EP4226392A1 - Procédé de fabrication d'un composant de réacteur nucléaire revêtu muni d'un marquage - Google Patents

Procédé de fabrication d'un composant de réacteur nucléaire revêtu muni d'un marquage

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Publication number
EP4226392A1
EP4226392A1 EP21786875.1A EP21786875A EP4226392A1 EP 4226392 A1 EP4226392 A1 EP 4226392A1 EP 21786875 A EP21786875 A EP 21786875A EP 4226392 A1 EP4226392 A1 EP 4226392A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
coating
pattern
marking
manufacturing process
Prior art date
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Pending
Application number
EP21786875.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thierry GOUEREC
Axel AUBRY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Areva NP SAS
Original Assignee
Framatome SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Framatome SA filed Critical Framatome SA
Publication of EP4226392A1 publication Critical patent/EP4226392A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/06—Casings; Jackets
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06K—GRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/06009—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code with optically detectable marking
    • G06K19/06037—Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code with optically detectable marking multi-dimensional coding
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/06—Devices or arrangements for monitoring or testing fuel or fuel elements outside the reactor core, e.g. for burn-up, for contamination
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02—Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to the field of the manufacture of nuclear reactor components, and in particular of nuclear fuel rods.
  • a nuclear fuel assembly intended for use in a nuclear reactor generally comprises a bundle of nuclear fuel rods, each nuclear fuel rod comprising a sheath containing nuclear fuel, the sheath being formed of a tube closed at each of its two ends with a plug.
  • the cladding tube of a nuclear fuel rod may be formed from a tubular substrate whose outer surface is covered with a coating intended to protect the substrate from the particularly aggressive environment inside a nuclear reactor. .
  • the coloration produced by laser marking is generally accompanied by oxidation of the substrate, which can lead to a weakening of the substrate, and therefore of the nuclear fuel rod.
  • a protective coating masks the marking made by coloring the substrate when the coating then applied to the substrate is non-transparent, as is the case for example of a metallic coating.
  • One of the aims of the invention is to propose a method for manufacturing a nuclear reactor component provided with a marking, for example of a nuclear fuel rod, which is easy to implement while making it possible to ensure reliable and easy traceability.
  • the invention proposes a process for manufacturing a nuclear reactor component comprising a substrate and a coating covering a surface of the substrate, the manufacturing process comprising the laser marking of a pattern on the surface of the substrate, the marking being carried out in such a way as to form recessed reliefs drawing the pattern in the surface of the substrate, then the application of the coating on the surface of the substrate, over the pattern.
  • the manufacturing method includes one or more of the following optional features:
  • the marking is carried out in such a way that the pattern is readable before and after application of the coating;
  • the recessed reliefs drawing the pattern have a depth of less than 5 ⁇ m;
  • the pattern comprises at least a series of lines drawing a readable identification code, each line being formed of a plurality of dots and/or lines;
  • the pattern comprises at least one code, for example a bar code, a matrix code and/or an alphanumeric code;
  • the laser marking is carried out by pulses, preferably with a pulse frequency between 5 kHz and 2 MHz, a power between 18 W and 22 W, a pulse width between 200x10 -15 s and 50x10 -12 s and/or a scanning speed of between 200 mm/s and 2000 mm/s, so as to achieve sufficient topographic contrast to ensure the legibility of the pattern before and after application of the coating;
  • the substrate is metallic
  • the substrate is made of a material based on zirconium
  • the coating is metallic or is an oxide
  • the coating is made of a chromium-based material
  • the coating is made of an oxide, for example an oxide of the ZrOs or Crus type;
  • the nuclear reactor component is a tube, the substrate having a tubular shape and the surface marked with the pattern and covered by the coating being the external surface of the tubular-shaped substrate;
  • the nuclear reactor component is a cladding tube, for example a nuclear fuel rod cladding tube or a control rod cladding tube.
  • FIG. 1 illustrates a step of marking a surface of a substrate of a nuclear reactor component carried out during a process for manufacturing this nuclear reactor component
  • FIG. 2 illustrates a step of automatic reading of the marking carried out during the manufacturing process
  • FIG. 3 illustrates a step of applying a coating to the marked substrate, carried out during the manufacturing process
  • FIG. 4 illustrates a step of automatic reading of the marking carried out during the manufacturing process
  • FIG. 5 illustrates a portion of the marking made during the marking step in front view
  • FIG. 6 illustrates a surface profile of the marked surface, taken along the line V - V in Figure 5;
  • FIG. 7 is a sectional view of a nuclear fuel rod having a sheath tube obtained according to the manufacturing process illustrated in Figures 1 to 4.
  • Figures 1 to 4 illustrate a process for manufacturing a nuclear reactor component 2 comprising a substrate 4 provided with a coating 8, the process successively comprising:
  • a laser marking step of the substrate 4 comprising the marking of a pattern 6 on a surface 4A of the substrate 4 (FIG. 1),
  • a step of automatic reading of the pattern 6 after application of the coating 8 (FIG. 4).
  • the marking of the pattern 6 and the application of the coating 8 are carried out in such a way that the pattern 6 is readable, preferably automatically, before the application of the coating 8 ( Figure 2) and after the application of the coating 8 ( Figure 4).
  • the pattern 6 is for example an individual identification code making it possible to ensure the traceability of the nuclear component 2.
  • the pattern 6 marked on the substrate 4 before application of the coating 8 is readable before application of the coating 8 to identify the substrate 4 uncoated, and after application of coating 8 to identify substrate 4 once it has been coated with coating 8.
  • the marking of the pattern 6 is carried out in such a way that the marking locally increases the roughness of the surface 4A of the substrate 4.
  • the marking is made in such a way that the pattern 6 is in the form of recessed reliefs 10, and optionally projecting reliefs 12, formed on the surface 4A of the substrate 4.
  • the marking is therefore carried out in such a way that the pattern 6 is readable before and after the application of the coating 8 by topographic contrast.
  • topographic contrast means that the recessed reliefs 10, and optionally the protruding reliefs 12, generated by the marking have surfaces which have different orientations which cause differences in contrast, which allows the reading of the pattern 6 , in particular by automatic reading.
  • the substrate 4 is for example a metallic substrate, i.e. a substrate 4 made of a metallic material.
  • the substrate 4 is for example made of a material based on zirconium.
  • a zirconium-based material means a pure zirconium material or a zirconium-based alloy.
  • a pure zirconium material is a material comprising, by weight, at least 99% zirconium.
  • a zirconium-based alloy is an alloy comprising, by weight, at least 95% zirconium.
  • the zirconium-based material of the substrate 6 is a zirconium-based alloy containing, by weight, from 0.8 to 1.8% niobium, from 0.2 to 0.6% tin and 0.02 to 0.4% iron, the rest being made up of zirconium and the inevitable impurities.
  • the substrate 4 is for example of tubular shape, the surface 4A marked during the marking step being the external surface of the substrate 4 of tubular shape.
  • the substrate 4 can have another shape, for example a plate shape.
  • the marking step (FIG. 1) is carried out automatically, using a laser marking machine 14 comprising a laser 16 capable of generating a laser beam 18 directed onto the surface 4A on which the pattern must be marked. 6.
  • the laser marking machine 14 is configured to move the laser beam 18 relative to the substrate 4 so as to mark the surface 4A by forming the pattern 6.
  • the laser marking machine 14 is for example configured to move the laser beam 18, the substrate 4 remaining stationary, or to move the substrate 4, the laser beam 18 remaining stationary, or to move both the laser beam 18 and the substrate 4, by moving them relative to each other.
  • the laser marking is carried out by pulses with a pulse frequency and parameters defined so as to achieve sufficient topographic contrast to ensure the legibility of the pattern 6, preferably automatically, before and after application of the coating 8.
  • the laser marking is carried out with a pulse frequency between 5 kHz and 2 MHz, a laser power between 18W and 22W, a pulse width between 200x10 -15 s and 50x10 -12 s and/or a scanning speed between 200 mm/s and 2000 mm/s.
  • Respecting each of these parameters, a fortiori when they are taken in combination, makes it possible to produce an appropriate marking, by forming recessed and/or projecting reliefs allowing the reading of the marking before the application of the coating 8 and after coating application 8.
  • the pattern 6 is for example an individual identification code, i.e. is a unique code making it possible to individually identify the substrate 4, distinguishing it from other substrates.
  • the laser marking machine 14 is configured to mark a specific code on each substrate 4, the code being different from one substrate to another.
  • the pattern 6 comprises for example a bar code, a matrix code and/or an alphanumeric code.
  • a matrix code is for example a QR code.
  • the pattern 6 comprises a bar code, i.e. a code formed from a plurality of parallel bars.
  • the coding results from the number of bars, the width of the bars and/or the spacing between the bars.
  • each line 20 is for example a continuous line or a line formed by an alignment of dots and/or dashes, in particular a line formed by an alignment of dots 22, as illustrated in Figure 5.
  • a line 20 formed from an alignment of dots 22 is for example formed by generating a laser beam 18 by pulses, each dot 22 being formed by a respective pulse, the laser beam 18 being moved relative to the substrate 4 to form the dot 22 next with the next pulse.
  • the marking of lines 20 formed by alignment of points 22 makes it possible to control the marking of the substrate 4, and in particular to control the depth of the recessed reliefs generated by the marking and the height of any protruding reliefs generated by the marking.
  • the invention makes it possible to produce a line 20 formed by an alignment of points 22 so as to produce the lines or characters of the necessary thicknesses and widths as described above.
  • each bar 23 is defined by a line 20 defining a narrow bar 23 or several adjacent lines 20 defining a wide bar. The more lines 23 the bar 23 comprises, the wider the bar 23 is.
  • Figure 5 In Figure 5 are shown, from left to right, a wide bar 23 formed by three lines 20, a thin bar 23 formed by one line 20, a wide bar 23 formed by three lines 20 and a medium bar 23 formed by two lines 20.
  • Figure 6 is a surface profile of the surface 4A along the line V - V in Figure 5, the profile indicating the abscissa the depth / height of the recessed reliefs / projection.
  • the marking is made in such a way as to generate recessed reliefs 10 having for example a depth of less than 5 ⁇ m.
  • the marking is made in such a way as to generate recessed reliefs 10 of a depth adapted to the thickness of the coating 8 which will be applied subsequently.
  • the depth of the reliefs of the substrate is taken relative to the surface 4A in a zone not affected by the marking.
  • projecting reliefs 12 generated by the marking have a height of less than 10 ⁇ m.
  • the protruding reliefs 12 are generated by the material which was present at the location of the recessed reliefs 10.
  • the marking of a recessed relief can generate raised reliefs that are less extensive than the recessed relief but having a greater height than the depth of the recessed relief.
  • protruding reliefs having a greater height than the depth of the recessed reliefs is not a problem, in particular for the resistance of the substrate 4.
  • each point 22 has a central zone formed by a central recessed relief 10 and optionally a peripheral zone formed by an annular protruding relief 12 surrounding the central zone.
  • Each point 22 may also optionally comprise an additional projecting relief 12 substantially at the center of the central zone, as illustrated in dotted lines in Figure 6.
  • the marking is carried out in such a way as to generate recessed reliefs having a depth greater than the roughness of the surface 4A of the substrate 4 before the marking and/or protruding reliefs having a height greater than the roughness of the surface 4A of the substrate 4 before marking.
  • the area of surface 4A of substrate 4 bearing pattern 6 has a higher roughness than the rest of surface 4A of substrate 4.
  • the surface 4A has a roughness of between 0.1 and 0.3 microns before marking.
  • the measurement is carried out, for example, using a roughness meter or a profilometer.
  • the coating application step ( Figure 3) is performed automatically using a coating application machine (not shown).
  • coating 8 has a thickness of between 5 ⁇ m and 25 ⁇ m.
  • the coating 8 is for example made of a chromium-based material.
  • a chromium material means a pure chromium material or a chromium alloy.
  • a pure chromium material is a material comprising, by weight, at least 99% chromium.
  • a chromium-based alloy is an alloy comprising, by weight, at least 85% chromium.
  • the chromium-based material is a chromium-based alloy chosen from: a binary chromium-aluminum alloy (CrAI), a binary chromium-nitrogen alloy (CrN) and a binary chromium-titanium alloy (CrTi ).
  • the topographic contrast produced on the substrate 4 must be sufficient for the application of a coating 8 (for example by physical vapor deposition, in particular by physical vapor deposition by sputtering, and even more in particular by sputtering cathodic magnetron) makes it possible to maintain the contrast necessary for reading pattern 6.
  • a coating 8 for example by physical vapor deposition, in particular by physical vapor deposition by sputtering, and even more in particular by sputtering cathodic magnetron
  • the free surface 8A of the coating 8 has recessed reliefs 10 to the right, corresponding recessed reliefs 10A, and, if necessary, to the right of the projecting reliefs 12, corresponding protruding reliefs 12A.
  • the pattern 6 remains legible after the application of the coating 8.
  • Each automatic reading step (FIGS. 2 and 4) is carried out for example using an automatic reading machine 24 comprising a read head 26 and a data processing unit 28 configured to read the pattern 6, in particular to decode pattern 6 when it is a code.
  • the reading head 26 is for example an image capture device, such as a still camera or a video camera, in which case the data processing unit 28 is configured to read the pattern 6 by image analysis.
  • the read head 24 is a scanner.
  • Reading pattern 6 after the marking step makes it possible to ensure that pattern 6 is readable before continuing with the manufacturing process and/or to ensure the traceability of the component after marking.
  • Reading the pattern 6 before the step of applying the coating 8 makes it possible to identify the substrate 4 before applying the coating 8.
  • the manufacturing method comprises an automatic reading step carried out at the end of the marking step to ensure that the pattern 6 is readable, before storing the marked substrate and/or transferring it to the coating application machine, and an automatic reading step carried out before the entry of the marked substrate 4 into the coating application machine 8 to identify the substrate 4 before applying the coating 8 and ensure traceability to the course of the manufacturing process.
  • Reading the pattern 6 after the step of applying the coating 8 makes it possible to ensure that the pattern 6 is readable after the deposition of the coating 8, before continuing the manufacturing process and/or ensuring the traceability of the substrate 4 of the nuclear reactor component 2 after the application of the coating 8 when the pattern 6, for example an individual identification code, makes it possible to ensure traceability.
  • a single marking operation is necessary and allows the reading of pattern 6 before and after the application of the coating.
  • the marking operation does not negatively affect the substrate 4 of the nuclear reactor component, and therefore does not affect the structural strength of this nuclear reactor component.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments mentioned above, other exemplary embodiments being possible.
  • the substrate 4 is metallic, in particular made from a material based on zirconium
  • the coating 8 is metallic, in particular made from a material based on chromium.
  • the substrate 4 can be made of a non-metallic material, for example of a composite material comprising a matrix reinforced with fibers, for example with carbon fibers.
  • the coating 8 is made of a non-metallic material, in particular an oxide, for example an oxide of the ZrOs, CrOs, etc. type.
  • An oxide can provide effective protection, especially on a metallic substrate.
  • the nuclear fuel rod 30 is intended for example to be used in a light water reactor, in particular a pressurized water reactor (or PWR for "Pressurized Water Reactor”) or a boiling water reactor (or BWR for “Boiling Water Reactor”), a “VVER” type reactor, an “RMBK” type reactor or a CANDU type heavy water reactor.
  • the nuclear fuel rod 32 has the shape of an elongated rod along a central axis A.
  • the nuclear fuel rod 32 includes a sheath 34 containing nuclear fuel.
  • the sheath 34 comprises a tube 36 each of its ends by a plug 38 welded to the tube 36.
  • the tube 36 extends along the central axis A of the nuclear fuel rod 32.
  • the tube 36 is a nuclear reactor component made according to the manufacturing process illustrated in Figures 1 to 6.
  • the tube 36 thus comprises a tubular substrate 4 covered with a coating 8, the substrate 4 being marked with the pattern 6 before applying the coating 8, the coating 8 then being applied by covering the pattern 6, the pattern 6 remaining readable after application of coating 8.
  • the process for manufacturing the nuclear fuel rod 32 comprises, for example, the manufacture of the tube 36 provided with its pattern 6 according to the manufacturing process illustrated by Figures 1 to 6, then the insertion of the nuclear fuel inside the tube 36 and closing tube 36 with plugs 38.
  • the nuclear reactor component is not necessarily a nuclear fuel rod sheath tube. It is possible to craft other nuclear reactor components.
  • a control rod sheath tube is intended to be inserted into the core of the nuclear reactor to control the reactivity of the core.
  • a control rod differs from a nuclear fuel rod in particular in that it contains neutron-absorbing material instead of containing nuclear fuel.
  • the reactor component need not be tubular. It can take another form.
  • a plate-shaped nuclear reactor component is for example a plate of a nuclear fuel sheath to form a plate-shaped nuclear fuel element comprising nuclear fuel sandwiched between two sheath plates.
  • a nuclear fuel element is for example used in experimental nuclear reactors.
  • Pattern 6 is not necessarily a code, in particular an individual identification code. Pattern 6 can be a simple trade mark or a product type identification code.

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Abstract

Le procédé de fabrication permet d'obtenir un composant de réacteur nucléaire comprenant un substrat (4) et un revêtement (8) recouvrant une surface (4A) du substrat. Le procédé de fabrication comprend le marquage au laser d'un motif (6) sur la surface (4A) du substrat (4), le marquage étant réalisé de manière à former des reliefs en creux (10) dessinant le motif (6) dans la surface (4A) du substrat (4), puis l'application du revêtement (8) sur la surface (4A) du substrat (4), par-dessus le motif (6).

Description

DESCRIPTION
Procédé de fabrication d’un composant de réacteur nucléaire revêtu muni d’un marquage
La présente invention concerne le domaine de la fabrication de composants de réacteur nucléaire, et en particulier de crayons de combustible nucléaire.
Au cours de la fabrication d’un composant de réacteur nucléaire, il est nécessaire d’assurer une traçabilité, afin de pouvoir identifier l’origine d’un éventuel dysfonctionnement.
Un assemblage de combustible nucléaire destiné à être utilisé dans un réacteur nucléaire comprend généralement un faisceau de crayons de combustible nucléaire, chaque crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine contenant du combustible nucléaire, la gaine étant formée d’un tube fermé à chacune de ses deux extrémités par un bouchon.
Le tube de la gaine d’un crayon de combustible nucléaire peut être formé d’un substrat tubulaire dont la surface externe est recouverte d’un revêtement destiné à protéger le substrat de l’environnement particulièrement agressif à l’intérieur d’un réacteur nucléaire.
Pour assurer la traçabilité d’un tube de gainage de crayon de combustible nucléaire, il est possible de réaliser un marquage au laser du substrat de manière à imprimer un code d’identification individuel sur le substrat par oxydation.
Cependant, la coloration réalisée par le marquage au laser s’accompagne généralement d’une oxydation du substrat, qui peut conduire à un affaiblissement du substrat, et donc du crayon de combustible nucléaire.
En outre, l’application d’un revêtement de protection masque le marquage réalisé par coloration du substrat lorsque le revêtement appliqué ensuite sur le substrat est non transparent, comme c’est le cas par exemple d’un revêtement métallique.
Afin de permettre la traçabilité du tube de gaine tout au long du procédé de fabrication du crayon de combustible nucléaire, il est possible de marquer le code d’identification individuel sur une portion d’extrémité sacrificielle du substrat, de revêtir le substrat avec le revêtement sans revêtir la portion d’extrémité sacrificielle, de marquer le code d’identification individuel sur une portion revêtue du tube, puis de couper la portion sacrificielle du substrat. Néanmoins, cela impose des opérations supplémentaires de découpe de la portion sacrificielle et de marquage du substrat revêtu, et il persiste un risque d’erreur, plus particulièrement un risque de non concordance entre le code d’identification individuel inscrit sur la portion sacrificielle du substrat avant l’application du revêtement, et le code d’identification individuelle inscrit sur le revêtement recouvrant le substrat.
Un des buts de l’invention est de proposer un procédé de fabrication d’un composant de réacteur nucléaire muni d’un marquage, par exemple d’un crayon de combustible nucléaire, qui soit facile à mettre en œuvre tout en permettant d’assurer une traçabilité de manière fiable et facile.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un composant de réacteur nucléaire comprenant un substrat et un revêtement recouvrant une surface du substrat, le procédé de fabrication comprenant le marquage au laser d’un motif sur la surface du substrat, le marquage étant réalisé de manière à former des reliefs en creux dessinant le motif dans la surface du substrat, puis l’application du revêtement sur la surface du substrat, par-dessus le motif.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers, le procédé de fabrication comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes :
- le marquage est réalisé de manière à ce que le motif soit lisible avant et après application du revêtement ;
- les reliefs en creux dessinant le motif ont une profondeur inférieure à 5 pm ;
- le motif comprend au moins une série de lignes dessinant un code d’identification lisible, chaque ligne étant formée d’une pluralité de points et/ou de traits ;
- le motif comprend au moins un code, par exemple un code à barres, un code matriciel et/ou un code alphanumérique ;
- le marquage laser est réalisé par impulsions, de préférence avec une fréquence d’impulsions comprise entre 5 kHz et 2 MHz, une puissance comprise entre 18 W et 22 W, une largeur d’impulsion comprise entre 200x10-15 s et 50x10-12 s et/ou une vitesse de balayage comprise entre 200 mm/s et 2000 mm/s, de manière à réaliser un contraste topographique suffisant pour assurer la lisibilité du motif avant et après application du revêtement ;
- le substrat est métallique ;
- le substrat est réalisé dans un matériau à base de zirconium ;
- le revêtement est métallique ou est un oxyde ;
- le revêtement est réalisé dans un matériau à base de chrome ;
- le revêtement est réalisé en un oxyde, par exemple un oxyde du type ZrOs ou Crûs ; - le composant de réacteur nucléaire est un tube, le substrat ayant une forme tubulaire et la surface marquée avec le motif et recouverte par le revêtement étant la surface externe du substrat de forme tubulaire ;
- le composant de réacteur nucléaire est un tube de gaine, par exemple un tube de gaine de crayon de combustible nucléaire ou un tube de gaine de crayon de commande.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la Figure 1 illustre une étape de marquage d’une surface d’un substrat d’un composant de réacteur nucléaire réalisée au cours d’un procédé de fabrication de ce composant de réacteur nucléaire ;
- la Figure 2 illustre une étape de lecture automatique du marquage réalisée au cours du procédé de fabrication ;
- la Figure 3 illustre une étape d’application d’un revêtement sur le substrat marqué, réalisée au cours du procédé de fabrication;
- la Figure 4 illustre une étape de lecture automatique du marquage réalisée au cours du procédé de fabrication ;
- la Figure 5 illustre une portion du marquage réalisé au cours de l’étape de marquage en vue de face ;
- la Figure 6 illustre un profil de surface de la surface marquée, pris selon la ligne V - V sur la Figure 5 ;
- la Figure 7 est une vue en coupe d’un crayon de combustible nucléaire possédant un tube de gaine obtenu selon le procédé de fabrication illustré sur les Figures 1 à 4.
Les Figures 1 à 4 illustrent un procédé de fabrication d’un composant de réacteur nucléaire 2 comprenant un substrat 4 muni d’un revêtement 8, le procédé comprenant successivement :
- une étape de marquage au laser du substrat 4 comprenant le marquage d’un motif 6 sur une surface 4A du substrat 4 (Figure 1),
- optionnellement, au moins une étape de lecture automatique du motif 6 (Figure 2),
- une étape d’application du revêtement 8 sur la surface 4A du substrat 4, le revêtement 8 recouvrant le motif 6 (Figure 3), et,
- optionnellement, une étape de lecture automatique du motif 6 après application du revêtement 8 (Figure 4). Le marquage du motif 6 et l’application du revêtement 8 sont réalisés de manière à ce que le motif 6 soit lisible, de préférence de manière automatique, avant l’application du revêtement 8 (Figure 2) et après l’application du revêtement 8 (Figure 4).
Le motif 6 est par exemple un code d’identification individuel permettant d’assurer la traçabilité du composant nucléaire 2. Ainsi, le motif 6 marqué sur le substrat 4 avant application du revêtement 8, est lisible avant application du revêtement 8 pour identifier le substrat 4 non revêtu, et après application du revêtement 8 pour identifier le substrat 4 une fois qu’il a été revêtu avec le revêtement 8.
Le marquage du motif 6 est réalisé de manière à ce que le marquage augmente localement la rugosité de la surface 4A du substrat 4.
Le marquage est réalisé de manière que le motif 6 se présente sous la forme de reliefs en creux 10, et optionnellement de reliefs en saillie 12, formés sur la surface 4A du substrat 4.
Le marquage est donc réalisé de manière que le motif 6 soit lisible avant et après l’application du revêtement 8 par contraste topographique.
L’expression « contraste topographique » signifie que les reliefs en creux 10, et optionnellement les reliefs en saillie 12, générés par le marquage possèdent des surfaces qui ont des orientations différentes qui provoquent des différences de contraste, ce qui permet la lecture du motif 6, en particulier par lecture automatique.
Le substrat 4 est par exemple un substrat métallique, i.e. un substrat 4 réalisé dans un matériau métallique.
Le substrat 4 est par exemple réalisé dans un matériau à base de zirconium.
Dans le contexte présent, un matériau à base de zirconium désigne un matériau en zirconium pur ou un alliage à base de zirconium.
Un matériau en zirconium pur est un matériau comprenant, en poids, au moins 99% de zirconium. Un alliage à base de zirconium est un alliage comprenant, en poids, au moins 95% de zirconium.
Dans un exemple de réalisation, le matériau à base de zirconium du substrat 6 est un alliage à base de zirconium contenant, en poids, de 0,8 à 1 ,8% de niobium, de 0,2 à 0,6% d’étain et de 0,02 à 0,4% de fer, le reste étant constitué de zirconium et des inévitables impuretés.
Le substrat 4 est par exemple de forme tubulaire, la surface 4A marquée au cours de l’étape de marquage étant la surface externe du substrat 4 de forme tubulaire. Selon le composant de réacteur nucléaire, le substrat 4 peut avoir une autre forme, par exemple une forme de plaque. L’étape de marquage (Figure 1) est réalisée de manière automatique, à l’aide d’une machine de marquage laser 14 comprenant un laser 16 propre à générer un rayon laser 18 dirigé sur la surface 4A sur laquelle doit être marqué le motif 6.
De manière connue, la machine de marquage laser 14 est configurée pour déplacer le rayon laser 18 relativement au substrat 4 de manière à marquer la surface 4A en formant le motif 6.
La machine de marquage laser 14 est par exemple configurée pour déplacer le rayon laser 18, le substrat 4 restant immobile, ou pour déplacer le substrat 4, le rayon laser 18 restant immobile, ou pour déplacer à la fois le rayon laser 18 et le substrat 4, en les déplaçant l’un par rapport à l’autre.
Dans un exemple de réalisation, le marquage laser est réalisé par impulsions avec une fréquence d’impulsions et des paramètres définis de manière à réaliser un contraste topographique suffisant pour assurer la lisibilité du motif 6, de préférence de manière automatique, avant et après application du revêtement 8.
Dans un exemple de réalisation, le marquage laser est réalisé avec une fréquence d’impulsions comprise entre 5 kHz et 2 MHz, une puissance de laser comprise entre 18W et 22W, une largeur d’impulsions comprise entre 200x10-15 s et 50x10-12 s et/ou une vitesse de balayage comprise entre 200 mm/s et 2000 mm/s.
Le respect de chacun de ces paramètres, a fortiori lorsqu’ils sont pris en combinaison, permet de réaliser un marquage approprié, en formant des reliefs en creux et/ou en saillie permettant la lecture du marquage avant l’application du revêtement 8 et après l’application du revêtement 8.
Le motif 6 est par exemple un code d’identification individuel, i.e. est un code unique permettant d’identifier individuellement le substrat 4, en le distinguant d’autres substrats. La machine de marquage laser 14 est configurée pour marquer un code spécifique sur chaque substrat 4, le code étant différent d’un substrat à l’autre.
Le motif 6 comprend par exemple un code à barres, un code matriciel et/ou un code alphanumérique. Un code matriciel est par exemple un code QR.
Dans un exemple de réalisation particulier, le motif 6 comprend un code à barres, i.e. un code formé d’une pluralité de barres parallèles. Le codage résulte du nombre de barres, de la largeur des barres et/ou de l’espacement entre les barres.
Dans un exemple de réalisation, comme illustré sur la Figure 5 illustrant le substrat 4 non revêtu et marqué avec le motif 6, ce dernier comprend au moins une ligne 20. Chaque ligne 20 est par exemple une ligne continue ou une ligne formée par un alignement de point et/ou de tirets, en particulier une ligne formée d’un alignement de points 22, comme illustré sur la Figure 5.
Une ligne 20 formée d’un alignement de points 22 est par exemple formée en générant un rayon laser 18 par impulsions, chaque point 22 étant formé par une impulsion respective, le rayon laser 18 étant déplacé par rapport au substrat 4 pour former le point 22 suivant avec l’impulsion suivante.
Le marquage de lignes 20 formées d’alignement de points 22 permet de maîtriser le marquage du substrat 4, et en particulier de maîtriser la profondeur des reliefs en creux générés par le marquage et la hauteur des éventuels reliefs en saillie générés par le marquage.
De manière connue, Il est possible de former des caractères plus ou moins épais d’un code alphanumérique en formant chaque élément du caractère (barre, jambe, hampe...) à l’aide d’une ligne (élément de caractère fin) ou de plusieurs lignes parallèles adjacentes (élément de caractère épais).
De même, il possible de former des barres plus ou moins larges d’un code à barres en formant chaque barre à l’aide d’une ligne (barre étroite) ou de plusieurs lignes parallèles adjacentes (barres moyennes ou larges).
L’invention permet de réaliser une ligne 20 formée d’un alignement de points 22 de manière à produire les traits ou caractères d’épaisseurs et largeurs nécessaires comme décrit précédemment.
Comme illustré sur la Figure 5 sur laquelle est illustrée une portion d’un code à barres, chaque barre 23 est définie par une ligne 20 définissant une barre 23 étroite ou plusieurs lignes 20 adjacentes définissant une barre large. Plus la barre 23 comprend de lignes 20, plus la barre 23 est large.
Sur la Figure 5 sont représentées, de gauche à droite, une barre 23 large formée de trois lignes 20, une barre 23 mince formée d’une ligne 20, une barre 23 large formée de trois lignes 20 et une barre 23 moyenne formée de deux lignes 20.
La Figure 6 est un profil de surface de la surface 4A selon la ligne V - V sur la Figure 5, le profil indiquant en abscisse la profondeur/hauteur des reliefs en creux/saillie.
Le marquage est réalisé de manière à générer des reliefs en creux 10 ayant par exemple une profondeur inférieure à 5 pm.
De préférence, le marquage est réalisé de manière à générer des reliefs en creux 10 d’une profondeur adaptée à l’épaisseur du revêtement 8 qui sera appliqué ultérieurement. La profondeur des reliefs du substrat est prise par rapport à la surface 4A dans une zone non affectée par le marquage.
Ces paramètres permettent d’obtenir un motif 6 lisible avant et après application du revêtement 8, tout en préservant le substrat 4.
De préférence, des reliefs en saillie 12 générés par le marquage ont une hauteur inférieure à 10 pm.
Les reliefs en saillie 12 sont générés par la matière qui était présente à l’endroit des reliefs en creux 10.
Le marquage d’un relief en creux peut générer des reliefs en saillies moins étendus que le relief en creux mais présentant une hauteur plus grande que la profondeur du relief en creux.
La présence de reliefs en saillie présentant une hauteur plus grande que la profondeur des reliefs en creux n’est pas gênante, en particulier pour la résistance du substrat 4.
Comme visible sur la Figure 6, chaque point 22 possède une zone centrale formée par un relief en creux 10 central et éventuellement une zone périphérique formée un relief en saillie 12 annulaire entourant la zone centrale. Chaque point 22 peut en outre éventuellement comprendre un relief en saillie 12 additionnel sensiblement au centre de la zone centrale, comme illustré en pointillés sur la Figure 6.
Avantageusement, le marquage est réalisé de manière à générer des reliefs en creux ayant une profondeur supérieure à la rugosité de la surface 4A du substrat 4 avant le marquage et/ou des reliefs en saillie ayant une hauteur supérieure à la rugosité de la surface 4A du substrat 4 avant le marquage.
Ainsi, la zone de la surface 4A du substrat 4 portant le motif 6 présente une rugosité supérieure au reste de la surface 4A du substrat 4.
Dans un exemple de réalisation, la surface 4A présente avant le marquage une rugosité comprise entre 0,1 et 0,3 microns. La mesure est effectuée par exemple à l’aide d’un rugosimètre ou d’un profilomètre.
L’étape d’application de revêtement (Figure 3) est réalisée de manière automatique à l’aide d’une machine d’application de revêtement (non représentée).
Dans un exemple de réalisation, le revêtement 8 présente une épaisseur comprise entre 5 pm et 25 pm.
Le revêtement 8 est par exemple réalisé dans un matériau à base de chrome.
Dans le contexte présent, un matériau à base de chrome désigne un matériau en chrome pur ou un alliage de chrome. Un matériau en chrome pur est un matériau comprenant, en poids, au moins 99% de chrome. Un alliage à base de chrome est un alliage comprenant, en poids, au moins 85% de chrome.
Dans un exemple de réalisation, le matériau à base de chrome est un alliage à base de chrome choisi parmi : un alliage binaire chrome-aluminium (CrAI), un alliage binaire chrome-azote (CrN) et un alliage binaire chrome-titane (CrTi).
Le contraste topographique réalisé sur le substrat 4 doit être suffisant pour que l’application d’un revêtement 8 (par exemple par dépôt physique en phase vapeur, en particulier par dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, en encore plus en particulier par pulvérisation cathodique magnétron) permette de conserver un contraste nécessaire à la lecture du motif 6.
Comme illustré sur la Figure 3, après application du revêtement 8, la surface libre 8A du revêtement 8 présente au droit des reliefs en creux 10, des reliefs en creux 10A correspondant, et, le cas échant, au droit des reliefs en saillie 12, des reliefs en saillie 12A correspondants.
Ainsi, le motif 6 reste lisible après l’application du revêtement 8.
Chaque étape de lecture automatique (Figures 2 et 4) est réalisée par exemple à l’aide d’une machine de lecture automatique 24 comprenant une tête de lecture 26 et une unité de traitement de données 28 configurée pour lire le motif 6, en particulier pour décoder le motif 6 lorsqu’il s’agit d’un code.
La tête de lecture 26 est par exemple un appareil de capture d’image, tel qu’un appareil photographique ou une caméra, auquel cas l’unité de traitement de données 28 est configuré pour lire le motif 6 par analyse d’image. En variante, la tête de lecture 24 est un scanner.
La lecture du motif 6 après l’étape de marquage permet de s’assurer que le motif 6 est lisible avant de poursuivre le procédé de fabrication et/ou d’assurer la traçabilité du composant après le marquage.
La lecture du motif 6 avant l’étape d’application du revêtement 8 permet d’identifier le substrat 4 avant d’appliquer le revêtement 8.
Dans un exemple de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape de lecture automatique réalisée à l’issue de l’étape de marquage pour s’assurer que le motif 6 est lisible, avant de stocker le substrat marquer et/ou de le transférer vers la machine d’application de revêtement, et une étape de lecture automatique réalisée avant l’entrée du substrat 4 marqué dans la machine d’application du revêtement 8 pour identifier le substrat 4 avant d’appliquer le revêtement 8 et assurer la traçabilité au cours du procédé de fabrication. La lecture du motif 6 après l’étape d’application du revêtement 8 permet de s’assurer que le motif 6 est lisible après le dépôt du revêtement 8, avant de poursuivre le procédé de fabrication et/ou d’assurer la traçabilité du substrat 4 du composant de réacteur nucléaire 2 après l’application du revêtement 8 lorsque le motif 6, par exemple un code d’identification individuel, permet d’assurer la traçabilité.
Il est possible de prévoir une machine de lecture automatique 24 pour la lecture à l’issue du marquage, et une autre machine de lecture automatique 24 pour la lecture avant l’application du revêtement 8.
Grâce à l’invention, il est possible de fabriquer un composant de réacteur nucléaire facilement et de manière fiable, en assurant la traçabilité au cours du procédé de fabrication, grâce au motif 6, qui est par exemple un code d’identification individuel.
Une seule opération de marquage est nécessaire et permet la lecture du motif 6 avant et après l’application du revêtement.
L’opération de marquage n’affecte pas négativement le substrat 4 du composant de réacteur nucléaire, et n’affecte donc pas la résistance structurelle de ce composant de réacteur nucléaire.
L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus, d’autres exemples de réalisation étant envisageables.
Dans un exemple de réalisation, le substrat 4 est métallique, en particulier réalisé dans un matériau à base de zirconium, et le revêtement 8 est métallique, en particulier réalisée dans un matériau à base de chrome.
En variante, le substrat 4 peut être réalisé dans un matériau non métallique, par exemple en un matériau composite comprenant une matrice renforcée de fibres, par exemple de fibres de carbone.
En variante, le revêtement 8 est réalisée dans un matériau non métallique, en particulier un oxyde, par exemple un oxyde du type ZrOs, CrOs...
Un oxyde peut fournir une protection efficace, en particulier sur un substrat 4 métallique.
Il est possible de combiner un substrat 4 métallique avec un revêtement métallique ou un revêtement non métallique ou de combiner un substrat 4 non métallique avec un revêtement 8 métallique ou un revêtement 8 non métallique.
La Figure 7 illustre un crayon de combustible nucléaire 30 destiné par exemple à être utilisé dans un réacteur à eau légère, en particulier un réacteur à eau sous pression (ou PWR pour « Pressurized Water Reactor ») ou un réacteur à eau bouillante (ou BWR pour « Boiling Water Reactor »), un réacteur de type « VVER », un réacteur de type « RMBK » ou un réacteur à eau lourde, type CANDU. Le crayon de combustible nucléaire 32 présente la forme d’une tige allongée suivant un axe central A.
Le crayon de combustible nucléaire 32 comprend une gaine 34 contenant du combustible nucléaire. La gaine 34 comprend un tube 36 chacune de ses extrémités par un bouchon 38 soudé au tube 36. Le tube 36 s’étend suivant l’axe central A du crayon de combustible nucléaire 32.
Le tube 36 est un composant de réacteur nucléaire réalisé selon le procédé de fabrication illustré par les Figures 1 à 6.
Le tube 36 comprend ainsi un substrat 4 tubulaire recouvert d’un revêtement 8, le substrat 4 étant marqué avec le motif 6 avant d’appliquer le revêtement 8, le revêtement 8 étant appliqué ensuite en recouvrant le motif 6, le motif 6 restant lisible après application du revêtement 8.
Le procédé de fabrication du crayon de combustible nucléaire 32 comprend par exemple la fabrication du tube 36 muni de son motif 6 selon le procédé de fabrication illustré par les Figures 1 à 6, puis l’insertion du combustible nucléaire à l’intérieur du tube 36 et la fermeture du tube 36 à l’aide des bouchons 38.
Le composant de réacteur nucléaire n’est pas nécessairement un tube de gaine de crayon de combustible nucléaire. Il est possible de fabriquer d’autres composants de réacteur nucléaire.
En particulier, il est possible de fabriquer un tube de gaine de crayon de commande. Un crayon de commande est destiné à être inséré dans le cœur du réacteur nucléaire pour contrôler la réactivité du cœur. Un crayon de commande se différencie d’un crayon de combustible nucléaire notamment en ce qu’il contient du matériau absorbeur de neutrons au lieu de contenir du combustible nucléaire.
Le composant de réacteur n’est pas nécessairement tubulaire. Il peut présenter une autre forme.
En particulier, il est possible de fabriquer un composant de réacteur nucléaire en forme de plaque. Un tel composant de réacteur nucléaire est par exemple une plaque d’une gaine de combustible nucléaire pour former un élément de combustible nucléaire en forme de plaque comprenant du combustible nucléaire intercalé entre deux plaques de gaine. Un tel élément de combustible nucléaire est par exemple utilisé dans des réacteurs nucléaires expérimentaux.
Le motif 6 n’est pas nécessairement un code, en particulier un code d’identification individuel. Le motif 6 peut être un simple marquage commercial ou un code d’identification du type de produit.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d’un composant de réacteur nucléaire comprenant un substrat (4) et un revêtement (8) recouvrant une surface (4A) du substrat, le procédé de fabrication comprenant le marquage au laser d’un motif (6) sur la surface (4A) du substrat (4), le marquage étant réalisé de manière à former des reliefs en creux (10) dessinant le motif (6) dans la surface (4A) du substrat (4), puis l’application du revêtement (8) sur la surface (4A) du substrat (4), par-dessus le motif (6), dans lequel le revêtement (6) est réalisé dans un matériau en chrome pur comprenant, en poids, au moins 99% de chrome ou un alliage à base de chrome comprenant, en poids, au moins 85% de chrome.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , dans lequel le marquage est réalisé de manière à ce que le motif (6) soit lisible avant et après application du revêtement (8).
3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les reliefs en creux dessinant le motif (6) ont une profondeur inférieure à 5 pm.
4. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le motif (6) comprend au moins une série de lignes dessinant un code d’identification lisible, chaque ligne étant formée d’une pluralité de points et/ou de traits.
5. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le motif (6) comprend au moins un code, par exemple un code à barres, un code matriciel et/ou un code alphanumérique.
6. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le marquage laser est réalisé par impulsions, de préférence avec une fréquence d’impulsions comprise entre 5 kHz et 2 MHz, une puissance comprise entre 18 W et 22 W, une largeur d’impulsion comprise entre 200x10-15 s et 50x10-12 s et/ou une vitesse de balayage comprise entre 200 mm/s et 2000 mm/s, de manière à réaliser un contraste topographique suffisant pour assurer la lisibilité du motif (6) avant et après application du revêtement (8).
7. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (4) est métallique.
8. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (4) est réalisé dans un matériau à base de zirconium.
9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement (6) est métallique ou est un oxyde.
10. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement (6) est réalisé en un oxyde, par exemple un oxyde du type ZrCh ou CrOs.
11. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composant de réacteur nucléaire est un tube, le substrat (4) ayant une forme tubulaire et la surface (4A) marquée avec le motif (6) et recouverte par le revêtement (8) étant la surface externe du substrat (4) de forme tubulaire.
12. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composant de réacteur nucléaire est un tube de gaine, par exemple un tube de gaine de crayon de combustible nucléaire ou un tube de gaine de crayon de commande.
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