Brevet FR2831984A1 — publié le 20030509

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une grille de support d'un ensemble de combustible nucléaire utilisé par exemple dans un réacteur à eau pressurisée, ainsi qu'une grille de support d'un ensemble de combustible nucléaire fabriqué par ce procédé. Les ensembles de combustible utilisés dans un réacteur nucléaire à eau légère ont compris jusqu'à présent une disposition de plusieurs grilles de support ayant des intervalles prédéterminés entre une buse supérieure et une buse inférieure, un tube d'instrumentation et plusieurs tubes de guidage de barres de contrôle montés sur chaque grille de support, une buse supérieure et une buse inférieure, et des barres de combustible maintenues par insertion dans les espaces de chaque grille de support. Chaque grille de support est formée par recoupement de minces barrettes en forme de bandes afin qu'elles constituent une grille. Les barrettes sont par exemple formées d'alliage "Zircaloy 2" ou "Zircaloy 4" et, comme l'indiquent les figures 2A et 2B, chaque barrette interne 2 est assemblée sous forme d'une grille, et les intersections auxquelles les barrettes internes 2 se croisent en formant un grand nombre d'espaces 3 de grille sont soudées par points sous forme de soudures P par un appareil de soudage à laser, etc. En outre, aux intersections des barrettes internes 2 et des barrettes externes 4, des parties de coopération (intersections) sont formées par mise en coopération de pattes 5 de soudage formées aux deux extrémités de chaque barrette interne 2 avec des fentes 4a des barrettes externes 4 placées aux quatre côtés de la grille de support 1, et elles sont alors soudées par des soudures R (l'état antérieur au soudage est représenté sur la figure 2B). Lors de l'assemblage d'une grille de support 1, une plaque d'un matériau formé d'alliage"Zircaloy"est d'abord poinçonnée à la forme prescrite, comme indiqué par le diagramme fonctionnel de la figure 3. A ce moment, comme un problème de stabilité dimensionnelle se pose dans le réacteur nucléaire si la grille de support 1 est assemblée à l'état original après le poinçonnage, chaque barrette 2 et 4 est recuite dans un four de traitement thermique par utilisation d'un recuit de relaxation de contraintes dans des conditions qui ne réduisent pas la résistance mécanique. Les conditions du recuit de relaxation de contraintes sont dans ce cas par exemple une température de chauffage de 430 à 500 C et un temps de maintien d'environ 0,5 à 4 h. Les barrettes 2 et 4 sont alors assemblées sous forme d'une grille après recuit de relaxation de contraintes, et le soudage est exécuté par centrage aux intersections P et R (y compris dans les parties de coopération) de chaque barrette 2 et 4, pour la fabrication d'une grille de support. Cependant, dans ce type de grille de support, une structure métallique dans laquelle des parties soudées P et R restent centrées aux intersections des barrettes 2 et 4 (structure soudée) reste sous forme d'une structure rapidement refroidie après soudage et, lors de l'utilisation, quand des ensembles combustibles sont placés dans de l'eau à haute température à l'intérieur d'un réacteur nucléaire en particulier, un film d'oxyde présente une croissance excessive sur les structures rapidement refroidies des parties soudées P et R, par rapport au matériau de base ordinaire utilisé dans les parties de barrette autres que les parties soudées P et R de chaque grille de support 1. Par exemple, dans l'essai de corrosion de grille de support illustré par la figure 4, lorsque les variations au cours du temps de l'épaisseur du film d'oxyde sont mesurées sur des parties du matériau de base ordinaire et des parties soudées de la grille de support précitée à une température élevée de 360 C comme indiqué sur la figure, lorsque le nombre de jours pendant lequel l'essai de corrosion est exécuté augmente, les films d'oxyde des parties de métal de base ordinaire et des parties soudées augmentent successivement. En outre, les épaisseurs du film d'oxyde variant au cours du temps pour les parties soudées ont dépassé celles des pièces du matériau de base de façon générale dans tous les cas, et la résistance à la corrosion des parties soudées était inférieure à celle des parties du matériau de base ordinaire. Comme décrit dans la littérature, notamment dans le document de S. G. MacDonald et al., ASTM STP 754, 1982, page 412, la cause de ce phénomène peut être considérée comme due à une perte d'éléments ajoutés aux parties soudées à cause du soudage. Bien que les caractéristiques de résistance à la corrosion des parties soudées d'une telle grille de support soient bien incluses dans la plage permise d'un réacteur nucléaire ordinaire et ne posent aucun problème particulier, lorsqu'un réacteur nucléaire ayant un combustible à consommation rapide, par exemple à pastilles combustibles dans lesquelles la concentration de Usa dans le bioxyde d'uranium augmente vers presque 5 %, fonctionne pendant une longue période avec une combustion élevée (rendement élevé), bien que la résistance à la corrosion des parties soudées puisse ne pas sortir de la plage permise, la marge de manoeuvre par rapport à la plage permise diminue. En outre, la formation excessive d'un film d'oxyde n'est pas toujours souhaitable au point de vue de la résistance mécanique de la grille de support. Compte tenu des problèmes précités, l'invention a pour objet la mise à disposition d'un procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible qui accroît la résistance à la corrosion des parties soudées sans réduire les caractéristiques de la grille de support, et d'une grille de support d'ensembles de combustible qui est fabriquée par ce procédé et qui possède d'excellentes caractéristiques. Le procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible selon l'invention repose sur la découverte du fait que la réduction relative de la résistance à la corrosion des parties soudées n'est pas due à la perte d'éléments ajoutés des parties soudées à la suite du soudage, comme indiqué précédemment, mais est plutôt due à la structure refroidie rapidement qui se forme après soudage. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible qui comprend les étapes suivantes : l'assemblage de plusieurs barrettes sous forme d'une grille, le soudage des intersections de toutes les barrettes, et l'exécution de leur recuit afin qu'un composé intermétallique précipite sur les parties soudées. Dans le procédé de fabrication selon l'invention, même si la résistance à la corrosion de la structure des parties soudées refroidie rapidement après le soudage diminue, grâce à l'exécution du recuit postérieur, la structure rapidement refroidie des parties soudées est ajustée et un composé intermétallique précipite et donne une meilleure résistance à la corrosion. En conséquence, même lorsqu'un fonctionnement très efficace est utilisé avec un combustible à consommation rapide, il est possible d'obtenir une excellente plage de résistance à la corrosion, et une résistance à la corrosion convenable peut être obtenue au cours d'un fonctionnement de longue durée. En outre, lorsque la grille de support est assemblée et les intersections des barrettes sont soudées, bien que la résistance à la corrosion diminue à cause des cristaux de la structure rapidement refroidie des parties soudées qui se transforment à cause du refroidissement rapide des pièces après soudage, la structure rapidement refroidie des pièces soudées dont les cristaux ont été transformés peut être ajustée afin que la résistance à la corrosion soit accrue par recuit de la grille de support dans une étape ultérieure. Dans le procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible, il est avantageux que les barrettes soient formées d'alliage"Zircaloy". Dans le procédé de fabrication de la grille de support d'ensembles de combustible, il est très avantageux que l'alliage"Zircaloy"contienne de l'étain en quantité comprise entre 1,2 et 1,7 % en poids, du fer en quantité comprise entre 0,18 et 0,24 % en poids, du chrome en quantité comprise entre 0,07 et 0,13 % en poids, et de l'oxygène en quantité comprise entre 0,09 et 0,16 % en poids, le reste étant formé de zirconium et des impuretés inévitables. Comme décrit, l'alliage"Zircaloy"utilisé selon l'invention peut contenir une petite quantité d'impuretés inévitables. En particulier, lorsque les barrettes sont formées d'alliage"Zircaloy", bien que la phase, qui est une phase métallique à température élevée, se transforme en cristaux d'une structure trempée du fait du refroidissement rapide après soudage et provoque une réduction de la résistance à la corrosion, la structure métallique de la phase antérieure à la phase ss, qui est la structure rapidement refroidie des parties soudées, peut être ajustée par recuit ultérieur afin qu'un composé intermétallique précipite et accroisse la résistance à la corrosion des parties soudées. Dans le procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible, le recuit est de préférence un recuit de recristallisation qui transforme les parties soudées en une structure recristallisée. Après ce recuit de recristallisation, la contrainte de la structure rapidement refroidie des parties soudées est ajustée et éliminée, si bien que la structure se transforme en une structure recristallisée et la résistance à la corrosion est accrue par précipitation d'un composé intermétallique. En outre, selon l'invention, le recuit de relaxation de contraintes de la technique antérieure, destiné à supprimer la déformation provoquée par le poinçonnage de la plaque du matériau, n'est pas exécuté. Même si la résistance mécanique des barrettes augmente lors du recuit de relaxation de contraintes qui supprime la déformation créée par poinçonnage, comme la résistance mécanique diminue parce que la structure des parties contenant la déformation de poinçonnage se transforme par exécution ultérieure du recuit de cristallisation, le recuit de relaxation de contraintes est totalement inutile. En outre, le recuit est de préférence réalisé par réglage de la température de recuit entre 560 et 750 C, pendant un temps de maintien de 0,5 à 24 h. En outre, le recuit est exécuté de façon très avantageuse entre 660 et 700 C. A la suite du maintien pendant un temps prescrit à une température de chauffage comprise dans cette plage, en plus de l'augmentation de la résistance à la corrosion due à la précipitation d'un composé intermétallique après l'ajustement de la structure refroidie rapidement des parties soudées, les déformations et contraintes internes dues au soudage et au poinçonnage peuvent être éliminées. En particulier, une température de recuit comprise entre 560 et 730 C est une condition de recristallisation qui ne provoque pas une réduction de la résistance à la corrosion, alors que, si la température de recuit dépasse 750 C, un inconvénient est dû au fait que cette opération risque de provoquer une réduction de la résistance à la corrosion. En outre, lorsque le temps de maintien à la température de recuit est inférieur à 0,5 h, il n'est pas possible d'ajuster la structure refroidie rapidement des parties soudées et de provoquer la précipitation d'un composé intermétallique, alors qu'un temps de maintien qui dépasse 24 h pose un problème potentiel de tendance à la réduction de la résistance à la corrosion. En outre, dans le procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible, lorsqu'un métal de remplissage est utilisé pour le soudage, il est avantageux que ce métal contienne de l'étain en quantité comprise entre 1,2 et 1,7 % en poids, du fer en quantité comprise entre 0,18 et 0,24 % en poids, du chrome en quantité comprise entre 0,07 et 0,13 % en poids, et de l'oxygène en quantité comprise entre 0,09 et 0,16 % en poids, le reste étant formé de zirconium et des impuretés inévitables. Dans le procédé de fabrication de la grille de support d'ensembles de combustible, comme un métal de remplissage ayant une telle composition est utilisé pour le soudage, il est possible d'empêcher la réduction de volume des intersections, provoquée par la fusion et l'écoulement du matériau formant les intersections au cours du soudage. En outre, comme le métal de remplissage a une telle composition, il est possible de fabriquer la grille de support avec une excellente résistance mécanique. En outre, dans le procédé de fabrication de la grille de support d'ensembles de combustible, il est avantageux que le composé intermétallique soit représenté par la formule Zr (Fe, Cr) 2. De plus, pour que cet objet soit atteint, l'invention concerne une grille de support d'ensembles de combustible peut être obtenue par le procédé de fabrication d'une telle grille de support. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est un diagramme fonctionnel représentant les étapes de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible dans un mode de réalisation de l'invention ; les figures 2A et 2B sont des vues en perspective d'un exemple de grille de support représentant respectivement les intersections des barrettes internes et les parties d'intersection des barrettes internes et externes ; la figure 3 est un diagramme fonctionnel représentant les étapes de fabrication de la grille de support de la technique antérieure ; et la figure 4 est un graphique indiquant la relation entre le nombre de jours de l'essai de corrosion et l'épaisseur du film d'oxyde dans le cas d'un matériau de base ordinaire et de parties soudées d'une barrette. La figure 1 est un diagramme fonctionnel illustrant les étapes de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible dans un mode de réalisation de l'invention. La grille de support fabriquée dans ce mode de réalisation de l'invention est analogue à celle de la technique antérieure en ce qu'elle est formée par combinaison de minces barrettes en forme de bandes constituant une grille. Les barrettes comportent des barrettes internes et des barrettes externes, et ces barrettes sont formées par exemple d'alliage"Zircaloy", tel que"Zircaloy 2"ou"Zircaloy 4". La grille de support est assemblée par soudage et raccordement des intersections des barrettes internes correspondantes, des intersections des barrettes internes et externes, et des intersections des barrettes externes correspondantes, sous forme solidaire. On décrit maintenant le procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible dans ce mode de réalisation, en référence au diagramme fonctionnel de la figure 1. Un alliage"Zircaloy", tel que"Zircaloy 2"ou "Zircaloy 411, est d'abord préparé pour être utilisé comme plaque de matériau (étape 101), puis est poinçonné à la forme des barrettes voulues (étape 102). Après ce poinçonnage, les barrettes subissent une déformation plastique et un centrage sur les parties poinçonnées, et forment une structure traitée. Ensuite, plusieurs barrettes internes et externes sont assemblées à la forme d'une grille de support (étape 103). Les intersections des barrettes internes correspondantes, les intersections des barrettes internes et externes (comprenant des parties de coopération) et les intersections des barrettes externes correspondantes sont soudées (étape 104). Après soudage, bien que la structure des parties soudées de l'alliage"Zircaloy"présente un changement dans lequel elle se transforme d'une phase stable à basse température sous forme d'une phase a à grains cristallins sphériques en une forme stable à haute température comprenant une phase ss, puisque les parties soudées sont rapidement refroidies, par exemple à une vitesse d'environ 100 C/s après le soudage, la structure rapidement refroidie des parties soudées se transforme en une structure trempée de la phase ss donnant une phase antérieure à la phase ss (ou phase a trempée), provoquant une réduction de la résistance à la corrosion due à la transformation des cristaux en grains cristallins de forme aciculaire. En outre, si la structure rapidement refroidie des parties soudées est utilisée dans un réacteur nucléaire dans le même état qu'après soudage (structure soudée), une croissance excessive d'un film d'oxyde apparaît par rapport à des parties contenant le matériau de base ordinaire dans des régions autres que les barrettes (voir figure 4). Ensuite, la grille de support assemblée est soumise à un recuit de recristallisation (étape 105). En conséquence, la grille de support est maintenue dans un four de traitement thermique, et l'intérieur de ce four est mis sous vide ou rempli d'une atmosphère de gaz inerte, puis le recuit de recristallisation est exécuté. Les conditions du recuit de recristallisation sont une température de chauffage comprise entre 430 et 750 C et, lorsque la résistance à la corrosion est particulièrement importante, dans une plage de 500 à 750 C, de préférence de 560 à 730 C et très avantageusement de 600 à 720 C, et un temps de chauffage tel que la température de chauffage est maintenue pendant 0,5 à 24 h, si bien que la déformation de la structure rapidement refroidie des parties soudées peut être ajustée et éliminée, et la structure peut être transformée en une structure recristallisée. De plus, la résistance à la corrosion des parties soudées peut être accrue par ajustement de la structure rapidement refroidie des parties soudées qui provoque une précipitation d'un composé intermétallique dans la phase antérieure à la phase P de cette structure rapidement refroidie. Plus précisément, bien que le fer et le chrome, qui forment un composé intermétallique dans l'alliage "Zircaloy", passent difficilement en solution solide dans la phase a à basse température, comme ils passent en solution solide à une concentration élevée dans la phase ss à haute température pendant le soudage, ils sont présents à l'état sursaturé dans la phase antérieure à l'état ss (phase a trempée) qui est refroidie rapidement lorsque la structure est transformée en une structure trempée par refroidissement rapide après soudage. L'état sursaturé du fer et du chrome est supprimé par recuit de recristallisation qui provoque la précipitation sous forme d'un composé intermétallique. En outre, si la température de recuit est comprise entre 430 et 500 C dans la plage précitée de températures de 430 à 750 C, bien que la résistance à la corrosion des pièces soudées soit nettement inférieure à celle qui est obtenue dans le cas où la température de recuit dépasse 500 C, la résistance mécanique des pièces soudées est accrue, alors que, lorsque la température de recuit est comprise entre 500 et 750 C, bien que la résistance mécanique des pièces soudées soit moins bonne que celle qui est obtenue par traitement dans la plage de 430 à 500 C, la résistance à la corrosion des pièces soudées est excellente. En outre, si la température de recuit, parmi les conditions du recuit de recristallisation, est inférieure à 430 C, il apparaît des inconvénients car la relaxation des contraintes est insuffisante alors que, si la température dépasse 750 C, la tendance à la réduction de la résistance à la corrosion pose un problème. En outre, si la température de recuit est comprise entre 560 et 730 C, les conditions de recristallisation sont telles que la résistance à la corrosion ne diminue pas alors que, si la température est comprise entre 600 et 720 C, des effets encore plus avantageux sont obtenus et permettent l'observation d'une croissance efficace du précipité. Si le temps de maintien à la température de recuit est inférieur à 0,5 h, il n'est pas possible d'ajuster la structure rapidement refroidie des parties soudées et de faire précipiter un composé intermétallique alors que, si le temps de maintien dépasse 24 h, un problème se pose car la résistance à la corrosion risque d'être réduite. De cette manière, une grille de support peut être produite avec une excellente résistance à la corrosion (étape 106). Dans le mode de réalisation décrit précédemment, la résistance à la corrosion des parties soudées peut être accrue sans réduction des caractéristiques de la grille de support formée d'une plaque d'alliage"Zircaloy". En conséquence, même dans le cas de la mise en oeuvre d'un fonctionnement très efficace d'un réacteur nucléaire mettant en oeuvre par exemple un combustible à consommation rapide dans lequel la concentration de U238 des pastilles combustibles d'uranium est accrue, un fonctionnement encore plus fiable est possible puisque la marge de résistance à la corrosion des pièces soudées de la grille de support est accrue. On décrit maintenant des exemples de recuit de recristallisation de la grille de support selon l'invention. Exemples 1 à 4 et exemple comparatif 1 On a utilisé pour les barrettes l'alliage"Zircaloy 4", et les intersections de la grille de support ont été soudées par points. Après soudage, la vitesse de refroidissement a été réglée à 100 C/s. Dans l'exemple 1, le recuit de recristallisation a été exécuté à une température de chauffage de 600 C pendant 0,5 h. Dans l'exemple 2, le recuit de recristallisation a été exécuté à une température de chauffage de 680 C pendant 0,5 h. Dans l'exemple 3, le recuit de recristallisation a été exécuté à une température de chauffage de 680 C pendant 2 h. Dans l'exemple 4, le recuit de recristallisation a été exécuté à une température de chauffage de 680 C pendant 8 h. En outre, dans l'exemple comparatif 1 de la technique antérieure, les pièces soudées sont restées avec leur structure soudée sans recuit de recristallisation après le soudage. La relation entre les conditions de température de recristallisation et l'état de précipitation du composé intermétallique des exemples 1 à 4 et de l'exemple comparatif 1 de la technique antérieure est indiquée dans le tableau qui suit. Tableau Conditions Quantité Résistance à de recuit de précipité la corrosion Exemple Structure Néant Mauvaise comparatif 1 soudée (technique antérieure) Exemple 1 600 C, 0,5 h Petite Bonne Exemple 2 680 C, 0,5 h Petite Bonne Exemple 3 680 C, 2 h Grande Excellente Exemple 4 680 C, 8 h Grande Excellente Comme l'indiquent clairement les résultats du tableau, dans les exemples 1 à 4, le composé intermétallique a pu précipiter dans la structure soudée grâce au recuit pendant 0,5 h à une température de chauffage de 600 à 680 C, et une plus grande quantité du composé intermétallique a pu précipiter lorsque le recuit a été réalisé pendant un temps plus long. En conséquence, il est confirme que la résistance à la corrosion peut être accrue dans tous les exemples 1 à 4, et elle peut en particulier être accrue par un recuit pendant de plus longues périodes. Au contraire, dans l'exemple comparatif 1 de la technique antérieure, le composé intermétallique n'a pas pu précipiter, et l'augmentation de la résistance à a corrosion ne s'est pas manifestée. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et grilles qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une grille de support d'ensembles de combustible nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : l'assemblage de plusieurs barrettes (2,4) sous forme d'une grille (1), le soudage des intersections des barrettes (2,4), et l'exécution d'un recuit postérieur pour la précipitation d'un composé métallique sur les parties soudées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les barrettes (2,4) sont formées d'alliage"Zircaloy". 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le recuit est exécuté à une température comprise entre 560 et 750 C et maintenue pendant 0,5 à 24 h. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alliage"Zircaloy"contient 1,2 à 1,7 % en poids d'étain, 0,18 à 0,24 % en poids de fer, 0,07 à 0,13 % en poids de chrome, et 0,09 à 0,16 % en poids d'oxygène, le reste étant formé de zirconium et d'impuretés inévitables. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le recuit est exécuté à une température comprise entre 660 et 700 C. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un métal de remplissage utilisé pour le soudage contient 1,2 à 1,7 % en poids d'étain, 0,18 à 0,24 % en poids de fer, 0,07 à 0,13 % en poids de chrome, et 0,09 à 0,16 % en poids d'oxygène, le reste étant formé de zirconium et d'impuretés inévitables. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé intermétallique est représenté par la formule Zr (Fe, Cr) 2. 8. Grille de support d'ensembles de combustible nucléaire, caractérisée en ce qu'elle est préparée par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.