Brevet FR2984582A1 — publié le 20130621

Procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible L'invention concerne de manière générale le soudage de bouchons sur des gaines de crayons de combustible nucléaire. Les crayons de combustible sont des tubes métalliques (appelées gaines) adaptés pour recevoir des pastilles de combustible, telles que des pastilles de dioxyde d'uranium (UO2), et bouchés par soudage au niveau de leurs extrémités libres par des bouchons métalliques. Lors du soudage, il est important de ne pas dégrader l'intégrité du crayon de combustible pour des questions de sûreté, la gaine constituant une barrière de confinement du produit radioactif. Cette dégradation peut être une conséquence de défauts de compacité qui se traduisent par un glissement de la gaine le long du bouchon de sorte qu'elle se trouve poussée vers l'extérieur. Un autre type de défaut est lié à la mise en oeuvre de nouveaux matériaux, tels que des alliages métalliques renforcés, notamment des alliages métallique du type ODS (acronyme de Oxide Dispersion Strengthened, pour renforcé par dispersion d'oxyde). Il s'agit des défauts métallurgiques apparaissant lors du soudage dans les zones adjacentes à l'interface des pièces à souder, en conséquence d'une modification de la dispersion des renforts dans la matrice métallique. La répartition des nano-renforts n'est alors plus semblable à celle de l'alliage métallique initial, et des hétérogénéités de microstructure apparaissent. Ces types d'alliages métalliques ont l'avantage de présenter une bonne tenue au fluage thermique et au fluage sous irradiation, assurée par une dispersion homogène d'oxydes nanométriques au sein du matériau, et constituent donc une famille de matériaux intéressante pour la réalisation des crayons de combustible de réacteurs à neutrons rapides avec caloporteur sodium (RNR-Na). Toutefois, le passage de ces métaux en phase liquide est susceptible de modifier la dispersion d'oxydes dégradant ainsi localement les propriétés mécaniques, ce qui risque d'endommager prématurément les gaines. Les procédés de soudage en phase solide tels que le soudage par résistance sont donc privilégiés pour ces types de matériaux. Il a été proposé par exemple dans l'article de S. de BURBURE, Resistance welding of pressurized capsules for in-pile creep experiments, Welding Journal, Nov. 1978, p. 23-30, de souder par résistance en phase liquide un bouchon sur une gaine en acier renforcé par dispersion d'oxyde, le bouchon et la gaine présentant tous les deux un chanfrein d'un angle de 45° sur leurs surfaces de contact. Le diamètre externe du bouchon est en outre plus grand que le diamètre externe de la gaine afin d'améliorer la concentricité du bouchon et de la gaine, de sorte qu'il est alors nécessaire de réaliser un usinage important des pièces après leur soudage. Un usinage peut également être nécessaire afin d'éliminer d'éventuels défauts de compacité au niveau de la périphérie externe de la soudure. En effet, le passage en phase liquide de l'acier utilisé pour la gaine et le bouchon peut entrainer une modification de la dispersion d'oxydes causant ainsi une dégradation locale des propriétés mécaniques. L'article de M. SEKI et al., pressurized resistance welding technology development in 9 Cr-ODS martensitic steels, Journal of Nuclear Materials 329-333, 2004, p. 1534-1538, quant à lui, propose un procédé de soudage par résistance en phase solide d'un bouchon en acier martensitique renforcé par dispersion d'oxyde au cours duquel l'étape de soudure forme entre autres des bourrelets au niveau du joint de soudure. Le procédé comprend donc en outre une étape d'usinage des pièces soudées afin d'ébarber les bourrelets, puis un traitement thermique de l'ensemble pour réduire les tensions internes à la soudure et permettre la transformation martensitique après le soudage pour détendre le matériau et lui rendre sa dureté initiale. Ce procédé est donc complexe à mettre en oeuvre et nécessite plusieurs étapes en aval du soudage. Un objectif de l'invention est donc de proposer un procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible, permettant de réduire les défauts de soudage tels que les défauts de compacité ou les défauts métallurgiques cités ci-dessus, qui soit simple à mettre en oeuvre et à adapter sur les gaines quelles que soit leur dimensions, qui soit robuste et de faible coût en comparaison avec les procédés habituels. Pour cela, l'invention propose un procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible, le bouchon et la 10 gaine présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'adaptation géométrique des surfaces de contact entre le bouchon et la gaine, au cours de laquelle on réalise un chanfrein d'un angle compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe 15 longitudinal sur chacune desdites surfaces de contact. D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives du procédé sont les suivantes : - on réalise un chanfrein d'un angle compris entre 15° et 25° par rapport à l'axe longitudinal ; 20 - on réalise un chanfrein d'un angle (a) compris entre 19° et 21° par rapport à l'axe longitudinal, de préférence 20° ; et - le soudage est réalisé en phase solide. Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un ensemble formé d'une gaine et d'un bouchon d'un crayon de combustible 25 présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal, caractérisé en ce que la surface de contact de la gaine et du bouchon présente un chanfrein d'un angle compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe longitudinal. D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives de l'ensemble 30 sont les suivantes : - un diamètre externe du bouchon est sensiblement égal à un diamètre externe de la gaine ; - le chanfrein est d'un angle compris entre 15° et 25° par rapport à l'axe longitudinal, de préférence de l'ordre de 20° ; - le bouchon et la gaine sont réalisés dans un alliage métallique renforcé ; - le bouchon et la gaine sont réalisés dans un alliage métallique choisi parmi le groupe suivant : alliage métallique renforcé par dispersion d'oxyde, acier inoxydable austénitique, alliage de zirconium ; - la gaine a une épaisseur comprise entre 0.3 mm et 0.5 mm ; et - le bouchon est soudé sur la gaine au niveau de leurs chanfreins respectifs. Selon un dernier aspect, l'invention propose l'utilisation d'un tel ensemble dans un réacteur à eau légère ou un réacteur à neutrons rapides avec caloporteur sodium. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 représente une vue en coupe d'une partie d'un exemple de réalisation d'un crayon de combustible conforme à l'invention, préalablement au soudage du bouchon sur la gaine ; et La figure 2 est un organigramme représentant différentes étapes d'un exemple de réalisation du procédé de soudage conforme à l'invention. En référence aux figures 1 et 2, un exemple de réalisation d'un procédé de soudage par résistance en phase solide d'un bouchon 10 sur une gaine 20 en alliage métallique d'un crayon de combustible 1 va être décrit. Lors du procédé de soudage par résistance en phase solide, un courant électrique est imposé à travers les pièces à souder (à savoir la gaine et le bouchon) par l'intermédiaire d'électrodes entourant les pièces, et les pièces sont mises en contact au niveau des zones destinées à être soudées ensemble. On applique alors une pression sur les pièces, par exemple à l'aide d'un vérin, pendant une durée déterminée jusqu'à ce que les pièces soient soudées. La gaine 10 est un tube en alliage métallique présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal X. Son épaisseur e est comprise généralement entre 0.3 et 0.7 mm, son diamètre interne Di est compris entre 6.6 mm et 10.4 mm, de sorte que son diamètre externe De est compris entre 8 mm et 11 mm environ, et sa longueur de l'ordre de 3 à 4 m. Ici, la gaine a par exemple une épaisseur comprise entre 0.3 mm et 0.5 mm et un diamètre interne Di de l'ordre de 9.5 mm. Elle est réalisée dans un alliage métallique, de préférence renforcé, par exemple par dispersion d'oxyde ODS (pour Oxide Dispersion Strenghtened en anglais). En variante, la gaine 20 peut également être réalisée dans un alliage métallique non renforcé du type acier inoxydable austénitique ou alliage de zirconium. Le bouchon 10 quant à lui est de forme globalement cylindrique de révolution. Il est par ailleurs réalisé dans un même alliage métallique que la gaine 20. La géométrie du bouchon 10 et de la gaine 20 sont adaptées préalablement à leur soudage. Pour cela, on réalise un chanfrein 15, 25 sur chacune des surfaces de contact. Le choix précis de l'angle des chanfreins 15, 25 permet de réduire les défauts de compacité et métallurgiques lors du soudage des pièces 10, 20, tout en permettant d'obtenir un ensemble 1 soudé au final ayant une bonne géométrie, que l'alliage métallique soit renforcé ou non renforcé. Lors du soudage, les températures à l'interface des pièces sont en effet plus homogènes, permettant ainsi une meilleure continuité métallique au niveau de l'interface. De la sorte, les défauts de compactage, liés au glissement de la gaine 20 le long du bouchon 10, et les défauts métallurgiques liés aux hétérogénéités de microstructure au niveau de l'interface, sont donc fortement réduits par rapport aux méthodes conventionnelles. En particulier, plus l'angle a des chanfreins 15, 25 est faible, plus l'écart-type des températures sur les surfaces de contact est faible et plus les températures sont homogènes. Néanmoins, par soucis de précision dans le soudage des pièces 10, 20, il est également important que l'angle a du chanfrein 15, 25 soit suffisamment important pour que le bouchon 10 et la gaine 20 soient concentriques avec l'axe longitudinal X lors de leur soudage, ce qui peut être rendu difficile lorsque leur matériau constitutif devient pâteux. Afin de satisfaire ces deux critères importants, l'angle a des chanfreins 15, 25 est donc de préférence compris entre 10° et 30°. Par ailleurs, lorsque l'angle a des chanfreins 15, 25 est compris entre 15° et 25°, de préférence entre 19° et 21°, par exemple 20°, l'évasement de la gaine 20 et son glissement par rapport au bouchon 10 au niveau de leur interface de contact est limité. En effet, pour ces angles a de chanfrein 15, 25, les contraintes mécaniques sur les surfaces de contact sont dans un état intermédiaire, c'est-à-dire relativement équilibrées, la contrainte de cisaillement sur les surfaces de contact étant comprise entre 20% et 50% de la contrainte normale sur ces mêmes surfaces. L'adaptation géométrique de la gaine 20 et du bouchon 10 préalablement au soudage est donc simple et peut être réalisée quelles que soient les dimensions des pièces. Néanmoins, l'écart-type des températures (et donc leur homogénéité) le long de l'interface dépendant fortement de l'épaisseur de la gaine 20, une plus grande qualité métallurgique et une meilleure robustesse du procédé sont obtenus avec des gaines 20 présentant une épaisseur comprise en 0.3 mm et 0.5 mm. Par ailleurs, le procédé de soudage avec adaptation géométrique est 30 facile à mettre en oeuvre et de coût réduit, dans la mesure où il ne nécessite pas d'opérations importantes préalablement ou postérieurement au soudage, en dehors de la réalisation des chanfreins sur les pièces. Il est en outre robuste dans le cas de pièces de dimensions différentes ou d'un matériau soudé différent. De plus, le choix spécifique de cet angle a de chanfrein 15, 25 permet d'utiliser un bouchon 10 dont le diamètre externe De est sensiblement égal au diamètre externe De de la gaine 20. Le bouchon 20 et la gaine 10 peuvent en effet être soudés coaxialement avec précision sans nécessiter d'étape supplémentaire d'usinage de l'ensemble une fois la soudure réalisée, de sorte que la mise en oeuvre d'un bouchon 20 d'un diamètre externe plus grand que le diamètre externe De de la gaine 10 n'est plus nécessaire. Les chanfreins 15, 25 de la gaine 20 et du bouchon 10 peuvent être réalisés sur des gaines et bouchons conventionnels, par exemple par tournage ou fraisage, ou directement au cours de la fabrication des pièces, notamment lors du moulage. Par ailleurs, il peut être réalisé préalablement au soudage, les pièces étant alors conservées en attendant leur soudage, ou sur site directement. L'ensemble 1 formé par le bouchon 10 soudé sur la gaine 20 est donc de bonne qualité métallurgique au niveau de l'interface de soudure et présente peu de défauts, que l'alliage métallique soit renforcé ou non. Il peut notamment être utilisé dans le cadre des crayons de combustible 1 pour les réacteurs à eau légère (REL) ou les réacteurs à neutrons rapides avec caloporteur sodium (RNR-Na). On empile alors des pastilles de combustible, telles que des pastilles de dioxyde d'uranium (UO2) dans les gaines 20 préalablement à leur fermeture, par soudage par résistance avec adaptation géométrique préalable. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et représentées sur les dessins, mais l'homme du métier saura y apporter de nombreuses variantes et modifications.