Procédé de fabrication d'une enceinte étanche
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une enceinte étanche, notamment d'un élément de combustible nucléaire.
L'enceinte peut constituer un récipient à paroi extérieure, ou un récipient à parois extérieure et intérieure; elle peut contenir un liquide ou un solide en plus ou à la place du gaz de l'ambiance dans laquelle s'effectue la
Jonction étanche.
Dans les applications prévues par l'industrie traditionelle, l'enceinte pourra être en forme de parallélépipède, de cylindre, de prisme droit ou oblique de section quelconque dont une face au moins joue, à un stade de la fabrication, le rôle de bouchon.
Dans l'industrie nucléaire, l'invention s'applique notamment à la fabrication d'éléments de combustible.
Les éléments de combustible sont généralement constitués par une masse de matériau fissible (barreau plein ou tubulaire d'uranium légèrement allié, empilement de pastilles d'oxyde ou de carbure d'uranium) revêtues d'une gaine métallique munie ou non d'ailettes et fermée par un ou deux bouchons: la gaine constitue alors la partie principale de l'enceinte telle que définie plus haut. L'invention s'applique également aux éléments combustibles dits annulaires dont le barreau d'uranium est tubulaire et revêtu sur ses faces interne et externe par deux gaines reliées par des bouchons recouvrant les extrémités des barreaux.
Jusqu'à présent la fabrication d'un élément de combustible s'effectuait généralement de la façon suivante: les diverses pièces (barreau, gaine ou gaines, et bouchons) étaient assemblées puis les bouchons étaient soudés sur la gaine ou les gaines, généralement par soudage argon-arc ou par faisceaux d'électrons. Enfin la gaine ou les gaines étaient plaquées contre le barreau pour les sertir dans des gorges pratiquées dans le barreau afin d'éviter l'effet de rochet lors du cyclage thermique.
L'expérience a montré que le sertissage était d'autant meilleur que la pression qui règne dans la gaine ou les gaines au cours de cette opération (c'est-à-dire après soudage) était plus faible: Une pression résiduelle trop élevée gêne en effet l'enfoncement de la gaine ou des gaines dans les angles rentrants des gorges. En d'autres termes, un gainage correct est subordonné à l'obtention d'un vide poussé dans l'espace libre compris entre la gaine ou les gaines et le barreau de matière fissile avant fermeture.
Afin de diminuer la pression résiduelle dans une gaine, on a souvent dans le passé mis sous vide la chambre qui contient l'élément combustible avant la mise en place du second bouchon, puis effectué le soudage en conservant un vide poussé (ce qui implique, dans l'état actuel de la technique, que le soudage est de préférence effectué par faisceau d'électrons). Mais l'emmanchement à force du bouchon dans la chambre sous vide nécessite un appareillage de manipulation coûteux et d'un emploi mal aisé et implique pratiquement de munir l'enceinte d'un sas d'introduction de l'élément avant soudage et de sortie de l'élément réalisé.
L'invention vise à proposer un procédé répondant mieux que ceux antérieurement utilisés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet la mise en place d'un bouchon à la température et à la pression atmosphériques avant introduction dans une chambre à ambiance conditionnée où s'effectue le soudage.
Dans ce but l'invention propose un procédé de fabrication d'une enceinte étanche, caractérisé en ce qu'on assemble mécaniquement un bouchon sur une partie principale de l'enceinte en réservant, entre le bouchon et la partie principale, de nombreux passages dont les dimensions transversales sont faibles par rapport à celles du bouchon, faisant communiquer l'intérieur de l'enceinte et l'ambiance, en ce qu'on insère l'ensemble, formé de la partie principale et du bouchon dans une chambre étanche, en ce qu'on établit dans la dite chambre l'ambiance qui est à maintenir à l'intérieur de l'enceinte une fois celle-ci fermée, en ce qu'on exécute une soudure fixant d'une façon étanche le bouchon à la dite partie principale et en ce qu'on obture tous les passages.
Dans une mise en oeuvre pour la fabrication d'éléments du combustible, le soudage est effectué dans une chambre maintenue sous un vide suffisant pour évacuer les gaz retenus entre la gaine et le barreau de combustible.
Les passages peuvent être réalisés de façon très variée: le bouchon peut être centré dans la partie principale en créant des bossages, trois par exemple, par des coups de pointeau appliqués sur les faces planes des bouchons. Notamment dans le cas d'un élément de combustible annulaire, le bouchon peut être emmanché à force sans jeu sur une gaine et maintenu centré dans l'autre par réalisation de bossages. Cette conception de bouchon permet de remédier ainsi à des difficultés opératoires, mais du fait de la présence des bossages, il subsiste l'excentration de la gaine en contact avec eux et l'impossibilité de corriger l'ovalisation de la gaine, ovalisation amplifiée au cours de l'usinage des extrémités de gaine ou survenant lors de cet usinage.
Le bouchon peut être muni d'un trou borgne axial formant queusot dans lequel débouchent plusieurs trous obliques de plus faible diamètre, percés depuis la face opposée du bouchon: Après soudure du bouchon, les trous sont obturés sous vide par bombardement électronique.
Le bouchon peut être rainuré et engagé à force.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, divers modes de mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention.
- La fig. 1 montre la partie terminale d'un élément de combustible annulaire représenté en coupe suivant un plan passant par l'axe (la partie droite de la fig.
montrant l'élément après soudage et la partie gauche l'élément avant soudage);
- la fig. 2 est une vue de détail montrant un bouchon destiné à l'élément de la fig. 1, représenté en coupe partielle suivant un plan passant par l'axe;
- la fig. 3 est une vue de dessus du bouchon suivant la fig. 2.
- les fig. 4 et 5 montrent la partie terminale d'un élément de combustible, d'abord après fixation du bouchon, puis après exécution complète du procédé;
- la fig. 6 est une vue de dessus de la fig. 4;
- les fig. 7 à 12 montrent schématiquement, en perspective, la partie principale et le bouchon d'enceintes susceptible d'être assemblées par le procédé décrit.
L'élément de combustible montré en fig. 1 est fabriqué en utilisant comme passages des rainures obliques sur l'axe de l'élément et en utilisant un soudage par faisceau d'électrons qui attaque les rainures suivant un angle non nul.
L'élément de combustible (fig. 1) comprend un barreau 6 tubulaire d'uranium faiblement allié, revêtu sur ses faces cylindriques de gaines interne 8 et externe 10 en alliage léger (magnésium à faible teneur en zirconium en général). Les gaines de l'élément terminé (partie droite de la fig. 1) sont encastrées dans des gorges 12 du barreau. Deux bouchons annulaires 14 sont fixés aux gaines 8 et 10 par des cordons de soudure 16 et 18, réalisés par faisceau d'électrons et assure l'étanchéité.
Entre chaque bouchon 14 et le barreau 6 est interposée une rondelle annulaire 20 en matériau isolant réfractaire (magnésie par exemple), dont la présence n'est pas indispensable.
La disposition décrite est connue. On donne aux bouchons, avant montage et soudage, la forme représentée en fig. 2 et 3. Les deux faces latérales 22 et 24 du bouchon, de forme légèrement tronconique, destinées à s'appliquer contre les gaines 8 et 10, présentent deux jeux de rainures 26 et 28 obliques sur l'axe. Les diamètres moyens des faces 22 et 24 sont tels que le bouchon s'engage à force dans les gaines 8 et 10. Cette disposition permet:
- grâce à un emmanchement à force des bouchons avant soudage, de manipuler l'élément de combustible avant soudage sans précautions particulières;
- de corriger éventuellement les défauts d'excentricité des gaines: on sait en effet qu'une gaine nue, avant assemblage, accuse une excentricité pouvant atteindre 0,15 à 0,2, excentricité due aux efforts d'usinage sur les extrémités.
Le bouchon emmanché à force permet de réduire cette excentricité à quelques centièmes de millimètre, ce qui est une valeur acceptable pour la précision requise par bombardement électronique.
La largeur des rainures doit de préférence ne pas dépasser le quart de la largeur du cordon de soudure, afin de garantir une étanchéité satisfaisante.
Le procédé de fabrication d'un élément de combustible est ainsi appliqué: le barreau 6 est revêtu des gaines 8 et 10, les rondelles 20 sont mises en place et les bouchons 14 sont engagés à force. Il est nécessaire que les rondelles 20 ne s'opposent pas à l'évacuation des gaz résiduels; on y pratique des rainures comparables à celles des bouchons 14 (éventuellement plus larges puisqu'elles ont aucun rôle d'étanchéité à remplir), mais en général le jeu radial qui atteint par exemple 0,1 mm, suffit.
L'élément ainsi assemblé présente la disposition montrée sur la partie gauche de la fig. 1. Il est introduit dans une enceinte de soudage par bombardement électronique où l'on fait le vide. Le degré de vide et la durée de maintien de l'élément combustible sous vide avant soudage dépendent évidemment de nombreux paramètres, notamment la largeur et le nombre des rainures, la teneur maximum admissible en gaz résiduel, etc...
Le temps de pompage est d'autant plus faible que la section de passage fournie par les rainures 26 et 28 est plus grand. Il est également réduit si les deux bouchons, au lieu d'un seul, sont munis de passages. A titre d'exemple, si un élément de combustible annulaire est plongé dans une enceinte sous vide dans laquelle règne une pression de 1.10-2 torr, la pression à l'intérieur de l'élément (mesurée au droit du bouchon opposé au bouchon comportant seul des rainures et en communication par ses rainures avec l'enceinte soud vide) passe en 30 minutes, de la pression atmosphérique à 4.10-2 torr avec 32 rainures de 0,1 mm et en moins de 2 minutes avec un bouchon comportant, sur ses deux faces latérales, 12 fois plus de rainures.
Pour le soudage, le faisceau d'électrons est focalisé sur un point de la jonction à réaliser et l'élément maintenu en rotation lente: les soudures réalisées par ce procédé présentant en général une largeur radiale comprise entre 0,5 et 3 mm; les rainures peuvent avoir une largeur radiale comprise entre 0,1 et 0,3 mm environ.
Le sens de rotation de l'élément au cours du souda- ge a une très grande importance. Ce sens sera choisi en fonction du sens des rainures afin de faciliter l'évacuation des molécules gazeuses dans chaque rainure et de bloquer, parallèlement, l'évacuation des molécules restant contenues dans l'élément. Ceci impose que le faisceau attaque la rainure par la face interne du bouchon pour se terminer par la face externe. Ce processus permet d'éviter la formation de porosité dans la soudure ou la remontée de particules des couches antidifusion.
Enfin le sertissage des gaines sur les gorges 12 s'effectue en exercant sur l'ensemble de l'élément une pression hydraulique suffisante, également suivant un processus classique.
A titre d'exemple, on a réalisé un élément de combustible (fig. 1) dont le barreau 6 présentait un diamètre interne de 76 mm et un diamètre externe de 96 mm. Le bouchon, de 5 mm d'épaisseur, portait 204 rainures de profondeur moyenne: 0,3 mm avec une inclinaison de 120 C sur la face externe 24 et 160 rainures sur la face interne 22.
L'invention s'applique également aux éléments comprenant un barreau revêtu d'une seule gaine fermée par des bouchons pleins, en forme de disque: On a par exemple réalisé des éléments de combustible à une gaine dont les bouchons de 43,7 mm de diamètre moyen comportaient entre 128 et 131 rainures de 0,2mm et 0,3 mm inclinées à différentes valeurs comprises entre 5 et 850: Ces rainures représentent des surfaces de passage comprises entre 2,6 et 5,7 mm2. A titre de comparaison, on peut noter qu'un bouchon flottant offre une section de passage comprise entre 13,7 et 20,5mmê pour un jeu diamétral de 0,2 et 0,3 mm et qu'un queusot de 3 mm de diamètre offre une section de passage de 7,05 mmê.
On pourrait croire que le bouchon rainuré, du point de vue dégazage sous vide, présente une conductance inférieure aux autres bouchons malgré le grand nombre de rainures qu'il est possible de réaliser; mais en pratique, le temps de dégazage est masqué par les séquences de préchauffage des bouchons et en définitive le temps de fabrication reste inférieur à celui des autres procédés.
Les procédés de fabrication des rainures à profil hélicoïdal droit, hélicoïdal cônique, oblique à pente constante ou variable, sont nombreux: brochage à l'outil simple ou au peigne, moletage classique ou par moletage - fraisage, etc. Pratiquement, les rainures sont réalisées de préférence avec une fraise-molette qui permet un usinage dit en chariotage sans repoussage de métal plutôt que par un procédé de moletage par repoussage.
L'angle d'inciination des rainures peut être très variable: en pratique un angle voisin de 120 s'avère satisfaisant.
Les passages d'évacuation des gaz peuvent être de section transversale quelconque. On peut constituer les passages par des rainures croisées de profondeur très faible pratiquées aussi bien sur la gaine que sur le bouchon ou sur les deux à la fois. A la limite, les passages peuvent être constitués par des stries très rapprochées et de très faible largeur radiale, de l'ordre du dizième de millimètre ce qui permet de les prévoir parallèles à l'axe, le conduit qu'elles offrent au faisceau d'électrons de soudage étant très faible.
Le choix du procédé de soudage dépend notamment de l'atmosphère qui doit être maintenue à l'intérieur de l'enceinte une fois celle-ci fermée d'une façon étanche.
Lorsqu'un vide élevé doit régner dans cette enceinte, le soudage doit être fait sous vide, ce qui limite le choix au soudage par laser et au soudage par bombardement électronique utilisant des faisceaux pulsés ou non. Si, par contre, on peut tolérer la présence de gaz neutre dans l'enceinte, le soudage peut être effectué par le procédé à l'arc électrique en atmosphère d'argon.
Les fig. 4 et 5 montrent un élément dont le bouchon 14' a été emmanché à force dans la gaine 10', avant l'introduction de l'ensemble dans une chambre sous vide et soudage. Les passages sont ici constitués par un trou borgne 30 de quelques millimètres de diamètre percé depuis la face externe du bouchon suivant l'axe de celui-ci et par huit canaux 32 de plus faible diamètre reliant le trou 30 à la face intérieure du bouchon. Les canaux 32 sont obliques et répartis autour du trou 30.
Une fois la soudure 18' exécutée, par bombardement électronique, les canaux 32 sont obturés en faisant agir le faisceau d'électrons présentant une excentration convenable par rapport à l'axe de l'élément combustible en rotation; le faisceau d'électrons engendre, par pénétration, un bain de métal liquide annulaire qui, après solidification, obstrue les canaux 32 (fig. 5).
Ce procédé dégazage sous vide, de bonne conductance se prête bien à la fabrication d'enceintes de grande capacité ou de manutention délicate.
Les fig. 7 à 12 montrent des enceintes destinées à être assemblées par le procédé, comprenant un bouchon non circulaire et une partie principale parallélépipédique, creuse dans le cas des fig. 8, 10 et 12. Dans les bouchons sont pratiquées des rainures obliques constituant les passages.
Le procédé reste le même que celui précédemment décrit lorsque le soudage doit être effectué sous vide, sous une seule réserve: au cours de la rotation de l'enceinte, le faisceau d'électrons ou le faisceau laser doit être soumis à une déflexion variable. Si de plus l'enceinte a la forme d'un prisme ou d'un cylindre à section oblique, la focalisation du faisceau d'électrons ou du rayonnement laser devra être asservie à la rotation de t'enceinte pour compenser les variations de la distance du canon à la soudure.
Si au contraire l'intérieur de l'enceinte reste sous pression gazeuse, d'autres procédés de soudage peuvent être adoptés: les passages permettant d'éviter les défauts constatés lors du soudage d'un récipient qui doit être soudé étanche notamment les porosités, les soufflures, les cheminées, etc. .. dûes à la pression consécutive à son échauffement. Dans la soudure des éléments de combustible, à l'axe électrique sous atmosphére d'argon la présence des rainures en facilitant l'évacuation des gaz, permet d'éviter ces défauts.