la cuve d'essai (5) comporte des moyens (5', 5", 7, 7') de support de deux éléments (2, 2') en alliage de zirconium en position immergée dans l'électrolyte (6) et des moyens de liaison électrique (17, 17') entre le module (16) et chacun des éléments (2, 2') en alliage de zirconium. 8.- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte une électrode (18) plongée dans l'électrolyte (6) et des moyens de liaison électrique (17a, 17b, 17c) entre le module (16) d'une part et l'électrode (18) et l'élément (2) en alliage de zirconium, d'autre part. 9.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que la cuve d'essai (5) comporte au moins un ajutage (5', 5") muni de joints d'étanchéité et d'isolation électrique pour le passage d'au moins un élément en alliage de zirconium (2, 2') à l'intérieur de la cuve (5), afin de le placer dans une disposition permettant une mesure d'impédance, dans laquelle l'élément présente une partie extérieure à la cuve d'essai qui est reliée électriquement au module d'alimentation électrique et de mesure (16) à l'extérieur de la cuve d'essai (5). 10.- Utilisation d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ou d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 pour le contrôle d'une couche d'oxyde formée sur la surface extérieure de la gaine d'un crayon de combustible (2, 2') pour un réacteur nucléaire.