EP4655797A1 - Procédé de fabrication d'une gaine de crayon de combustible nucléaire et gaine de crayon de combustible nucléaire correspondante - Google Patents

Procédé de fabrication d'une gaine de crayon de combustible nucléaire et gaine de crayon de combustible nucléaire correspondante

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EP4655797A1
EP4655797A1 EP24701960.7A EP24701960A EP4655797A1 EP 4655797 A1 EP4655797 A1 EP 4655797A1 EP 24701960 A EP24701960 A EP 24701960A EP 4655797 A1 EP4655797 A1 EP 4655797A1
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EP
European Patent Office
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cathode
vapor deposition
physical vapor
excitation signal
sputtering
Prior art date
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Pending
Application number
EP24701960.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Karl Buchanan
Jérémy BISCHOFF
Philippe Legrand
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
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Definitions

  • the present invention relates to the field of nuclear fuel rod sheaths (hereinafter also called “sheaths”) intended to contain nuclear fuel.
  • the nuclear fuel including the fissile material is generally contained in a sheath which prevents the dispersion of the nuclear fuel.
  • Nuclear fuel assemblies used in light water or heavy water reactors generally comprise a bundle of nuclear fuel rods, each nuclear fuel rod comprising a tubular sheath containing nuclear fuel, the sheath being sealed in each of its two ends with a cap.
  • the nuclear fuel rod claddings are made for example from a zirconium-based alloy. Such zirconium-based alloys exhibit high performance under normal conditions of use in nuclear reactors.
  • the temperature in the core of the nuclear reactor can reach more than 800°C, and the cooling fluid is then essentially in the form of water vapor.
  • a sheath comprising a substrate made of a zirconium-based alloy and covered with a protective coating made for example of a chromium-based material.
  • Such a protective coating generally makes it possible to increase the tolerance of the sheath in normal conditions and in accident conditions. It is possible to manufacture such a sheath by depositing the protective coating on the substrate by physical vapor deposition.
  • One of the aims of the invention is to propose a method of manufacturing a nuclear fuel cladding having a substrate coated with a protective coating, which can be implemented quickly.
  • the invention proposes a method of manufacturing a nuclear fuel rod cladding comprising a substrate covered with a protective coating, the manufacturing method comprising the supply of the substrate, and the deposition of the protective coating on the substrate by physical vapor deposition by cathode sputtering, by simultaneously implementing several physical vapor deposition techniques by cathode sputtering, different from each other.
  • “Simultaneous” implementation means that the different physical vapor deposition techniques are implemented together and at the same time, i.e. during the same period of time.
  • the different physical vapor deposition by sputtering techniques implemented simultaneously can be implemented using at least one cathode common to at least two of the different physical vapor deposition by sputtering techniques that are implemented simultaneously and/or at least one cathode dedicated to only one of the different physical vapor deposition techniques by sputtering which are implemented simultaneously.
  • Each physical vapor deposition technique is implemented by application of an excitation signal to the associated cathode, the excitation signal presenting a periodic pattern, the pattern being for example a plateau, a pulse or a train of d impulses.
  • the joint implementation of several different physical vapor deposition techniques using the same common cathode is for example carried out in combining the excitation signals emitted simultaneously and in a synchronized manner such that their respective patterns are applied sequentially to the common cathode.
  • the manufacturing process comprises one or more of the following optional characteristics, taken individually or in all technically possible combinations:
  • the manufacturing process comprises the application to each common cathode of a combined excitation signal corresponding to the superposition of at least two elementary excitation signals, each elementary excitation signal being formed of a corresponding periodic pattern to a respective physical vapor deposition technique by cathode sputtering among the physical vapor deposition techniques by cathode sputtering implemented simultaneously using said common cathode, the elementary excitation signals being synchronized in such a way that their respective patterns are present sequentially in the combined excitation signal;
  • each elementary excitation signal is generated by a respective excitation signal generator, the elementary excitation signals being synchronized and superimposed to form the combined excitation signal applied to said common cathode;
  • At least one of the physical vapor deposition techniques by cathode sputtering implemented simultaneously is implemented using a dedicated cathode, by applying to this dedicated cathode an excitation signal for the implementation of this physical vapor deposition technique;
  • each of the physical vapor deposition techniques by cathode sputtering implemented simultaneously is implemented using a dedicated cathode, by applying to this dedicated cathode an excitation signal for the implementation of this physical vapor deposition technique;
  • each dedicated cathode is generated by a respective excitation signal generator
  • the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously are chosen from: unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS), unipolar or bipolar direct current (DC) magnetron cathode sputtering, magnetron cathode sputtering in unipolar or bipolar pulsed-DC, magnetron cathode sputtering unipolar or bipolar medium frequency (MF) and unipolar or bipolar radio frequency (RF) magnetron sputtering;
  • HiPIMS unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering
  • DC direct current
  • MF medium frequency
  • RF radio frequency
  • the substrate is made of a zirconium-based material and/or the protective coating is made of a chromium-based material;
  • the thickness of the protective coating at the end of the deposition step is between 5 pm and 30 pm, in particular between 10 pm and 20 pm;
  • the substrate has a shape of revolution around a central axis, the manufacturing process comprising rotating the substrate around the central axis during the deposition step;
  • the manufacturing process includes the polarization of the substrate during the deposition of the coating.
  • the invention also relates to a nuclear fuel rod cladding comprising a substrate covered with a protective coating deposited on the substrate by physical vapor deposition by simultaneously implementing a plurality of different physical vapor deposition techniques by sputtering. cathodic.
  • the invention also relates to a physical vapor deposition installation, the installation comprising a chamber, at least one atmosphere control device for generating a rarefied atmosphere in the chamber, at least one cathode and an excitation device, the installation being configured for the deposition of a protective coating on a substrate introduced into the chamber by simultaneously implementing several different physical vapor deposition techniques by sputtering using the cathode or cathodes.
  • the installation includes one or more of the following optional characteristics, taken individually or in all technically possible combinations:
  • the installation comprises at least one common cathode for the simultaneous implementation of at least two among the physical vapor deposition techniques by cathode sputtering implemented simultaneously, the excitation device being configured to generate a signal d combined excitation of the common cathode which corresponds to the superposition of several elementary excitation signals, each elementary excitation signal having a periodic pattern corresponding to a respective one of the physical vapor deposition techniques by cathode sputtering implemented simultaneously using said common cathode, the elementary excitation signals being combined in such a way that their respective patterns are present sequentially in the combined excitation signal;
  • the installation comprises at least one dedicated cathode for the implementation of one of the physical vapor deposition techniques by cathode sputtering implemented simultaneously, the excitation device being configured to generate a respective excitation signal for each dedicated cathode, the excitation signal corresponding to the physical vapor deposition technique by cathode sputtering associated with this dedicated cathode.
  • the installation is configured for polarization of the substrate during coating deposition.
  • FIG. 1 is a schematic view in longitudinal section of a nuclear fuel rod having a cladding
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the cladding of the nuclear fuel rod of Figure 1;
  • FIG. 3 is a schematic view of an installation for deposition of a coating on a substrate by physical vapor deposition by cathode sputtering, comprising a cathode common to two physical vapor deposition techniques by cathode sputtering implemented simultaneously.
  • FIG. 4 contains graphs illustrating the production of a combined excitation signal for the excitation of a cathode for the implementation of physical vapor deposition by cathode sputtering;
  • FIG. 5 contains graphs illustrating the production of a combined excitation signal for the excitation of a cathode for the implementation of physical vapor deposition by cathode sputtering;
  • FIG. 6 is a schematic view of another installation for deposition of a coating on a substrate by physical vapor deposition by cathode sputtering, the installation comprising two dedicated cathodes, each provided for the implementation of a respective physical vapor deposition technique by sputtering.
  • Figure 1 illustrates a nuclear fuel rod 2 intended for use 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 “Pressurized Water Reactor”). Boiling Water Reactor”), a "VVER” type reactor, an "RBMK” type reactor, or a heavy water reactor, for example of the "CANDU” type.
  • the nuclear fuel rod 2 has an elongated shape along a longitudinal axis A.
  • the nuclear fuel rod 2 comprises a sheath 4 containing nuclear fuel.
  • the sheath 4 is tubular and extends along the longitudinal axis A.
  • the sheath 4 is closed in a watertight manner at each of its ends by a respective plug 6.
  • the nuclear fuel is for example in the form of a stack of pellets 8 stacked axially inside the sheath 4, each pellet 8 containing fissile material.
  • the stack of pellets 8 is also called “fissile column”.
  • the nuclear fuel rod 2 comprises a spring 10 disposed inside the sheath 4, between the stack of pellets 8 and one of the plugs 6, to push the stack of pellets 8 towards the other plug 6.
  • a void or plenum 12 is preferably present between the stack of pellets 8 and the plug 6 on which the spring 10 is supported.
  • Figure 2 shows a cross-sectional view of the sheath 4.
  • the sheath 4 comprises a substrate 14 provided with a protective coating 16.
  • the substrate 14 is tubular and extends along the longitudinal axis A.
  • the substrate 14 is a rectilinear tube whose central axis is the longitudinal axis A.
  • the substrate 14 has for example an external diameter of between 8 mm and 15 mm, in particular between 9 mm and 13 mm, and/or a length of between 1 m and 5 m, in particular between 2 m and 5 m.
  • the substrate 14 is made of pure zirconium or of a zirconium-based alloy.
  • pure zirconium designates a material containing at least 99% by weight of zirconium and the term “zirconium-based alloy” designates an alloy containing at least 95% by weight of zirconium.
  • the zirconium-based alloy is for example chosen from one of the known alloys such as M5, ZIRLO, E1 10, HANA, N36, Zircaloy-2 and Zircaloy-4.
  • the substrate 14 has an internal surface 14A facing the inside of the substrate 14 and an external surface 14B facing the outside of the substrate 14.
  • the internal surface 14A delimits the space for receiving the nuclear fuel.
  • the outer surface 14B is opposite the inner surface 14A.
  • the protective coating 16 covers the external surface 14B of the substrate 14.
  • the protective coating 16 has the function of protecting the external surface 14B of the substrate 14 from the external environment. In the absence of protective coating 16, the external surface 14B of the sheath 14 would be exposed to the external environment.
  • the protective coating 16 is made for example of a chrome-based material.
  • chromium-based material means a pure chromium material or a chromium-based alloy.
  • a pure chromium material here means a material comprising at least 99% by weight of chromium.
  • a chromium-based alloy here designates an alloy comprising at least 80% by weight of chromium.
  • the thickness of the protective coating 16 is preferably between 5 pm and 30 pm, in particular between 10 pm and 20 pm.
  • a method of manufacturing the sheath 4 comprises providing the substrate 14 and depositing the protective coating 16 on the substrate 14 by physical vapor deposition by simultaneously implementing several different physical vapor deposition techniques by cathode sputtering. each other.
  • the physical vapor deposition by cathode sputtering of a coating on a substrate is carried out by generating an electric field using a cathode (or “target”) placed in a chamber containing a rarefied atmosphere formed for example by a neutral gas, such as argon, the electric field causing the appearance in the chamber of a plasma containing atoms and electrically charged particles (electrons, ions, etc.) which are precipitated on the cathode under the effect of the electric field and detach atoms from the cathode (i.e. the cathode is pulverized, hence the expression cathode sputtering), these atoms detached from the cathode then going to be deposited on the substrate.
  • a reactive gas such as dinitrogen or dioxygen, is present in the rarefied atmosphere.
  • Physical vapor deposition by magnetron sputtering of a coating on a substrate is achieved by generating an electric field and magnetic field using a cathode (consisting of a "target” and a “magnetron” ) arranged in a chamber containing a rarefied atmosphere formed for example of a neutral gas, such as argon, the electromagnetic field causing the appearance in the chamber of a plasma containing atoms and electrically charged particles (electrons, ions. ..) which are precipitated on the cathode under the effect of the electromagnetic field and detach atoms from the cathode (i.e. the cathode is pulverized, hence the expression cathode sputtering), these atoms detached from the cathode then going to place on the substrate.
  • a cathode consisting of a "target” and a “magnetron”
  • a rarefied atmosphere formed for example of a neutral gas, such as argon
  • the magnetron comprises for example one or more permanent magnets and/or one or more electromagnets.
  • the prediction of a magnetic field makes it possible to better control the trajectory of the electrically charged particles reaching the cathode, which makes it possible to better control a coating deposition rate, in particular to obtain a higher coating deposition rate.
  • the expressions “deposition technique” and “physical vapor deposition technique” designate physical vapor deposition techniques by cathode sputtering, possibly magnetron.
  • the method of manufacturing the sheath 4 thus comprises the simultaneous implementation of several different physical vapor deposition techniques by cathode sputtering to deposit the protective coating 16 on the substrate 14.
  • the physical vapor deposition techniques are implemented simultaneously using at least one cathode common to at least two of the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously and/or at least one dedicated cathode, each dedicated cathode being used for the implementation of only one of the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously.
  • these cathodes are made from the same material.
  • At least two of the different physical vapor deposition techniques are implemented simultaneously using a common cathode, by applying to this common electrode a combined excitation signal corresponding to the superposition of several elementary excitation signals, each elementary excitation signal corresponding to one of the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously using said common electrode.
  • Each elementary excitation signal has for example a periodic pattern, the pattern being for example a plateau, a pulse or a train of pulses.
  • the combined excitation signal is obtained for example by transmitting the elementary excitation signals simultaneously and in a synchronized manner such that the respective patterns of the elementary excitation signals are present sequentially in the combined excitation signal, the respective patterns elementary excitation signals being applied sequentially to the common cathode.
  • the pattern of each elementary excitation signal is present in time windows distinct from those of the pattern of each other elementary excitation signal forming the combined excitation signal.
  • the reason for each elementary excitation signal is present in time windows dedicated to this elementary excitation signal, to the exclusion of the patterns of the other elementary excitation signals.
  • Patterns of different elementary excitation signals are not present at the same time in the combined excitation signal.
  • a first physical vapor deposition technique and a second physical vapor deposition technique are implemented simultaneously using a common cathode by applying an excitation signal to this common cathode.
  • the first elementary excitation signal corresponding to the first physical vapor deposition technique and the second excitation signal elementary corresponding to the second physical vapor deposition technique the first elementary excitation signal and the second elementary excitation signal being synchronized such that their respective elementary patterns are alternated in the combined excitation signal.
  • a physical vapor deposition installation 20 by cathode sputtering configured for the simultaneous implementation of several different physical vapor deposition techniques using a common cathode, and in particular for the simultaneous implementation of a first physical vapor deposition technique and a second physical vapor deposition technique are implemented simultaneously using a common cathode.
  • the installation 20 comprises a chamber 22 for receiving one or more substrates 14, an atmosphere control device 24 for generating a rarefied atmosphere in the chamber 22, a common cathode 26 and an excitation device 28 connected to the common cathode 26.
  • the atmosphere control device 24 comprises for example a pumping device 30 connected to the chamber 22 to generate a rarefied atmosphere in the chamber 22 and a gas supply device 32 fluidly connected to the chamber 22 to provide a neutral gas , eg. argon and/or a reactive gas, e.g. dinitrogen or dioxygen.
  • a neutral gas e.g. argon
  • a reactive gas e.g. dinitrogen or dioxygen.
  • the excitation device 28 is configured to generate a combined excitation signal applied to the common cathode 26 and corresponding to the superposition of elementary excitation signals for the implementation of the physical vapor deposition technique.
  • Each physical vapor deposition technique is implemented by application of an elementary excitation signal to the associated cathode, the excitation signal elementary presenting a pattern repeated periodically, the pattern being for example a plateau, a pulse or a train of pulses.
  • the superposition of periodic excitation signals is carried out in a synchronized manner such that the respective patterns of the excitation signals are applied sequentially to the cathode.
  • the excitation device 28 is here configured for the simultaneous implementation of a first physical vapor deposition technique and a second physical vapor deposition technique using the common cathode 26.
  • the excitation device 28 comprises for example a first electrical generator 34 and a second electrical generator 36 connected in parallel to the common cathode 26, the first electrical generator 34 and the second electrical generator 36 being configured to respectively generate a first electrical signal for the implementation of the first physical vapor deposition technique and the second electrical signal for the implementation of the second physical vapor deposition technique, in a synchronized manner.
  • the installation 20 optionally includes a magnetic field generator 38 (or magnetron) configured to generate a magnetic field near the common cathode 26, for the implementation of vapor phase deposition techniques by cathode sputtering known as “magnetron” using the common cathode 26.
  • a magnetic field generator 38 or magnetron
  • magnetic field generator 38 configured to generate a magnetic field near the common cathode 26, for the implementation of vapor phase deposition techniques by cathode sputtering known as “magnetron” using the common cathode 26.
  • the magnetic field generator 38 comprises one or more permanent magnets and/or one or more electromagnets.
  • the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique implemented simultaneously are physical vapor deposition techniques by magnetron cathode sputtering.
  • the atmosphere control device 24 In operation, the atmosphere control device 24 generates a rarefied atmosphere in the chamber 22 and the excitation device 28 generates the combined excitation signal and applies it to the common cathode 26, such that the techniques of physical vapor deposition are implemented simultaneously using the common cathode 26.
  • the first electrical generator 34 and the second electrical generator 36 generate the first elementary excitation signal and the second elementary excitation signal simultaneously, the first elementary excitation signal and the second signal d the elementary excitation being combined by superposition to generate the combined excitation signal.
  • the magnetic field generator 38 generates a magnetic field near the common cathode 26.
  • Each of the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously can be carried out in unipolar mode or in bipolar mode.
  • each physical vapor deposition technique can be used in unipolar mode or in bipolar mode.
  • the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously are for example chosen from: unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS), unipolar or bipolar direct current (DC) magnetron cathode sputtering, cathode sputtering unipolar or bipolar pulsed-DC magnetron, unipolar or bipolar medium frequency (MF) magnetron sputtering, and unipolar or bipolar radio frequency (RF) magnetron sputtering.
  • HiPIMS unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering
  • DC direct current
  • MF medium frequency
  • RF radio frequency
  • the common cathode 26 is used for the simultaneous implementation of a unipolar or bipolar high-power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS) physical vapor deposition, and a physical vapor deposition by unipolar or bipolar medium frequency (MF) magnetron cathode sputtering.
  • HiPIMS high-power pulsed magnetron cathode sputtering
  • MF medium frequency
  • the installation 20 is configured to polarize the substrate 14 during the implementation of physical vapor deposition.
  • the polarization of the substrate 14 makes it possible to improve the deposition, in particular the quality and density of the deposited coating.
  • the polarization of the substrate 14 is carried out for example using a dedicated substrate 14 polarization generator.
  • the substrate bias generator 14 is for example configured to apply a constant voltage to the substrate, for example a voltage of the order of 100V.
  • Figure 4 includes three graphs representing a first elementary excitation signal S1, a second elementary excitation signal S2 and a combined excitation signal SC resulting from the combination, and more particularly from the superposition of the first elementary excitation signal S1 and the second elementary excitation signal S2, each graph indicating an instantaneous power of the corresponding excitation signal as a function of time.
  • the first elementary excitation signal S1 is configured for carrying out a physical vapor deposition technique by high-power pulsed magnetron cathode sputtering.
  • the first elementary excitation signal S1 is periodic and based on a first pattern formed of a first pulse.
  • the first elementary excitation signal S1 thus comprises first pulses repeated with a first frequency F1 and a first power P1.
  • the second elementary excitation signal S2 is configured for carrying out a vapor deposition technique by magnetron cathode sputtering at medium power.
  • the second elementary excitation signal S2 is periodic and based on a second pattern formed of a train of second identical pulses with a second frequency F2 and having a second power P2.
  • the second elementary excitation signal S2 thus comprises a series of trains of second pulses, each train of second pulses comprising several successive identical pulses with a second frequency F2 and a second power P2.
  • a single train of second pulses is shown in Figure 4.
  • the second elementary excitation signal S2 comprises several successive trains of second pulses.
  • the first frequency F1 is strictly lower than the second frequency F2 and/or the first power P1 is strictly greater than the second power P2.
  • the duration of a train of second pulses of the second elementary excitation signal S2 preferably corresponds to the duration between a first pulse and the next first pulse of the first elementary excitation signal S1, and the interval between a train of second pulses of the second elementary excitation signal S2 and the following train of second pulses preferably corresponds to the duration of a first pulse of the first elementary excitation signal S1.
  • the first elementary excitation signal S1 and the second elementary excitation signal S2 are synchronized in such a way that the first pattern and the second pattern are alternated in the combined excitation signal SC.
  • the superposition of the first elementary excitation signal S1 and the second elementary excitation signal S2 results in a combined excitation signal SC comprising the first pulses at the first power P1 and, between each first pulse and the next first pulse, a train of second pulses to the second power P2.
  • the first pattern and the second pattern are formed sequentially, the sequence being repeated periodically.
  • the combined excitation signal SC makes it possible to simultaneously implement the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique.
  • the first pulses at the first power P1 and with the first frequency F1 make it possible to implement the first physical vapor deposition technique (physical vapor deposition by pulsed magnetron cathode sputtering at high power), the intervals of time between the first pulses being used to implement the second physical vapor deposition technique (physical vapor deposition by magnetron cathode sputtering at medium frequency) which requires pulses at the second power P2 lower than the first power P1 with a second frequency F2 higher than the first frequency F1.
  • the common cathode 26 is used for the simultaneous implementation of unipolar or bipolar high-power magnetron cathode sputtering (HiPIMS) physical vapor deposition and sputtering physical vapor deposition.
  • Figure 5 is similar to Figure 4 and differs in that the second elementary excitation signal S2 is intended for carrying out a physical vapor deposition technique by direct current magnetron cathode sputtering.
  • the second elementary excitation signal S2 is periodic and based on a second pattern in the form of a second plateau at a second power P2.
  • the second elementary excitation signal S2 thus comprises plateaus at a second power P2, the plateaus being separated by intervals at zero power, the plateaus preferably having a duration longer than that of the intervals.
  • the spacing between the intervals corresponds to the duration between the first pulses of the first elementary excitation signal S1 and the duration of the intervals corresponding to the duration of the first pulses of the first elementary excitation signal S1.
  • the first power P1 is strictly greater than the second power P2.
  • the superposition of the first elementary excitation signal S1 and the second elementary excitation signal S2 results in a combined excitation signal SC comprising the first pulses at the first power P1 with a plateau at the second power P2 between each first pulse and the next first pulse.
  • the first pattern and the second pattern are formed sequentially, the sequence being repeated periodically.
  • the combined excitation signal SC makes it possible to simultaneously implement the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique.
  • the first pulses at the first power P1 and with the first frequency F1 make it possible to implement the first physical vapor deposition technique (physical vapor deposition by high power magnetron cathode sputtering), the time intervals between the first pulses being used to implement the second physical vapor deposition technique (physical vapor deposition by direct current magnetron cathode sputtering) which requires a direct current at the second power P2 lower than the first power P1.
  • At least one or each of the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously is implemented using a dedicated cathode, by applying between this dedicated cathode and the substrate a signal d specific excitation for the implementation of a single physical vapor deposition technique.
  • Each dedicated cathode is associated with a single physical vapor deposition technique and is distinct from each other cathode, dedicated or common.
  • the excitation signal of each dedicated cathode is generated by a respective excitation signal generator.
  • An excitation device 28 comprises in this case a respective excitation signal generator associated with each dedicated cathode.
  • a first physical vapor deposition technique is implemented using a first dedicated cathode, by applying to this first dedicated cathode a first specific excitation signal for the implementation of this first physical vapor deposition technique, and, simultaneously, a second physical vapor deposition technique is implemented using a second dedicated cathode, by applying to this second dedicated cathode a second signal specific excitation for the implementation of this first physical vapor deposition technique.
  • the installation 20 of Figure 6 differs from that of Figure 3, whose numerical references associated with similar elements are taken up, by the fact that the installation 20 comprises a first dedicated cathode 26A for the implementation of a first physical vapor deposition technique by cathode sputtering and a second dedicated cathode 26B, distinct from the first dedicated cathode 26A, for the implementation of a second physical vapor deposition technique different from the first physical vapor deposition technique.
  • the first dedicated cathode 26A and the second dedicated cathode 26B are made of the same material.
  • the excitation device 28 is configured to simultaneously generate a first specific excitation signal applied to the first dedicated cathode 26A and a second specific excitation signal applied to the second dedicated cathode 26B.
  • the excitation device 28 comprises for example a first electrical generator 34 configured to generate the first specific excitation signal and connected to the first dedicated cathode 26A and a second electrical generator 36 configured to generate the second specific excitation signal and connected to the second dedicated cathode 24B.
  • the atmosphere control device 24 generates a rarefied atmosphere in the chamber 22, the excitation device 28 simultaneously generates the first specific excitation signal applied to the first dedicated cathode 26A and the second specific excitation signal applied to the second dedicated cathode 26B, so as to simultaneously implement the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique.
  • first electric generator 34 and the second electric generator 36 respectively generate the first specific excitation signal and the second specific excitation signal simultaneously, applied respectively to the first dedicated cathode 26A and to the second dedicated cathode 26B, of so as to simultaneously implement the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique.
  • the magnetic field generator 38 generates a magnetic field near the first dedicated cathode 26A and/or near the second dedicated cathode 26B.
  • the physical vapor deposition techniques implemented simultaneously are for example chosen from: unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS), unipolar or bipolar direct current (DC) magnetron cathode sputtering and cathode sputtering. unipolar or bipolar medium frequency (MF) magnetron.
  • HiPIMS unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering
  • DC direct current
  • MF medium frequency
  • the first dedicated cathode 26A is used for implementing unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS) and the second dedicated cathode 26B is used for the implementation of unipolar or bipolar medium frequency (MF) magnetron sputtering.
  • HiPIMS unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering
  • MF medium frequency
  • the first specific excitation signal and the second specific excitation signal correspond respectively to the first elementary excitation signal S1 and to the second elementary excitation signal S2 of Figure 3.
  • the first dedicated cathode 26A is used for implementing unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS) and the second dedicated cathode 26B is used for implementing a unipolar or bipolar direct current (DC) magnetron cathode sputtering.
  • HiPIMS unipolar or bipolar high power pulsed magnetron cathode sputtering
  • DC direct current
  • the first specific excitation signal corresponds to the first elementary excitation signal S1 in Figure 3 and the second specific excitation signal is a constant continuous signal at the second power P2.
  • the substrate 14 which is tubular along its longitudinal axis A, is rotated around its longitudinal axis A. This ensures uniform deposition on the circumference of the substrate 14.
  • the installation 20 is configured to rotate the substrate 14 around its longitudinal axis A during physical vapor deposition.
  • the deposition of the protective coating 16 is carried out by simultaneously implementing one, two or more than two physical vapor deposition techniques by cathode sputtering, using one or more common cathodes and/or one or more dedicated cathodes.
  • a physical vapor deposition installation 20 for carrying out the deposition of the protective coating 16 therefore comprises at least one common cathode 26 and/or at least one dedicated cathode 26A, 26B, the excitation device 28 being adapted to generate the combined excitation signal applied to each common cathode 26 and the specific excitation signal applied to each dedicated cathode 26A, 26B.
  • Each common cathode is used to implement a group of physical vapor deposition techniques comprising at least two physical vapor deposition techniques.
  • Each group of physical vapor deposition techniques includes for example two physical vapor deposition techniques (this is a pair or a couple of physical vapor deposition techniques) or more than two physical vapor deposition techniques. physical vapor deposition.
  • Each group of physical vapor deposition techniques is different from any other group(s) of physical vapor deposition techniques, while possibly containing at least one physical vapor deposition technique common to one or more other groups of physical vapor deposition techniques where several groups of physical vapor deposition techniques are implemented simultaneously, each using a respective common cathode.
  • Each dedicated cathode is associated with a respective physical vapor deposition technique, while possibly corresponding to a physical vapor deposition technique of one or more groups of physical vapor deposition techniques when at least one group of Physical vapor deposition techniques are implemented simultaneously with the physical vapor deposition technique associated with the dedicated cathode.
  • the deposition of the protective coating 16 is carried out by simultaneously implementing a first physical vapor deposition technique, a second physical vapor deposition technique and a third different physical vapor deposition technique.
  • the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique being implemented using a common cathode
  • the third technique being implemented using a dedicated cathode distinct from the common cathode.
  • the deposition of the protective coating 16 is carried out by simultaneously implementing a first physical vapor deposition technique, a second physical vapor deposition technique and a third different physical vapor deposition technique.
  • the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique being implemented using a first common cathode
  • the first physical vapor deposition technique and the third deposition technique physics in the vapor phase being implemented using a second common cathode distinct from the first common cathode.
  • the deposition of the protective coating 16 is carried out by simultaneously implementing a first physical vapor deposition technique, a second physical vapor deposition technique and a third different physical vapor deposition technique. , implemented respectively using a first dedicated cathode, a second dedicated cathode and a third dedicated cathode.
  • the deposition of the protective coating 16 is carried out by simultaneously implementing a first physical vapor deposition technique and a second physical vapor deposition technique, the first physical vapor deposition technique and the second physical vapor deposition technique being implemented using a common cathode, the first physical vapor deposition technique being implemented using a first dedicated cathode distinct from the cathode common, and, optionally, the second vapor deposition technique being implemented using a second dedicated cathode, distinct from the common cathode and the first dedicated cathode.
  • the first physical vapor deposition technique, the second physical vapor deposition technique and the third physical vapor deposition technique implemented simultaneously are for example chosen from magnetron cathode sputtering.
  • magnetron cathode sputtering unipolar or bipolar high-power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS), unipolar or bipolar direct current (DC) magnetron sputtering, and unipolar or bipolar medium frequency (MF) magnetron sputtering.
  • HiPIMS high-power pulsed magnetron sputtering
  • DC direct current
  • MF medium frequency
  • Each of the first physical vapor deposition technique, the second physical vapor deposition technique and the third physical vapor deposition technique can be implemented simultaneously using at least one common cathode and a dedicated cathode.
  • the invention can be applied to substrates other than nuclear fuel rod cladding substrates.
  • the physical vapor deposition is carried out by rotating the substrate around its longitudinal axis to ensure uniform deposition over the circumference of the substrate.
  • the deposition rate of the protective coating using a high-power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) physical vapor deposition technique and, simultaneously, another sputtering physical vapor deposition technique, such as sputtering direct current (DC) magnetron sputtering or medium frequency (MF) magnetron sputtering, can be two to four times higher than the deposition rate using only the pulsed magnetron sputtering physical vapor deposition technique.
  • high power (HiPIMS) while maintaining the same deposit quality.
  • the use of at least one common cathode 26 makes it possible to maximize the time of use of the common cathode 26.
  • a common cathode 26 used for the implementation of a physical vapor deposition technique by high power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS) and, simultaneously, another physical vapor deposition technique by cathode sputtering such as direct current (DC) magnetron sputtering or medium frequency (MF) magnetron sputtering, can be used with a higher utilization rate than if it were used only for the implementation of the technique of physical vapor deposition by high power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS).
  • HiPIMS high power pulsed magnetron cathode sputtering
  • the time intervals between the high-power pulses of the high-power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS) physical vapor deposition technique are in fact used for the implementation of said other physical vapor deposition technique by cathode sputtering.
  • the deposition of the protective coating 16 is carried out in such a way that the sheath 4 has one or more of the following characteristics:
  • the roughness of the protective coating is equal to or less than 2 pm, in particular equal to or less than 1 pm;
  • the corrosion resistance of the protective coating 16 made of chromium-based material is such that the layer of chromium oxide Cr 2 C>3 is less than 1 pm after five years of use in the core of a reactor nuclear power in normal (non-accidental) operation; and or
  • the density of the protective coating is greater than 98%. Density here designates the percentage of the theoretical density of the same compact material, or even as the theoretical density minus the porosity rate. A density greater than 98% corresponds to a porosity rate less than 2%)
  • the quality of adhesion between the substrate 14 and the protective coating 16 is tested for example by implementing an expansion due to compression test known by the acronym EDC for “Expansion Due to Compression” in English.
  • a single cathode is used to simultaneously implement physical vapor deposition by high-power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) and physical vapor deposition by direct current (DC) magnetron cathode sputtering, by applying two superimposed signals to the cathode.
  • HiPIMS high-power pulsed magnetron sputtering
  • DC direct current
  • a single cathode is used to simultaneously implement high-power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) physical vapor deposition and medium-frequency magnetron sputtering physical vapor deposition. (MF), by applying two superimposed signals to the cathode.
  • HiPIMS high-power pulsed magnetron sputtering
  • MF medium-frequency magnetron sputtering physical vapor deposition.
  • two cathodes are used simultaneously, one to simultaneously implement high-power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS) physical vapor deposition; and the other to implement physical vapor deposition by direct current (DC) magnetron cathode sputtering.
  • HiPIMS high-power pulsed magnetron sputtering
  • DC direct current
  • Example 4 which is a comparative example, a single cathode is used to implement a single physical vapor deposition technique, more particularly high power pulsed magnetron cathode sputtering (HiPIMS).
  • HiPIMS high power pulsed magnetron cathode sputtering
  • the deposition speeds obtained in the first, second and third examples are respectively 6 pm/h, 5.5 pm/h and 7 pm/h, when the deposition speed achieved by implementing a single physical deposition technique in vapor phase by cathode sputtering would be of the order of 2 to 3 pm/h, as illustrated in the fourth example in which the deposition speed is 2 pm/h.

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Abstract

Le procédé de fabrication est prévu pour la fabrication d'une gaine (4) de crayon de combustible nucléaire comprenant un substrat (14) recouvert d'un revêtement de protection (16). Le procédé de fabrication comprend la fourniture du substrat (14) et le dépôt du revêtement de protection (16) sur le substrat (14) par dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, en mettant en oeuvre simultanément plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, différentes les unes des autres.

Description

DESCRIPTION
Procédé de fabrication d’une gaine de crayon de combustible nucléaire et gaine de crayon de combustible nucléaire correspondante
La présente invention concerne le domaine des gaines de crayon de combustible nucléaire (ci-après aussi nommées « gaines ») destinées à contenir du combustible nucléaire.
Le combustible nucléaire incluant la matière fissile est généralement contenu dans une gaine qui évite la dispersion du combustible nucléaire.
Les assemblages de combustible nucléaire utilisés dans les réacteurs à eau légère ou à eau lourde comprennent généralement un faisceau de crayons de combustible nucléaire, chaque crayon de combustible nucléaire comprenant une gaine tubulaire contenant du combustible nucléaire, la gaine étant fermée de manière étanche à chacune de ses deux extrémités par un bouchon.
Les gaines de crayon de combustible nucléaire sont réalisées par exemple en alliage à base de zirconium. De tels alliages à base de zirconium présentent des performances élevées en conditions normales d’utilisation dans les réacteurs nucléaires.
Cependant, ils peuvent atteindre leurs limites, notamment en termes de température, lors de conditions accidentelles sévères, comme par exemple lors d’un accident de perte de fluide de refroidissement (ou LOCA pour « Loss Of Coolant Accident » en anglais).
Lors d’un tel évènement, la température dans le cœur du réacteur nucléaire peut atteindre plus de 800°C, et le fluide de refroidissement se présente alors essentiellement sous forme de vapeur d’eau.
Ceci peut causer une dégradation rapide de la gaine d’un crayon de combustible nucléaire, avec notamment un dégagement d’hydrogène et une oxydation rapide de la gaine, conduisant à sa fragilisation voire à son éclatement, et donc au relâchement de combustible nucléaire hors de la gaine.
Il est possible de prévoir une gaine comprenant un substrat réalisé en alliage à base de zirconium et recouvert d’un revêtement de protection réalisé par exemple en un matériau à base de chrome.
Un tel revêtement de protection permet généralement d’augmenter la tolérance de la gaine en conditions normales et en conditions accidentelles. Il est possible de fabriquer une telle gaine en déposant le revêtement de protection sur le substrat par dépôt physique en phase vapeur.
Cependant, une telle technique de dépôt du revêtement de protection est relativement lente, en particulier pour les épaisseurs de revêtement importantes.
La généralisation de l’utilisation de revêtements de protection sur les gaines de combustible nucléaire au niveau industriel nécessite de pouvoir réaliser le dépôt du revêtement de protection de manière suffisamment rapide.
Un des buts de l’invention est de proposer un procédé de fabrication d’une gaine de combustible nucléaire possédant un substrat revêtu d’un revêtement de protection, qui puisse être mise en œuvre rapidement.
A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’une gaine de crayon de combustible nucléaire comprenant un substrat recouvert d’un revêtement de protection, le procédé de fabrication comprenant la fourniture du substrat, et le dépôt du revêtement de protection sur le substrat par dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, en mettant en œuvre simultanément plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, différentes les unes des autres.
La mise en œuvre simultanée de plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique différentes permet de réaliser un dépôt rapide du revêtement de protection, en obtenant un revêtement de protection possédant une bonne résistance à l’environnement extérieur et une bonne adhérence sur le substrat.
La mise en œuvre « simultanée » signifie que les différentes techniques de dépôt physique en phase vapeur sont mises en œuvre ensemble et en même temps, i.e. au cours de la même période de temps.
Les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique différentes mises en œuvre simultanément peuvent être mises en œuvre en utilisant au moins une cathode commune à au moins deux parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique différentes qui sont mises en œuvre simultanément et/ou au moins une cathode dédiée à une seule parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique différentes qui sont mises en œuvre simultanément.
Chaque technique de dépôt physique en phase vapeur est mise en œuvre par application d’un signal d’excitation à la cathode associée, le signal d’excitation présentant un motif périodique, le motif étant par exemple un plateau, une impulsion ou un train d’impulsions.
La mise en œuvre conjointe de plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur différentes à l’aide d’une même cathode commune est par exemple réalisée en combinant les signaux d’excitation émis simultanément et de manière synchronisée de telle manière que leurs motifs respectifs sont appliqués séquentiellement à la cathode commune.
Selon des modes de réalisation particulier, le procédé de fabrication comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- au moins deux parmi les techniques différentes de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique sont mises en œuvre simultanément à l’aide d’une cathode commune ;
- le procédé de fabrication comprend l’application à chaque cathode commune d’un signal d’excitation combiné correspondant à la superposition d’au moins deux signaux d’excitation élémentaires, chaque signal d’excitation élémentaire étant formé d’un motif périodique correspondant à une technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique respective parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément à l’aide de ladite cathode commune, les signaux d’excitation élémentaires étant synchronisés de telle manière que leurs motifs respectifs sont présent séquentiellement dans le signal d’excitation combiné ;
- chaque signal d’excitation élémentaire est généré par un générateur de signal d’excitation respectif, les signaux d’excitation élémentaires étant synchronisés et superposés pour former le signal d’excitation combiné appliqué à ladite cathode commune ;
- aux moins une parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément est mise en œuvre à l’aide d’une cathode dédiée, en appliquant à cette cathode dédiée un signal d’excitation pour la mise en œuvre de cette technique de dépôt physique en phase vapeur ;
- chacune parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément est mise en œuvre à l’aide d’une cathode dédiée, en appliquant à cette cathode dédiée un signal d’excitation pour la mise en œuvre de cette technique de dépôt physique en phase vapeur ;
- le signal d’excitation de chaque cathode dédiée est généré par un générateur de signal d’excitation respectif ;
- les techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément sont choisies parmi : la pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu pulsé (pulsed-DC) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF) unipolaire ou bipolaire et la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence radio (RF) unipolaire ou bipolaire ;
- le substrat est réalisé dans un matériau à base de zirconium et/ou le revêtement de protection est réalisé dans un matériau à base de chrome ;
- l’épaisseur du revêtement de protection à l’issue de l’étape de dépôt est comprise entre 5 pm et 30 pm, en particulier entre 10 pm et 20 pm ;
- le substrat présente une forme de révolution autour d’un axe central, le procédé de fabrication comprenant la mise en rotation du substrat autour de l’axe central pendant l’étape de dépôt ;
- le procédé de fabrication comprend la polarisation du substrat pendant le dépôt du revêtement.
L’invention concerne aussi une gaine de crayon de combustible nucléaire comprenant un substrat recouvert d’un revêtement de protection déposé sur le substrat par dépôt physique en phase vapeur en mettant en œuvre simultanément une pluralité de techniques différentes de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique.
L’invention concerne aussi une installation de dépôt physique en phase vapeur, l’installation comprenant une chambre, au moins un dispositif de contrôle d’atmosphère pour générer dans la chambre une atmosphère raréfiée, au moins une cathode et un dispositif d’excitation, l’installation étant configurée pour le dépôt d’un revêtement de protection sur un substrat introduit dans la chambre en mettant en œuvre simultanément plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique différentes à l’aide de la ou des cathodes.
Selon des modes de réalisation particulier, l’installation comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’installation comprend au moins une cathode commune pour la mise en œuvre simultanée d’au moins deux parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mise en œuvre simultanément, le dispositif d’excitation étant configuré pour générer un signal d’excitation combiné de la cathode commune qui correspond à la superposition de plusieurs signaux d’excitation élémentaires, chaque signal d’excitation élémentaire possédant un motif périodique correspondant à une respective parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément à l’aide de ladite cathode commune, les signaux d’excitation élémentaires étant combinés de telle manière que leurs motifs respectifs sont présent séquentiellement dans le signal d’excitation combiné ; - l’installation comprend au moins une cathode dédiée pour la mise en œuvre d’une parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément, le dispositif d’excitation étant configuré pour générer un signal d’excitation respectif pour chaque cathode dédiée, le signal d’excitation correspondant à la technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique associée à cette cathode dédiée.
- l’installation est configurée pour la polarisation du substrat pendant le dépôt du revêtement.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à l’étude 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 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un crayon de combustible nucléaire possédant une gaine ;
- la Figure 2 est une vue schématique en coupe transversale de la gaine du crayon de combustible nucléaire de la Figure 1 ;
- la Figure 3 est une vue schématique d’une installation de dépôt d’un revêtement sur un substrat par dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, comprenant une cathode commune à deux techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mise en œuvre simultanément.
- la Figure 4 contient des graphiques illustrant la réalisation d’un signal d’excitation combiné pour l’excitation d’une cathode pour la mise en œuvre d’un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique ;
- la Figure 5 contient des graphiques illustrant la réalisation d’un signal d’excitation combiné pour l’excitation d’une cathode pour la mise en œuvre d’un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique ;
- la Figure 6 est une vue schématique d’une autre installation de dépôt d’un revêtement sur un substrat par dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, l’installation comprenant deux cathodes dédiées, chacune prévue pour la mise en œuvre d’une technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique respective.
La Figure 1 illustre un crayon de combustible nucléaire 2 destiné 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 « RBMK », ou un réacteur à eau lourde, par exemple de type « CANDU ». Le crayon de combustible nucléaire 2 présente une forme allongée suivant un axe longitudinal A.
Le crayon de combustible nucléaire 2 comprend une gaine 4 contenant du combustible nucléaire.
La gaine 4 est tubulaire et s’étend suivant l’axe longitudinal A.
La gaine 4 est fermée de manière étanche à chacune de ses extrémités par un bouchon 6 respectif.
Le combustible nucléaire se présente par exemple sous la forme d’un empilement de pastilles 8 empilées axialement à l’intérieur de la gaine 4, chaque pastille 8 contenant du matériau fissile. L’empilement de pastilles 8 est aussi appelée « colonne fissile ».
Le crayon de combustible nucléaire 2 comprend un ressort 10 disposé à l’intérieur de la gaine 4, entre l’empilement de pastilles 8 et l’un des bouchons 6, pour pousser l’empilement de pastilles 8 vers l’autre bouchon 6. Un vide ou plenum 12 est de préférence présent entre l’empilement de pastilles 8 et le bouchon 6 sur lequel le ressort 10 prend appui.
La Figure 2 représente une vue en coupe transversale de la gaine 4.
La gaine 4 comprend un substrat 14 muni d’un revêtement de protection 16.
Le substrat 14 est tubulaire et s’étend suivant l’axe longitudinal A. En d’autres termes, le substrat 14 est un tube rectiligne dont l’axe central est l’axe longitudinal A.
Le substrat 14 présente par exemple un diamètre externe compris entre 8 mm et 15 mm, en particulier entre 9 mm et 13 mm, et/ou une longueur comprise entre 1 m et 5 m, en particulier entre 2 m et 5 m.
Le substrat 14 est réalisé en zirconium pur ou en alliage à base de zirconium.
L’expression « zirconium pur » désigne un matériau contenant au moins 99 % en poids de zirconium et l’expression « alliage à base de zirconium » désigne un alliage contenant au moins 95% en poids de zirconium.
L’alliage à base de zirconium est par exemple choisi parmi un des alliages connus tels que M5, ZIRLO, E1 10, HANA, N36, Zircaloy-2 et Zircaloy-4.
Le substrat 14 présente une surface interne 14A tournée vers l’intérieur du substrat 14 et une surface externe 14B tournée vers l’extérieur du substrat 14. La surface interne 14A délimite l’espace de réception du combustible nucléaire. La surface externe 14B est opposée à la surface interne 14A.
Le revêtement de protection 16 recouvre la surface externe 14B du substrat 14.
Le revêtement de protection 16 a pour fonction de protéger la surface externe 14B du substrat 14 de l’environnement extérieur. En l’absence de revêtement de protection 16, la surface externe 14B de la gaine 14 serait exposée à l’environnement extérieur. Le revêtement de protection 16 est réalisé par exemple en un matériau à base de chrome.
L’expression « matériau à base de chrome » désigne un matériau en chrome pur ou un alliage à base de chrome. Un matériau en chrome pur désigne ici un matériau comprenant au moins 99% en poids de chrome. Un alliage à base de chrome désigne ici un alliage comprenant au moins 80% en poids de chrome.
L’épaisseur du revêtement de protection 16 est de préférence comprise entre 5 pm et 30 pm, en particulier entre 10 pm et 20 pm.
Un procédé de fabrication de la gaine 4 comprend la fourniture du substrat 14 et le dépôt du revêtement de protection 16 sur le substrat 14 par dépôt physique en phase vapeur en mettant en œuvre simultanément plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, différentes les unes des autres.
Le dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique d’un revêtement sur un substrat est réalisé en générant un champ électrique à l’aide d’une cathode (ou « cible ») disposés dans une chambre contenant une atmosphère raréfiée formée par exemple d’un gaz neutre, tel l’argon, le champ électrique entraînant l’apparition dans la chambre d’un plasma contenant des atomes et des particules chargées électriquement (électrons, ions...) qui sont précipitées sur la cathode sous l’effet du champ électrique et décrochent des atomes de la cathode (i.e. la cathode est pulvérisée, d’où l’expression de pulvérisation cathodique), ces atomes détachés de la cathode allant ensuite se déposer sur le substrat. En option, un gaz réactif, tel que du diazote ou du dioxygène, est présent dans l’atmosphère raréfié.
Avantageusement, un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique est réalisé par pulvérisation cathodique magnétron.
Le dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron d’un revêtement sur un substrat est réalisé en générant un champ électrique et champ magnétique à l’aide d’une cathode (composé d’une « cible » et d’un « magnétron ») disposés dans une chambre contenant une atmosphère raréfiée formée par exemple d’un gaz neutre, tel l’argon, le champ électromagnétique entraînant l’apparition dans la chambre d’un plasma contenant des atomes et des particules chargées électriquement (électrons, ions...) qui sont précipitées sur la cathode sous l’effet du champ électromagnétique et décrochent des atomes de la cathode (i.e. la cathode est pulvérisée, d’où l’expression de pulvérisation cathodique), ces atomes détachés de la cathode allant ensuite se déposer sur le substrat.
Le magnétron comprend par exemple un ou plusieurs aimants permanents et/ou un ou plusieurs électroaimants. La prévision d’un champ magnétique permet de mieux contrôler la trajectoire des particules chargées électriquement atteignant la cathode, ce qui permet de mieux contrôler une vitesse de dépôt du revêtement, en particulier d’obtenir une vitesse de dépôt du revêtement plus élevée.
Dans la suite, sauf stipulation contraire, les expressions « technique de dépôt » et « technique de dépôt physique en phase vapeur » désignent des techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, éventuellement magnétron.
Le procédé de fabrication de la gaine 4 comprend ainsi la mise en œuvre simultanée de plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique différentes pour déposer le revêtement de protection 16 sur le substrat 14.
Les techniques de dépôt physique en phase vapeur sont mises en œuvre simultanément en utilisant au moins une cathode commune à au moins deux parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément et/ou au moins une cathode dédiée, chaque cathode dédiée étant utilisée pour la mise en œuvre d’une seule parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément.
De préférence, lorsque plusieurs cathodes sont utilisées pour la mise en œuvre simultanée des techniques de dépôt physique en phase vapeur différentes, ces cathodes sont réalisées dans un même matériau.
Dans un exemple de réalisation, au moins deux parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur différentes sont mises en œuvre simultanément à l’aide d’une cathode commune, en appliquant à cette électrode commune un signal d’excitation combiné correspondant à la superposition de plusieurs signaux d’excitation élémentaires, chaque signal d’excitation élémentaire correspondant à une des techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément à l’aide de ladite électrode commune.
Chaque signal d’excitation élémentaire possède par exemple un motif périodique, le motif étant par exemple un plateau, une impulsion ou un train d’impulsions.
Le signal d’excitation combiné est obtenu par exemple en émettant les signaux d’excitation élémentaires simultanément et de manière synchronisée de telle sorte que les motifs respectifs des signaux d’excitation élémentaires sont présents séquentiellement dans le signal d’excitation combiné, les motifs respectifs des signaux d’excitation élémentaires étant appliqués séquentiellement à la cathode commune.
Dans le signal d’excitation combiné, le motif de chaque signal d’excitation élémentaire est présent dans des fenêtres de temps distinctes de celles du motif de chaque autre signal d’excitation élémentaire formant le signal d’excitation combiné. Le motif de chaque signal d’excitation élémentaire est présent dans des fenêtres de temps dédiées à ce signal d’excitation élémentaire, à l’exclusion des motifs des autres signaux d’excitation élémentaires.
Des motifs des signaux d’excitation élémentaires différents ne sont pas présents au même instant dans le signal d’excitation combiné.
Dans un exemple de réalisation, une première technique de dépôt physique en phase vapeur et une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur sont mises en œuvre simultanément à l’aide d’une cathode commune en appliquant à cette cathode commune un signal d’excitation combiné correspondant à la superposition d’un premier signal d’excitation élémentaire et d’un deuxième signal d’excitation élémentaire, le premier signal d’excitation élémentaire correspondant à la première technique de dépôt physique en phase vapeur et le deuxième signal d’excitation élémentaire correspondant à la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur, le premier signal d’excitation élémentaire et le deuxième signal d’excitation élémentaire étant synchronisés telle manière que leurs motifs élémentaires respectifs sont alternés dans le signal d’excitation combiné.
Comme illustré sur la Figure 3, une installation 20 de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique configurée pour la mise en œuvre simultanée de plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur différente à l’aide d’une cathode commune, et en particulier pour la mise en œuvre simultanée d’une première technique de dépôt physique en phase vapeur et une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur sont mises en œuvre simultanément à l’aide d’une cathode commune.
L’installation 20 comprend une chambre 22 pour recevoir un ou plusieurs substrats 14, un dispositif de contrôle d’atmosphère 24 pour générer une atmosphère raréfiée dans la chambre 22, une cathode commune 26 et un dispositif d’excitation 28 connecté à la cathode commune 26.
Le dispositif de contrôle d’atmosphère 24 comprend par exemple un dispositif de pompage 30 relié à la chambre 22 pour générer une atmosphère raréfiée dans la chambre 22 et un dispositif d’alimentation en gaz 32 relié fluidiquement à la chambre 22 pour fournir un gaz neutre, par ex. de l’argon et/ou un gaz réactif, par ex. du diazote ou du dioxygène.
Le dispositif d’excitation 28 est configuré pour générer un signal d’excitation combiné appliqué à la cathode commune 26 et correspondant à la superposition de signaux d’excitation élémentaires pour la mise en œuvre de technique de dépôt physique en phase vapeur.
Chaque technique de dépôt physique en phase vapeur est mise en œuvre par application d’un signal d’excitation élémentaire à la cathode associée, le signal d’excitation élémentaire présentant un motif répété de manière périodique, le motif étant par exemple un plateau, une impulsion ou un train d’impulsions.
La superposition de signaux d’excitation périodiques est réalisée de manière synchronisée de telle sorte que les motifs respectifs des signaux d’excitation sont appliqués séquentiellement à la cathode.
Le dispositif d’excitation 28 est ici configuré pour la mise en œuvre simultanée d’une première technique de dépôt physique en phase vapeur et d’une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur à l’aide de la cathode commune 26.
Le dispositif d’excitation 28 comprend par exemple un premier générateur électrique 34 et un deuxième générateur électrique 36 reliés en parallèle à la cathode commune 26, le premier générateur électrique 34 et le deuxième générateur électrique 36 étant configurés pour générer respectivement un premier signal électrique pour la mise en œuvre de la première technique de dépôt physique en phase vapeur et le deuxième signal électrique pour la mise en œuvre de la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur, de manière synchronisée.
L’installation 20 comprend en option un générateur de champ magnétique 38 (ou magnétron) configuré pour générer un champ magnétique à proximité de la cathode commune 26, pour la mise en œuvre des techniques de dépôt en phase vapeur par pulvérisation cathodique dites « magnétron » à l’aide de la cathode commune 26.
Le générateur de champ magnétique 38 comprend un ou plusieurs aimants permanents et/ou un ou plusieurs électroaimants.
Lorsque le générateur de champ magnétique 38 est actif, la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément sont des techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron.
En fonctionnement, le dispositif de contrôle d’atmosphère 24 génère une atmosphère raréfiée dans la chambre 22 et le dispositif d’excitation 28 génère le signal d’excitation combiné et l’applique à la cathode commune 26, de telle sorte que les techniques de dépôt physique en phase vapeur sont mises en œuvre simultanément à l’aide de la cathode commune 26.
En particulier, dans l’exemple illustré, le premier générateur électrique 34 et le deuxième générateur électrique 36 génèrent le premier signal d’excitation élémentaire et le deuxième signal d’excitation élémentaire simultanément, le premier signal d’excitation élémentaire et le deuxième signal d’excitation élémentaire étant combinés par superposition pour générer le signal d’excitation combiné. Le cas échéant, le générateur de champ magnétique 38 génère un champ magnétique à proximité de la cathode commune 26.
Chacune des techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément est réalisable en mode unipolaire ou en mode bipolaire.
Par la suite, en l’absence de précision, chaque technique de dépôt physique en phase vapeur est utilisable en mode unipolaire ou en mode bipolaire.
Les techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément sont par exemple choisies parmi : la pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu pulsé (pulsed-DC) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF) unipolaire ou bipolaire et la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence radio (RF) unipolaire ou bipolaire.
Dans un exemple de réalisation, la cathode commune 26 est utilisée pour la mise en œuvre simultanée d’un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire, et d’un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF) unipolaire ou bipolaire.
Optionnellement, l’installation 20 est configurée pour polariser le substrat 14 pendant la mise en œuvre du dépôt physique en phase vapeur. La polarisation du substrat 14 permet d’améliorer le dépôt, en particulier la qualité et la densité du revêtement déposé. La polarisation du substrat 14 est effectuée par exemple à l’aide d’un générateur de polarisation du substrat 14 dédié. Le générateur de polarisation du substrat 14 est par exemple configuré pour appliquer une tension constante au substrat, par exemple une tension de l’ordre de 100V.
La Figure 4 comprend trois graphiques représentant un premier signal d’excitation élémentaire S1 , un deuxième signal d’excitation élémentaire S2 et un signal d’excitation combiné SC résultant de la combinaison, et plus particulièrement de la superposition du premier signal d’excitation élémentaire S1 et du deuxième signal d’excitation élémentaire S2, chaque graphique indiquant une puissance instantanée du signal d’excitation correspondant en fonction du temps.
Le premier signal d’excitation élémentaire S1 est configuré pour la réalisation d’une technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance.
Le premier signal d’excitation élémentaire S1 est périodique et basé sur un premier motif formé d’une première impulsion. Le premier signal d’excitation élémentaire S1 comprend ainsi des premières impulsions répétées avec une première fréquence F1 et une première puissance P1 .
Le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 est configuré pour la réalisation d’une technique de dépôt en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron à puissance moyenne.
Le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 est périodique et basé sur un deuxième motif formé d’un train de deuxièmes impulsions identiques avec une deuxième fréquence F2 et possédant une deuxième puissance P2. Le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 comprend ainsi une suite de trains de deuxièmes impulsions, chaque train de deuxièmes impulsions comprenant plusieurs impulsions identiques successives avec une deuxième fréquence F2 et une deuxième puissance P2.
Un seul train de deuxièmes impulsions est représenté sur la Figure 4. Le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 comprend plusieurs trains de deuxièmes impulsions successifs.
De préférence, la première fréquence F1 est strictement inférieure à la deuxième fréquence F2 et/ou la première puissance P1 est strictement supérieure à la deuxième puissance P2.
La durée d’un train de deuxièmes impulsions du deuxième signal d’excitation élémentaire S2 correspond de préférence à la durée entre une première impulsion et la première impulsion suivante du premier signal d’excitation élémentaire S1 , et l’intervalle entre un train de deuxièmes impulsions du deuxième signal d’excitation élémentaire S2 et le train de deuxièmes impulsions suivant correspond de préférence à la durée d’une première impulsion du premier signal d’excitation élémentaire S1.
Le premier signal d’excitation élémentaire S1 et le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 sont synchronisés de telle manière que le premier motif et le deuxième motif sont alternés dans le signal d’excitation combiné SC.
La superposition du premier signal d’excitation élémentaire S1 et du deuxième signal d’excitation élémentaire S2 résulte en un signal d’excitation combiné SC comprenant les premières impulsions à la première puissance P1 et, entre chaque première impulsion et la première impulsion suivante, un train de deuxièmes impulsions à la deuxième puissance P2.
Dans le signal d’excitation combiné SC, le premier motif et le deuxième motif sont formés séquentiellement, la séquence étant répétée périodiquement.
Le signal d’excitation combiné SC permet de mettre en œuvre simultanément la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur. En particulier, les premières impulsions à la première puissance P1 et avec la première fréquence F1 permettent de mettre en œuvre la première technique de dépôt physique en phase vapeur (dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance), les intervalles de temps entre les premières impulsions étant exploités pour mettre en œuvre la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur (dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne) qui requière des impulsions à la deuxième puissance P2 inférieure à la première puissance P1 avec une deuxième fréquence F2 plus élevée que la première fréquence F1.
Dans un exemple de réalisation, la cathode commune 26 est utilisée pour la mise en œuvre simultanée d’un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire et d’un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) unipolaire ou bipolaire.
La Figure 5 est analogue à la Figure 4 et en diffère en ce que le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 est prévu pour la réalisation d’une technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron en courant continu.
Le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 est périodique et basé sur un deuxième motif se présentant sous la forme d’un deuxième plateau à une deuxième puissance P2. Le deuxième signal d’excitation élémentaire S2 comprend ainsi des plateaux à une deuxième puissance P2, les plateaux étant séparés par des intervalles à puissance nulle, les plateaux possédant de préférence une durée plus longue que celle des intervalles.
L’espacement entre les intervalles correspond à la durée entre les premières impulsions du premier signal d’excitation élémentaire S1 et la durée des intervalles correspondant à la durée des premières impulsions du premier signal d’excitation élémentaire S1 .
De préférence, la première puissance P1 est strictement supérieure à la deuxième puissance P2.
La superposition du premier signal d’excitation élémentaire S1 et du deuxième signal d’excitation élémentaire S2 résulte en un signal d’excitation combiné SC comprenant les premières impulsions à la première puissance P1 avec un plateau à la deuxième puissance P2 entre chaque première impulsion et la première impulsion suivante.
Dans le signal d’excitation combiné SC, le premier motif et le deuxième motif sont formés séquentiellement, la séquence étant répétée périodiquement. Le signal d’excitation combiné SC permet de mettre en œuvre simultanément la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur.
En particulier, les premières impulsions à la première puissance P1 et avec la première fréquence F1 permettent de mettre en œuvre la première technique de dépôt physique en phase vapeur (dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron à haute puissance), les intervalles de temps entre les premières impulsions étant exploités pour mettre en œuvre la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur (dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron en courant continu) qui requière un courant continu à la deuxième puissance P2 inférieure à la première puissance P1 .
Dans un exemple de réalisation, au moins une ou chacune parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément est mise en œuvre à l’aide d’une cathode dédiée, en appliquant entre cette cathode dédiée et le substrat un signal d’excitation spécifique pour la mise en œuvre d’une seule technique de dépôt physique en phase vapeur.
Chaque cathode dédiée est associée à une seule technique de dépôt physique en phase vapeur et est distincte de chaque autre cathode, dédiée ou commune.
Dans un exemple de réalisation, le signal d’excitation de chaque cathode dédiée est généré par un générateur de signal d’excitation respectif.
Un dispositif d’excitation 28 comprend dans ce cas un générateur de signal d’excitation respectif associé à chaque cathode dédiée.
Dans un exemple de réalisation, une première technique de dépôt physique en phase vapeur est mise en œuvre à l’aide d’une première cathode dédiée, en appliquant à cette première cathode dédiée un premier signal d’excitation spécifique pour la mise en œuvre de cette première technique de dépôt physique en phase vapeur, et, simultanément, une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur est mise en œuvre à l’aide d’une deuxième cathode dédiée, en appliquant à cette deuxième cathode dédiée un deuxième signal d’excitation spécifique pour la mise en œuvre de cette première technique de dépôt physique en phase vapeur.
L’installation 20 de la Figure 6 diffère de celle de le Figure 3, dont les références numériques associées aux éléments analogues sont reprises, par le fait que l’installation 20 comprend une première cathode dédiée 26A pour la mise en œuvre d’une première technique dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique et une deuxième cathode dédiée 26B, distincte de la première cathode dédiée 26A, pour la mise en œuvre d’une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur différente de la première technique de dépôt physique en phase vapeur.
De préférence, la première cathode dédiée 26A et la deuxième cathode dédiée 26B sont réalisées dans le même matériau.
Le dispositif d’excitation 28 est configuré pour générer simultanément un premier signal d’excitation spécifique appliqué à la première cathode dédiée 26A et un deuxième signal d’excitation spécifique appliqué à la deuxième cathode dédiée 26B.
Comme illustré sur la Figure 6, le dispositif d’excitation 28 comprend par exemple un premier générateur électrique 34 configuré pour générer le premier signal d’excitation spécifique et connecté à la première cathode dédiée 26A et un deuxième générateur électrique 36 configuré pour générer le deuxième signal d’excitation spécifique et connecté à la deuxième cathode dédiée 24B.
En fonctionnement, le dispositif de contrôle d’atmosphère 24 génère une atmosphère raréfiée dans la chambre 22, le dispositif d’excitation 28 génère simultanément le premier signal d’excitation spécifique appliqué à la première cathode dédiée 26A et le deuxième signal d’excitation spécifique appliqué à la deuxième cathode dédiée 26B, de façon à mettre en œuvre simultanément la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur.
En particulier, le premier générateur électrique 34 et le deuxième générateur électrique 36 génèrent respectivement le premier signal d’excitation spécifique et le deuxième signal d’excitation spécifique simultanément, appliqués respectivement à la première cathode dédiée 26A et à la deuxième cathode dédiée 26B, de façon à mettre en œuvre simultanément la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur.
Le cas échéant, le générateur de champ magnétique 38 génère un champ magnétique à proximité de la première cathode dédiée 26A et/ou à proximité de la deuxième cathode dédiée 26B.
Les techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément sont par exemple choisies parmi : la pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) unipolaire ou bipolaire et la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF) unipolaire ou bipolaire.
Dans un exemple de réalisation, la première cathode dédiée 26A est utilisée pour la mise en œuvre d’une pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire et la deuxième cathode dédiée 26B est utilisée pour la mise en œuvre d’une pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF) unipolaire ou bipolaire.
Dans ce cas, le premier signal d’excitation spécifique et le deuxième signal d’excitation spécifique correspondent respectivement au premier signal d’excitation élémentaire S1 et au deuxième signal d’excitation élémentaire S2 de la Figure 3.
Dans un exemple de réalisation, la première cathode dédiée 26A est utilisée pour la mise en œuvre d’une pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire et la deuxième cathode dédiée 26B est utilisée pour la mise en œuvre d’une pulvérisation cathodique magnétron à courant continu (DC) unipolaire ou bipolaire.
Dans ce cas, le premier signal d’excitation spécifique correspond au premier signal d’excitation élémentaire S1 de la Figure 3 et le deuxième signal d’excitation spécifique est un signal continu constant à la deuxième puissance P2.
De préférence, lors du dépôt physique en phase vapeur, le substrat 14, qui est tubulaire suivant son axe longitudinal A, est entraîné en rotation autour de son axe longitudinal A. Ceci permet d’assurer un dépôt uniforme sur la circonférence du substrat 14.
Pour ce faire, l’installation 20 est configurée pour la mise en rotation du substrat 14 autour de son axe longitudinal A au cours du dépôt physique en phase vapeur.
L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation et aux variantes de réalisation illustrées et décrites ci-dessus.
Il est possible de mettre en œuvre simultanément exactement deux techniques de dépôt en phase vapeur, à l’aide d’une cathode commune ou de deux cathodes dédiées, comme illustré sur les Figures 3 et 6.
De manière plus générale, le dépôt du revêtement de protection 16 est réalisé en mettant en œuvre simultanément une, deux ou plus de deux techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, en utilisant une ou plusieurs cathodes communes et/ou une ou plusieurs cathodes dédiées.
Une installation 20 de dépôt physique en phase vapeur pour la réalisation du dépôt du revêtement de protection 16 comprend donc au moins une cathode commune 26 et/ou au moins une cathode dédiée 26A, 26B, le dispositif d’excitation 28 étant adapté pour générer le signal d’excitation combiné appliqué à chaque cathode commune 26 et le signal d’excitation spécifique appliqué de chaque cathode dédiée 26A, 26B.
Chaque cathode commune est utilisée pour mettre en œuvre un groupe de techniques de dépôt physique en phase vapeur comprenant au moins deux techniques de dépôt physique en phase vapeur. Chaque groupe de techniques de dépôt physique en phase vapeur comprend par exemple deux techniques de dépôt physique en phase vapeur (il s’agit d’une paire ou d’un couple de technique de dépôt physique en phase vapeur) ou plus de deux techniques de dépôt physique en phase vapeur.
Chaque groupe de techniques de dépôt physique en phase vapeur est différent du ou des éventuels autres groupes de techniques de dépôt physique en phase vapeur, tout en pouvant contenir éventuellement au moins une technique de dépôt physique en phase vapeur commune à un ou des autres groupes de techniques de dépôt physique en phase vapeur lorsque plusieurs groupes de techniques de dépôt physique en phase vapeur sont mis en œuvre simultanément, chacun à l’aide d’une cathode commune respective.
Chaque cathode dédiée est associée à une technique de dépôt physique en phase vapeur respective, tout en pouvant correspondre éventuellement à une technique de dépôt physique en phase vapeur d’un ou plusieurs groupes de techniques de dépôt physique en phase vapeur lorsque au moins un groupe de techniques de dépôt physique en phase vapeur est mis en œuvre simultanément avec la technique de dépôt physique en phase vapeur associée à la cathode dédiée.
Dans un exemple de réalisation, le dépôt du revêtement de protection 16 est réalisé en mettant en œuvre simultanément une première technique de dépôt physique en phase vapeur, une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur et une troisième technique de dépôt physique en phase vapeur différentes, la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur étant mise en œuvre à l’aide d’une cathode commune, la troisième technique étant mise en œuvre à l’aide d’une cathode dédiée distincte de la cathode commune.
Dans un exemple de réalisation, le dépôt du revêtement de protection 16 est réalisé en mettant en œuvre simultanément une première technique de dépôt physique en phase vapeur, une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur et une troisième technique de dépôt physique en phase vapeur différentes, la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur étant mises en œuvre à l’aide d’une première cathode commune, la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la troisième technique de dépôt physique en phase vapeur étant mises en œuvre à l’aide d’une deuxième cathode commune distincte de la première cathode commune.
Dans un exemple de réalisation, le dépôt du revêtement de protection 16 est réalisé en mettant en œuvre simultanément une première technique de dépôt physique en phase vapeur, une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur et une troisième technique de dépôt physique en phase vapeur différentes, mises en œuvre respectivement à l’aide d’une première cathode dédiée, d’une deuxième cathode dédiée et d’une troisième cathode dédiée.
Dans un exemple de réalisation, le dépôt du revêtement de protection 16 est réalisé en mettant en œuvre simultanément une première technique de dépôt physique en phase vapeur et une deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur, la première technique de dépôt physique en phase vapeur et la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur étant mises en œuvre à l’aide d’une cathode commune, la première technique de dépôt physique en phase vapeur étant mise en œuvre à l’aide d’une première cathode dédiée distincte de la cathode commune, et, optionnellement, la deuxième technique de dépôt en phase vapeur étant mise en œuvre à l’aide d’une deuxième cathode dédiée, distincte de la cathode commune et de la première cathode dédiée.
Dans les exemples indiqués ci-dessus, la première technique de dépôt physique en phase vapeur, la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur et la troisième technique de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément sont par exemple choisies parmi la pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) unipolaire ou bipolaire et la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF) unipolaire ou bipolaire.
Les exemples indiqués ci-dessus sont combinables pour la mise en œuvre simultanée de la première technique de dépôt physique en phase vapeur, de la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur et de la troisième technique de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément.
Chacune parmi la première technique de dépôt physique en phase vapeur, la deuxième technique de dépôt physique en phase vapeur et la troisième technique de dépôt physique en phase vapeur peut être mise en œuvre simultanément à l’aide d’au moins une cathode commune et d’une cathode dédiée.
Par ailleurs, l’invention peut s’appliquer à d’autres substrats que des substrats de gaine de crayon de combustible nucléaire.
Lorsque le substrat est symétrique de révolution autour d’un axe longitudinal, de préférence, le dépôt physique en phase vapeur est réalisé en entraînant le substrat en rotation autour de son axe longitudinal pour assurer un dépôt uniforme sur la circonférence du substrat.
Grâce à l’invention, il est possible de réaliser le dépôt d’un revêtement de protection de manière rapide, et mieux adapté avec la production de gaines de crayon de combustible nucléaire à l’échelle industrielle. La vitesse de dépôt du revêtement de protection en utilisant une technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) et, simultanément, une autre technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, telle que la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) ou la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF), peut être de deux à quatre fois supérieure à la vitesse de dépôt en utilisant seulement la technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS), tout en conservant la même qualité de dépôt.
En particulier, l’utilisation d’au moins une cathode commune 26 permet de maximiser le temps d’utilisation de la cathode commune 26.
En particulier, une cathode commune 26 utilisée pour la mise en œuvre d’une technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) et, simultanément, une autre technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique telle que la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) ou la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF), peut être utilisée avec un taux d’utilisation plus élevée que si elle était utilisée uniquement pour la mise en œuvre de la technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS).
Les intervalles de temps entre les impulsions à haute puissance de la technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) sont en effet utilisés pour la mise en œuvre de ladite autre technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique.
La combinaison de plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique permet de bénéficier des avantages des différentes techniques, notamment en termes de rugosité du revêtement de protection 16, de résistance à la corrosion du revêtement de protection 16, de densité du revêtement de protection 16 et/ou d’adhérence du revêtement de protection 16 sur le substrat 14.
De préférence, le dépôt du revêtement de protection 16 est mis en œuvre de telle manière que la gaine 4 présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la rugosité du revêtement de protection est égale ou inférieure à 2 pm, en particulier égale ou inférieure à 1 pm ;
- la résistance à la corrosion du revêtement de protection 16 réalisé en matériau à base de chrome est telle que la couche d’oxyde de chrome Cr2C>3 inférieure à 1 pm après cinq ans d’utilisation dans le cœur d’un réacteur nucléaire en fonctionnement normal (non accidentel); et/ou
- la densité du revêtement de protection est supérieure à 98%. La densité désigne ici le pourcentage de la densité théorique du même matériau compact, ou encore comme la densité théorique moins le taux de porosité. Une densité supérieure à 98% correspond à un taux de porosité inférieur à 2 %)
La qualité de l’adhérence entre le substrat 14 et le revêtement de protection 16 est testée par exemple en mettant en œuvre un test d’expansion dû à la compression connu sous le sigle EDC pour « Expansion Due to Compression » en anglais.
La combinaison de plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique permet de réduire la taille globale d’une installation de dépôt physique en phase vapeur, du fait de la réduction du nombre de cathode nécessaire pour atteindre une productivité souhaitée.
Le tableau ci-dessous présente les résultats de trois exemples fournis à titre d’exemples non-limitatif et d’un exemple comparatif. [Table 1]
Dans le premier exemple (Exemple 1), une seule cathode est utilisée pour mettre en œuvre simultanément un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) et un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC), en appliquant deux signaux superposés à la cathode.
Dans le deuxième exemple (Exemple 2), une seule cathode est utilisée pour mettre en œuvre simultanément un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) et un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF), en appliquant deux signaux superposés à la cathode.
Dans le troisième exemple (Exemple 3), deux cathodes sont utilisées simultanément, une pour mettre en œuvre simultanément un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) ; et l’autre pour mettre en œuvre un dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC). Chaque cathode reçoit un signal d’excitation correspondant à la technique de dépôt physique en phase vapeur correspondante.
Dans le quatrième exemple (Exemple 4) qui est un exemple comparatif, une seule cathode est utilisée pour mettre en œuvre une seule technique de dépôt physique en phase vapeur, plus particulièrement une pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS).
Les vitesses de dépôt obtenues dans les première, deuxième et troisième exemples sont de respectivement 6 pm/h, 5,5 pm/h et 7 pm/h, quand la vitesse de dépôt atteinte en mettant en œuvre une seule technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique serait de l’ordre de 2 à 3pm/h, comme illustré dans le quatrième exemple dans lequel la vitesse de dépôt est de 2pm/h.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d’une gaine (4) de crayon de combustible nucléaire comprenant un substrat (14) recouvert d’un revêtement de protection (16), le procédé de fabrication comprenant la fourniture du substrat (14) ; et le dépôt du revêtement de protection (16) sur le substrat (14) par dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, en mettant en œuvre simultanément plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique, différentes les unes des autres.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , dans lequel au moins deux parmi les techniques différentes de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique sont mises en œuvre simultanément à l’aide d’une cathode commune (26).
3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, comprenant l’application à chaque cathode commune (26) d’un signal d’excitation combiné (SC) correspondant à la superposition d’au moins deux signaux d’excitation élémentaires (S1 , S2), chaque signal d’excitation élémentaire (S1 , S2) étant formé d’un motif périodique correspondant à une technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique respective parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément à l’aide de ladite cathode commune (26), les signaux d’excitation élémentaires (S1 , S2) étant synchronisés de telle manière que leurs motifs respectifs sont présent séquentiellement dans le signal d’excitation combiné (SC).
4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel chaque signal d’excitation élémentaire (S1 , S2) est généré par un générateur de signal d’excitation respectif, les signaux d’excitation élémentaires (S1 , S2) étant synchronisés et superposés pour former le signal d’excitation combiné (SC) appliqué à ladite cathode commune (26).
5. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel aux moins une parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément est mise en œuvre à l’aide d’une cathode dédiée (26A, 26B), en appliquant à cette cathode dédiée (26A, 26B) un signal d’excitation pour la mise en œuvre de cette technique de dépôt physique en phase vapeur.
6. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , dans lequel chacune parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément est mise en œuvre à l’aide d’une cathode dédiée (26A, 26B), en appliquant à cette cathode dédiée (26A, 26B) un signal d’excitation pour la mise en œuvre de cette technique de dépôt physique en phase vapeur.
7. Procédé de fabrication selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le signal d’excitation de chaque cathode dédiée (26A, 26B) est généré par un générateur de signal d’excitation (26A, 26B) respectif.
8. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les techniques de dépôt physique en phase vapeur mises en œuvre simultanément sont choisies parmi : la pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron en courant continu pulsé (pulsed-DC) unipolaire ou bipolaire, la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence moyenne (MF) unipolaire ou bipolaire et la pulvérisation cathodique magnétron à fréquence radio (RF) unipolaire ou bipolaire.
9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (14) est réalisé dans un matériau à base de zirconium et/ou le revêtement de protection (16) est réalisé dans un matériau à base de chrome.
10. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’épaisseur du revêtement de protection à l’issue de l’étape de dépôt est comprise entre 5 pm et 30 pm, en particulier entre 10 pm et 20 pm.
11. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat présente une forme de révolution autour d’un axe central, le procédé de fabrication comprenant la mise en rotation du substrat (14) autour de l’axe central pendant l’étape de dépôt.
12. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant la polarisation du substrat (14) pendant le dépôt du revêtement.
13. Gaine de crayon de combustible nucléaire comprenant un substrat (14) recouvert d’un revêtement de protection (16) déposé sur le substrat par dépôt physique en phase vapeur en mettant en œuvre simultanément une pluralité de techniques différentes de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique.
14. Installation de dépôt physique en phase vapeur, comprenant une chambre (22), au moins un dispositif de contrôle d’atmosphère (24) pour générer dans la chambre (22) une atmosphère raréfiée, au moins une cathode (26, 26A, 26B) et un dispositif d’excitation (28), l’installation étant configurée pour le dépôt d’un revêtement de protection (16) sur un substrat (14) introduit dans la chambre (22) en mettant en œuvre simultanément plusieurs techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique différentes à l’aide de la ou des cathodes (26, 26A, 26B).
15. Installation selon la revendication 14, comprenant au moins une cathode commune (26) pour la mise en œuvre simultanée d’au moins deux parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mise en œuvre simultanément, le dispositif d’excitation (28) étant configuré pour générer un signal d’excitation combiné (SC) de la cathode commune (26) qui correspond à la superposition de plusieurs signaux d’excitation élémentaires (S1 , S2), chaque signal d’excitation élémentaire (S1 , S2) possédant un motif périodique correspondant à une respective parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément à l’aide de ladite cathode commune (26), les signaux d’excitation élémentaires (S1 , S2) étant combinés de telle manière que leurs motifs respectifs sont présent séquentiellement dans le signal d’excitation combiné (SC).
16. Installation selon la revendication 14 ou 15, comprenant au moins une cathode dédiée (26A, 26B) pour la mise en œuvre d’une parmi les techniques de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique mises en œuvre simultanément, le dispositif d’excitation étant configuré pour générer un signal d’excitation respectif pour chaque cathode dédiée (26A, 26B), le signal d’excitation correspondant à la technique de dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation cathodique associée à cette cathode dédiée.
17. Installation selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, configurée pour la polarisation du substrat (14) pendant le dépôt du revêtement.
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