FR2486541A1 - Tubes en alliage de zirconium a faible fluage pour reacteurs nucleaires, et leur procede de fabrication - Google Patents

Abstract

POUR UTILISER, NOTAMMENT A LA FABRICATION DE TUBES SOUS PRESSION POUR REACTEURS NUCLEAIRES, UN ALLIAGE QUATERNAIRE RENFERMANT DE 2,5 A 4 D'ETAIN, 0,5 A 1 DE MOLYBDENE, 0,5 A 1,5 DE NIOBIUM ET 800 A 1300 PPM D'OXYGENE, LE RESTE ETANT DU ZIRCONIUM AVEC LES IMPURETES ACCIDENTELLES, ON EXTRUDE UNE BILLETTE VERS 900 A 1200K, PUIS ON LA TRAVAILLE A FROID A UN DEGRE POUVANT ALLER JUSQU'A 50 ET ENFIN ON LA TRAITE A CHAUD POUR FAIRE DISPARAITRE LES CONTRAINTES ET EVENTUELLEMENT JUSQU'A RELISER LE RECUIT. LES TUBES AINSI OBTENUS SONT SUPERIEURS A CEUX FAITS A PARTIR DE L'ALLIAGE CLASSIQUE DE ZR A 2,5 NB. LEUR DENSITE DE DISLOCATION EST INFERIEURE A 5 10 M, LEURS DEFORMATIONS EN SERVICE PROLONGE SONT DE MOINS DE 1,5 DANS LE SENS AXIAL (ELONGATION) ET DE MOINS DE 2,5 EN DIAMETRE (EXPANSION). ILS SONT BEAUCOUP MOINS SENSIBLES AUX HYDRURES ET CEUX-CI ONT UNE MOINDRE TENDANCE A S'ORIENTER RADIALEMENT OU AXIALEMENT.

Description

24865 1;

La présente invention a trait à des tubes en alliage de zirconium, particulièrement destinés à être utilisés dans les réacteurs nucléaires de puissance. Elle vise plus spécialement de tels tubes faits en un alliage quaternaire renfermant 3,5 Z d'étain, 1 % de molybdène et 1 % de niobium, le reste étant du zirconium, et qui sont extrudés, travaillés à

froid et traités thermiquement en vue d'abaisser leur densité de disloca-

tion. Dans une forme d'exécution préférée cesalliages sont travaillés à froid à moins de 5 % et l'on fait disparaître les contraintes pour obtenir la faible densité de dislocation recherchée, tandis que dans une autre on les travaille à froid jusqu'à environ 50 % et on les recuit en vue de réaliser une telle densité de très faible valeur avec un même

temps des grainsC> équiaxiaux de petites dimensions.

Les tubes à pression destinés aux réacteurs nucléaires du type couramment désigné dans la technique par les initiales anglo-saxonnes

CANDU-PHW (Canada, DeuteriumUranium, Pressurized Heavy Water, ctest-à-

dire Canada Deutérium-Uranium, pressurisé à l'eau lourde) se fabriquent d'ordinaire par extrusion de billettes d'alliage de zirconium à 2,5 % en poids de niobium (Zr - 2,5 Z Nb), suivie d'un travail à froid et d'un durcissement par vieillissement.On peut également utiliser d'autres alliages Zr pour les réacteurs du genre en question, tels que celui connu sous la désignation Zircaloy-2, ainsi que des alliages quaternaires à 3,5 Z d'étain, 1 Z de molybdène et 1 % de niobium (le reste étant là encore du zirconium) qui assurent une forte résistance mécanique, une faible section de capture de neutrons et une tenue raisonnable à la corrosion. Le traitement à chaud de ces alliages quaternaires a été décrit dans la littérature et l'on attirera particulièrement l'attention à cet égard sur le brevet américain 4 065 328 au nom de Brian A. Cheadle, délivré le 27 Décembre 1977, qui décrit un procédé de traitement thermique des alliages quaternaires précités, qu'on désignera ci-après du nom d'alliages EXCEL, en vue d'obtenir une micro-structure duplex comprenant

une phase primaireC".et une phase marginale complexe à grains aciculaires.

Le but de l'invention décrite dans ce brevet consiste à réaliser un alliage présentant la résistance mécanique maximale possible, ce à quoi l'on parvient par travail à froid jusqu'à environ 25 %, suivi d'un durcissement par vieillissement, mais cela au prix d'une augmentation concomitante de la densité de dislocation. Bien que les tubes ainsi traités comportent une relativement bonne résistance au fluage en dehors du réacteur, à l'intérieur de celui-ci cette résistance est défavorisée

par la haute densité de dislocation.

Avant d'aller plus loin il convient de préciser que tous les pourcentages d'alliages exprimés dans les présentes sont donnés en poids. Dans les réacteurs CANDU précités, il est désirable d'avoir en service pour les tubes à pression une élongation axiale et une expansion diamétrale aussi réduites que possible. Bien qu'on puisse abaisser le

niveau de ces deux grandeurs dans les tubes connus en alliage Zr -

2,5 % Nb travaillés à froid en abaissant leur densité de dislocation et en rendant leurs grains plus équiaxiaux, cela aboutit toutefois à une diminution de leur résistance à la traction, ce qui entraîne l'obligation d'augmenter leur épaisseur de paroi avec une réduction du rendement du réacteur. Il est donc nécessaire d'envisager l'utilisation de l'un des autres alliages mentionnés plus haut. L'alliage EXCEL est plus résistant au point de vue mécanique et il résiste mieux au fluage à l'intérieur et à l'extérieur du réacteur, que le Zr - 2,5 % Nb; il a été relevé que des tubes à pression comportant la même résistance mécanique que ceux faits en ce dernier alliage et travaillés à froid à 30 %, pouvaient se réaliser en EXCEL avec moins de 5 % de ce travail suivi d'un traitement d'élimination des contraintes à des températures se situant entre 650 et 8000K. On a de même trouvé qu'il était possible d'obtenir des alliages EXCEL à faible densité de dislocation par travail à froid à environ 50 %

suivi d'un recuit à une température de 900 à 1100'K.

La présente invention vise ainsi à établir un procédé de traitement à chaud et de travail à froid des alliages EXCEL, qui leur assure une résistance de rupture à la traction d'au moins 479 MPa et qui pendant une durée de service équivalent à 30 années dans un réacteur CANDU-PHW de 600 Mw, comportent une élongation axiale maximale d'environ 1,5 %

avec une expansion diamétrale d'au plus 2,5 %.

L'invention vise encore à réaliser un produit traité à chaud et travaillé à froid essentiellement constitué par un alliage Sn 2,5 à 4,0 %, Mo 0,5 à 1,5 %, O 800 à 1300 ppm, le reste étant Zr et les impuretés accidentelles, lequel produit comporte une résistance à la rupture par traction de 479 MPa, une élongation axiale maximale inférieure à 1,5 % et une expansion diamétrale maximale de moins de 2,5 %, dans des conditions équivalant à 30 années de service dans un réacteur CANDU-PHW

de 600 Mw.

Pour les besoins de la présente description on supposera qu'il

s'agit d'un tel réacteur CANDU-PHW de 600 Mw fonctionnant à une température

17 2

de 5650K avec une pointe de flux de neutrons de 3,85 x 10 n/(m. S)

sous une pression moyenne de fluide refroidisseur de 10,6 MPa.

Ainsi suivant une caractéristique de l'invention un procédé de fabrication d'un produit extruda à partir d'un alliage essentiellement constitua par Sn 2,5 à 4%, Mo 0,5 à 1,5 %, Nb 0,5 a 1,5 Z, 0 800 à 1300 ppm, le reste étant Zr et les impuretés accidentelles, consiste à pré- chauffer une billette de cet alliage à une température se situant entre 900 et 1200 K, puis a l'extruder, le produit ainsi extrudé étant travaillé à froid à un degré allant jusqu'a environ 50 %, puis traita thermiquement à une température choisie entre 650 et 1100 K de façon à comporter une densité de dislocation inférieure à environ 5 x 10 m14 2

une résistance de rupture à la traction d'au moins 479 MPa, une élonga-

tion axiale maximale de moins de 1,5 % et une expansion diamétrale inférieure à 2,5 %, le tout dans des conditions équivalant à 30 années

de service dans un réacteur CANDU-PHW de 600 Mw.

Suivant une autre caractéristique de l'invention celle-ci concerne un alliage traité thermiquement et travailla à froid, propre à être utilisa pour les tubes d'un réacteur nucléaire et autres articles extrudas, et renfermant essentiellement Sn 2,5 a 4 %, Mo 0,5 à 1,5 %, Nb 0,5 à 1,5 %, 0 800 à 1300 ppm, le reste étant Zr avec les impuretés accidentelles, lequel alliage comporte une résistance minimale de rupture à la traction de 479 MPa, une élongation axiale maximale en service de 1,5 % et se situant préférablement entre 0,5 et 0,8 %, ainsi qu'une expansion diamétrale maximale en service de 2,5 % et se situant préférablement entre 1,1 et 1,4 %, le tout avec une structure en grains

équiaxiaux.

Le dessin annexa, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les

avantages qu'elle est susceptible de procurer.

Fig. 1 est un diagramme représentant le processus général de

fabrication d'alliages suivant la présente invention.

Fig. 2 montre un diagramme semblable, mais correspondant aux

cas spécifiques d'alliages suivant une forme d'exécution de celle-ci.

Fig. 3a représente une micrographie électronique à agrandisse-

ment 11 500 de tubes extrudas travaillés à froid à moins de 5 %, avec élimination des contraintes par chauffage à 700 K, suivant la présente invention. Fig. 3b est une vue semblable à celle de fig. 3a, mais correspondant à des tubes suivant l'invention travaillés à froid à plus

de 5 % et recuits à 1075 K.

Fig. 4 est une représentation polaire moyenne (0002) pour

sept tubes suivant l'invention (il est rappelé que 0002 désigne l'orien-

tation du plan de cristallographie hexagonale).

Fig. 5 montre une série de micrographies illustrant l'effet des contraintes sur l'orientation des hydrures de zirconium dans des

tubes en EXCEL et dans d'autres en Zr - 2,5 Nb.

Dans les réacteurs de puissance qui utilisent des tubes soumis à une pression interne, deux facteurs mécaniques importants sont la résistance à la traction et la stabilité dimensionnelle en service. La

stabilité dimensionnelle est fonction à la fois du fluage et du gonfle-

ment (variations des dimensions pendant l'irradiation en l'absence de toute contrainte appliquée au tube). Dans les tubes en zirconium le rapport du fluage dans les sens axial et circulaire dépend de leur texture cristallographique, tandis que celui de leur gonflement dans ces mêmes sens est fonction à la fois de cette texture et de la forme des grains c(. La texture cristallographique des tubes extrudés et étirés à froid dépend largement des conditions de l'extrusion (température, forme de la filière, taux de contrainte, microstructure de la billette et rapport d'extrusion). Il a été relevé que le rapport entre l'expansion diamétrale et l'élongation axiale d'un tube en service dans un réacteur de puissance peut être contrôlé en choisissant des conditions

d'extrusion appropriées.

La résistance à la tension longitudinale des tubes à pression en Zr - 2,5 Nb travaillés à froid à 30 % est due à la combinaison qu'ils

comportent d'une forte densité de dislocation, d'une très faible épais-

seur de grain OC(0,3 x 10-3 mm) et d'une microstructure complexe de ces grains c avec un réseau marginal granulaire en phase j; toutefois le fluage de ces tubes à l'intérieur du réacteur est défavorablement affecté par leur densité de dislocation, tandis que leur élongation axiale dans celui-ci en raison du gonflement l'est à la fois par cette densité et par la forme très allongée de leurs grains (épaisseur 0,3 x 10 mm, longueur lOmm). EXCEL est un matériau plus résistant que Zr - 2,5 Nb. Par conséquent les tubes en EXCEL peuvent se fabriquer aussi résistants ou plus résistants que ceux en Zr - 2,5 Nb travaillés à froid à 30%, mais ils comportent des densités de dislocation plus faibles et/ou des grainsc> (plus équiaxiaux. Ces tubes possèdent une bien meilleure stabilité dimensionnelle en service dans un réacteur de puissance. La résistance à la traction de ces tubes en EXCEL est largement

fonction de leur densité de dislocation et de leur dimension de grain.

Des tubes travaillés à froid au minimum après l'extrusion, puis traités pour éliminer les contraintes comportent des grainse< minces et allongés (fig. 3a). Leur résistance à la traction longitudinale peut aller jusqu'a 600 MPa à 5750K, cela dépendant de la température mise en oeuvre pour éliminer les contraintes. Si l'on recuit les tubes après travail à froid de façon à obtenir une recristallisation à grains" 9quiaxiaux (fig. 3b), alors la dimension de ces grains dépend de l'importance du

travail à froid et du traitement de recuit.

Fabrication de tubes expérimentaux On forgeait un lingot d'alliage EXCEL fondu deux fois à l'arc pour l'amener à la forme d'une barre de 215mm de diamètre et on l'usinait de façon à obtenir sept billettes creuses numérotées 248 à 254. On recouvrait ces billettes d'acier et de cuivre et on les pré-chauffait à environ 1130'K pendant approximativement 5 heures, puis on les extrudait en tubes suivant un rapport de 13,5 à 1. On enlevait le revêtement par dissolution dans l'acide nitrique, on passait au sable l'intérieur des tubes et l'on usinait leur extérieur à la rectifieuse sans centre. On

recuisait à la flamme l'une des extrémités de chaque tube, on la refroi-

dissait à l'air et on la repoussait dans une filière pour lui donner une

forme en pointe. On appliquait alors aux tubes un revêtement de conver-

sion et on les étirait à froid entre 2 et 5%, comme montré sur le tableau 2. La composition chimique de ces tubes est indiquée dans le tableau 1. Les tubes ainsi travaillés à froid étaient là encore passés intérieurement au sable et extérieurement meulés à la rectifieuse sans centre. Tableau 1: Analyse chimique des tubes EXCEL

N du n ELEMENTS ----------

$nU MoZN tube Nb% poids poids poids 0 ppm H ppm

: 248 F:3,32: 0,81: 0,83: 1157: 34

: 248 B:3,08: 0,77: 0,79: 1203: 48:

: 249 F:3,31: 0,81: 0,80: 1142: 30:

: 249 B:3,29: 0,82: 0,81: 1089: 26:

: 250 F:3,23: 0,79: 0,82: 1142: 36:

: 250 B:3,31: 0,82: 0,82: 1131: 26:

: 251 F: 3,32: 0,79: 0,83: 1149: 34:

: 251B: 3,42: 0,80: 0,81: 1134: 28:

: 252 F: 3,46: 0,83: 0,80: 1142: 29:

: 252 B: 3,29: 0,75: 0,79: 1119: 25:

: 253 F: 3,39: 0,78: 0,84: 1149: 32:

: 253 B: 3,31: 0,80: 0,70: 1116: 18:

: 254 F: 3,38: 0,78: 0,82: 1118: 54:

: 254 B: 3,47: 0,81: 0,80: 1115: 34:

: MOYENNE: 3,33: 0,80: 0,80: 1136: 34

:.. :: : .

F correspond à d'extrusion. l'extrémité avant du tube qui sort la première de la presse B est l'extrémité arrière qui sort la dernière de la presse Tableau 2: Données concernant l'extrusion et l'étirage à froid pour les tubes à pression en EXCEL

: Durée totale du pré-

: chauffage au four heures heures 6 heures 7 heures 7 heures 6 heures 7 heures 52 minutes 56 minutes 3 minutes 22 minutes: 17 minutes 48 minutes: minutes: : Pression au: longueur du: % d'étirage: : départ de: tube étiré: à froid: : l'extrusion: (m): : (kg/cm2):::

------------ _ _ ------ ------- -- --

: 126,54: 7,5: 2,83:

: 140,6: 5,8: 3,71:

: 123,02: 7,3: 3,16:

119,51: 7,5: 2,77:

126,54: 7,4: 4,36:

161,69: 4,3: 2,90:

112,48: 7,4: 2,89:

: N de : billette -. g. Les deux tubes 249 et 251 furent recuits dans un four vertical à vide pendant 30 minutes à 10230K pour obtenir une structure alpha à grains équiaxiaux. Une telle structure doit aboutir à un plus faible

taux d'élongation axiale à l'intérieur du réacteur au prix d'une résis-

tance à la traction légèrement plus faible. Des morceaux du tube 248 furent travaillés à froid jusqu'à 40%, puis recuits pendant 30 minutes à une température choisie dans le domaine

de 1025 à 10750K.

Tous les tubes furent finalement traités à l'autoclave à 6750K

pendant 24 heures pour faire disparaître les contraintes.

Le processus général de fabrication a été représenté en fig. 1 et les phases particulières concernant les sept tubes sont illustrées en

fig. 2.

Tableau 3: Dimension de grain O<et densité de dislocation des tubes à pression en EXCEL N du tube : % étirage : à froid : Dimension de : grain mm x 10-3 Moyenne :Extrémité Extrémité: : avant: arrière: : : Densité: : de dislo-: : cati -2: cation m

:: :::::

: 250: 3,7: 0,75: 0,48: 0,62: 8,4 x:

: 252: 3,2: 0,81: 0,46: 0,64: 1014

: 253: 2,8: 0,76: 0,39: 0,58::

: 254: 4,4: 0,70: 0,54: 0,62::

:,:; :;; À

:Moyenne: : 0,76: 0,51: 0,64:: : 249: 2,9:: : 0,80: 1,4 x:

: 251: 2,9::: 0,74: 1014

:-: :.:: À

:tubes en Zr:: ::: 5-9 x: :à 2,5 Nb tra-: 30 0,4 0,2: 0,3: 1014 :vaillés à:: :: :froid:: :

PROPRIETES DES TUBES EXPERIMENTAUX

Microstructure et texture V La dimension et la forme des grains sont des paramètres importants pour la résistance à la traction et pour la stabilité dimensionnelle à

l'intérieur du réacteur, des tubes à pression en alliage de zirconium.

Les microstructures furent examinées par microscopie électronique sur pellicule mince. Les résultats indiqués en fig. 3a et dans le tableau 3,

montrent que celle des tubes travaillés à froid est faite de grainseallon-

gés, d'un réseau marginal mince granulaire de phase J3, et de quelques rares zones localisées de martensiteO(. Les épaisseurs des grains "( étaient plus fortes que pour les tubes typiques en alliage Zr - 2,5 Nb

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travaillés à froid (voir tableau 3). Les deux tubes recuits 249 et 251 comportaient des grainsoCéquiaxiaux relativement plus gros (fig. 3b), la phaseJ3 étant concentrée vers les sommets de ceux-ci. Les cinq tubes travaillés à froid et traités pour faire disparaître les contraintes avaient une densité de dislocation moyenne bien plus forte que celle des tubes recuits ainsi qu'on peut le voir sur le tableau 3. La structure

des tubes recuits et celle des tubes travaillés à froid étaient semblables.

Fig. 4 montre une représentation polaire moyenne (0002) pour les sept tubes. Le tableau 4 ci-dessous montre l'effet de la variation de l'importance du degré du travail à froid et de la température de recuit sur l'épaisseur de grain cKd'un tube extrudé. La plus faible valeur était obtenue pour

% de travail à froid suivi d'un recuit de 30 minutes à 10250K.

Tableau 4: Effet du travail à froid et du traitement thermique de recuit sur la dimension de grain du tube extrudé N0 248 en alliage EXCEL % de travail: Epaisseur de graine>C, mm x 10: à froid: 30 minutes à 10250K 30 minutes à 1075 0K

: 0 0,80 0,80

: 5 0,79: 1,08

: 10 0,72

: 20 0,59: 0,98

: 30 0,53 0,97

: 40 1,11: 1,72

Résistance à la traction

Les résistances des tubes à la traction longitudinale et transver-

sale ont été indiquées sur le tableau 5. Les tubes travaillés à froid et dont on avait fait disparaître les contraintes étaient beaucoup plus résistants que ceux recuits, en raison de leur plus faible épaisseur de grain et de leur plus forte densité de dislocation. Les tubes recuits remplissaient les conditions minimales requises pour les tubes à pression

en Zr -2,5% Nb travaillés à froid à 30%.

Orientation des hydrures Dans les tubes sortant de fabrication les hydrures étaient orientés dans des plans radiaux-axiaux. L'effet de la contrainte circulaire sur les hydrures qui précipitaient au cours du refroidissement à partir de 575 K est représenté en fig. 5. Pour réaliser cette précipitation dans

un plan radial-axial il fallait une contrainte circulaire de 827 MPa.

Tableau 5: Caractéristiques de résistance à la tension des tubes en alliage EXCEL et de ceux en Zr - 2,5% Nb : Alliage: Etat du: Température: Sens de: Charge à: Résistance: Elon-: :: tube: d'essai K:l'essai:0,2% d'al-:de rupture:gation: :: : : 1 longement:à la trac-: %: ::: :: (MPa) :tion (MPa) :: Etité à 575: L: 525: 580: 12: *froid 5X:: T: 620: 645: 13: :froid 5%:

:*::300 L 736 845. 12

:: : : T :930: 965: 9

: EXCEL ----------------------------------

:: Recuit:575: L :385:500: 19 :

:: : : T :490: 555: 13:

:.. o.-.. -

::: 300: L:615: 745: 17:

::: : T:815:840: 17 :

:Zr -:Etiré: 575: L:380: 520: 15: :2,5%:froid 30%:: T :540: 600: 12:

:Nb:. -.

::: 300: L:640:790: 13 :

:::: T:...:810:15 :

L = longitudinale T = Transversale COMPARAISON AVEC LES TUBES A PRESSION NORMAUX EN ALLIAGE Zr - 2,5% Nb Résistance à la traction Le tube à pression en Zr - 2,5% Nb travaillé à froid constitue la référence pour les réacteurs CANDU-PHW. Les alliages EXCEL comportant des compositions chimiques qui se situaient dans le domaine 2,5 à 4,0% Sn, 0,5 à 1,5% Mo, 0,5 à 1,5% Nb4 800 à 1300 ppm, le reste étant Zr plus

les impuretés accidentelles, ont été relevés comme possédant des résis-

tances à la traction supérieures à celles des alliages Zr - 2,5% Nb, en

même temps qu'une bonne résistance au fluage dans le réacteur.

Dans toutes les conditions métallurgiques les alliages EXCEL sont plus résistants que les Zr - 2,5% Nb précités, mais quand on les traite à chaud pour obtenir les résistances mécaniques élevées nécessaires à l'utilisation dans un réacteur, leur ductilité est relativement faible,

comme le montre le tableau 6 ci-dessous.

oc ::: pnqo S:: :::: pn-eqo: qç2 : S:ç 098 OZ9: 6: Te: -Zaxa

::: :: : 0

pneqD qN XS'Z Sl f9 6LS la:z ::: :Z0 Ta:: O %OZ PTox; Bv : 1T: 6LS LTI: OTTBABl: 9DXa

: *:: : ç: 0:

:0ú: 0*g: L O Z:eITnoo qN Z%'Z ::: :alBAl : - zZ : 0l ::: :.aI) :: : : oIoZ: ( 098: 3uomo*uoIep:: ax _ 1z 01 *:-o(Ba4) :um2up1 : UOTuoua: amndna ap agieqD: Z ' B aeaeqD: suoTfTpuoo: agllv: S NXO L lu TTi1ei ap qa qN % 'Z - ïZ ap UOIT3aB3 BI t auualsTsal ap sanbTdai sanbTisTJ aa:zDe - 9 nvaaiv lê,S98VZ ..c Le tableau 7 ci-dessous montre des caractéristiques typiques de résistance à la traction de tubes à pression en Zr - 2,5 Nb travaillés à froid et en alliage EXCEL à l'état extrudé, étirés à froid à environ 3%,

% et 15%.

úT EI/ 00V *:la opnalxe * ZO uo2TA :-ua pT0o * z2CJ1 * -i:3e gpnaqxe * * ep Swçom

* * PTOJJ

* *i:la eprialxa * ** z epnaixa Tisoxa 82VTTTv ui- %8Z pTo:: : úL: Zi: 909: : : * CaTY: qN %ç ': : OS: 8: 68V: 6LE 1:a apnlxs: Z: u OTes: uo: l::: :: : BI ap: p e: ainidnz: uaemuoIIaZ p: $Bsssp::: : uo1;zluoD: uol: op 2atqD: %z O eB 2oa1qD suaS: z Bl: 2 eTllv rM cc Un Ei: OZ9

- OZ9

: 665

9 : 0V 6 : 9: 8V L1V: Z89 ZLS Sl: LIS ISDxa ua la qN %ç'Z - âZ ua plo saIi$Avai uoTssaaa B saqni ap oS L B UOTIDUZ E l a DuuIsTsga ap sanbTdXj senbTIszTJ eIaLD - L nvMIV L = Longitudinale T = Transversale A l'état extrudé les tubes en alliage EXCEL s'avèrent être plus résistants que les tubes classiques en Zr - 2,5% Nb étirés à froid à 30%, mais l'étirage à froid à 15% des premiers n'augmente pas beaucoup

leur résistance.

Tube à pression de sécurité La contrainte prévue pour les tubes à pression de réacteurs suivant l'invention n'est que le tiers de la résistance minimale à la rupture en traction à l'état non irradié et à la température prévue, de sorte qu'il est inconcevable qu'un accident se produise par défaillance

d'un tube, compte tenu des systèmes d'alarme manom9trique et de décompres-

sion d'un réacteur de puissance. Si cependant le tube considéré devait comporter un défaut suffisamment important, sa résistance serait réduite

au niveau des contraintes prévues en service et le tube se déchirerait.

Le défaut le plus important est constitué par une fissure longitudinale étroite, parceque les contraintes circulaires de tension tendent à ouvrir et à dilater celle-ci. Le paramètre important concernant la possiblité pour les tubes de tolérer des défauts longitudinaux est la présence d'hydrures de zirconium. La tolérance des tubes à ces défauts dépend de facteurs tels que l'irradiation par neutrons, la température d'essai et la concentration en hydrogène. Les résultats des essais effectués à cet égard montrent que les tubes faits en Zr - 2,5 % Nb et en alliage EXCEL comportent des tolérances semblables en ce qui concerne les facteurs précités d'irradiation, de température d'essai et de concentration en hydrogène, étant noté toutefois que les effets de cette dernière seront davantage détaillésci-après. On peut normalement s'attendre à ce que les alliages constitutifs des tubes se fracturent de façon entièrement ductile, c'est-à-dire avec de grandes zones de plasticité, et que le tube considéré comporte une fuite de fluide refroidisseur

avant qu'il ne se rompe réellement.

Les réacteurs CANDU- PHW fontionnent normalement avec un fluide refroidisseur chimiquement réducteur qu'on maintient à cet état en ajoutant de l'hydrogène à l'eau. Pendant le fonctionnement ces tubes se corrodent dans l'eau lourde de refroidissement et une fraction du deutérium est absorbée par-le tube considéré. L'hydrogène et le deutérium n'ont qu'une très faible solubilité dans les alliages de zirconium et ils y constituent des plaquettes d'hydrure de zirconium ou de ce qu'on

peut appeler du "deptiriure" de ce métal; ces plaquettes sont cassantes.

A la fabrication les tubes intéresses ne renferment que 10 à 15 ppm d'hydrogène et l'on n'y trouve pas de plaquettes d'hydrure aux températures de fonctionenment du réacteur (530 à 5750K). Toutefois vers la fin de leur durée de service (supérieure ou égale à 15 ans) on peut s'attendre à ce que leur teneur en hydrogène soit de 30 à 50 ppm (60 à 100 ppm en - deutérium), des plaquettes d'hydrure apparaissant alors aux températures de fontionnement. L'orientation de ces plaquettes est fonction de la texture cristallographique et des contraintes. Bien que dans ces conditions les alliages EXCEL tendent à se corroder sur les bords plus vite que ceux du type Zr - 2,5% Nb, le taux de retenue en hydrogène (hydruration)

est à peu près le même.

Cette retenue d'hydrogène est particulièrement significative parce qu'on sait que des défaillances dues à des fissures tardives provoquées par ce gaz peuvent apparattre sous des contraintes inférieures à la charge de rupture par traction de l'alliage intéressé, si ces contraintes agissent pendant de longues périodes de temps, comme cela est le cas à l'intérieur d'un réacteur. La propagation d'une fissure est extrêmement lente et les surfaces de fracture se caractérisent par des zones plates de clivage, à comparer avec la surface ondulée d'uit fracture ductile. Les zones en question correspondent à des défauts résultant

soit de plaquettes d'hydrure, soit d'une interférence hydrure/matrice.

TABLEAU 8

Résumé des résultats d'essais en poutre en porte-àfaux sur les échantillons Zr - 2,5 % Nb travaillés à froid Température: Concentration: Contrainte: Domaine de défaillance:Temps écoulé pour les: Probabilité de d'essai K: d'hydrogène: Maximale *: temps de rupture des: échantillons encore en: défaillance : (ppm): (MPa): échantillons (heures):essai au 1. 10.77(heures)

: 10-15: 620: 1350-9963 (15): 10.670-13.264 (28): 0,35

: 10-15: 585: Aucune défaillance à:: 0

::: 11.000 (2) #:: O

: 10-15: 550: Aucune défaillance: 16.549-17,365 (7): 0 : 40-120: 620: 531816 (5): Tous ayant cédé: 1

350: 40-120: 585: 276-965 (4): 10.673 (1): 0,8

: 40-120: 550: 9850 (1): 8.620-10,767 (5): 0,2

PAS DE DEFAILLANCE AU-DESSOUS DE 550 MPa

: 25-40: 482+: (5.516-5.632) (2): 5.580 (17):

: 25-40: 344+: Aucune défaillance: 5.580 (17):

: 40-120: 620: 2-1705 (6): 8244 (2) # 0,75

: 40-120: 585: 136-1728 (11): 8000 (5) d: 0,7

425: 40-120: 550: 500-8500 (4):11.305 (11): 0,15

: 40-120: 413: 1900-7135 (2):11.305 (6)t: O,05 : 40-120: 276: Aucune défaillance:10.174 (14) #: O PAS DE DEFAILLANCE AU-DESSOUS DE 413 MPa : 40-120: 620: 696-6904 (8): Tous ayant cédé: 1,0 525: 40-120: 585: 7006760 (2): 6.900-9.692 (5)t 0,29 : 40-120: 550: Aucune défaillance 9692 (4) t 0 PAS DE DEFAILLANCE AU-DESSOUS DE 585 MPa Contrainte maximale des fibres extérieures après un cycle thermique de 575 K ()Nombre d'échantillons

+ Ces échantillons comportent sur leur face interne des rayures de 0,05 à 0,1 mm de profondeur, perpendiculaire -

ment à la direction de la contrainte.

Essais arrêtés et échantillons examinés.

Certains essais arrêtés et les échantillons correspondants examinés.

Co rS 4o CO Cas qUW

TABLEAU 9

Résumé des essais en poutre en porte-à-faux sur l'alliage EXCEL

Température: Etat du matériau:Teneur en: Etat superficiel: Contrainte: Domaine des temps:Durée pour les échantil-

d'essais OK::hydrogène:: Maximale : de défaillance:lons encore en essai au

:: ppm :: MPa : heures:1.12.77 - heures -

: À.. ....

tel qu'extrudé: TR: Rayure de: 620: Aucune défaillance: 7576 (2) ::: 0o,6 mm:

: travaillé à: TR: Rayure de: 620: 4500 (1): -

: froid:: 0,6 mm::: 350:travaillé à froid: TR: TR: 620: Aucune défaillance: 10.717, 11.123 (2) travaillé à froid: TR: MDE: 550: Aucunedéfaillance: 10.219, 10.576 (2) :-: :entaillé: : tel qu'extrudé: 40-60: TR: 620: Aucune défaillance: 1825 (5)

425:: :: :

: tel qu'extrudé: 40-60: TR: 585: Aucune défaillance: 1799 (4) tel qu'extrudé:40-60: TR: 620: Aucune défaillance: 366 (4) 525: tel qu'extrudé: 40-60: TR: 58620: Aucune défaillance: 366 (4) 525: tel qu'extrudé: 40-60: TR: 585: Aucune défaillance: 366 (4) : tel qu'extrudé: 40-60: TR: 550: Aucune défaillanee: 366 (4) Contrainte maximale des fibres extérieures après cycle Nombre d'échantillons tel que reçu passé à la machine à décharges électriques thermique à 575 K * () TR MDE Fo Co e% Ln 4e

En ce qui concerne l'apparition de fissurations tardives dues à l'hydro-

gène, la concentration de ce corps dans l'alliage doit dépasser la solubilité solide extrême à la température de l'essai. Des paramètres importants pour l'amorçage et la propagation de fissures sont (a) la contrainte ou l'intensité des contraintes dans une entaille; (b> la concentration en hydrogène et l'orientation de l'hydrure; (c) la température. L'amorçage de fissures sur la face intérieure de tubes à pression du type Zr - 2,5% Nb travaillés à froid a été étudié en utilisant des spécimens en forme de poutres. Des échantillons découpés dans le sens transversal étaient ainsi chargés à la flexion en porte-à- faux de manière que la contrainte extérieure maximale des fibres soit imposée à la face intérieure du tube dans le sens de la circonférence. Les résultats d'essais (voir tableau 8) montrent que la probabilité d'une amorce de fissuration augmente avec la contrainte et qu'à 350'K elle augmente également avec la concentration en hydrogène. Des essais semblables ont été effectués sur des alliages EXCEL. Les résultats, résumés dans le tableau 9, montrent que l'amorçage de fissures par l'action tardive de l'hydrogène est plus difficile à réaliser dans les- tubes EXCEL que dans

ceux en Zr - 2,5% Nb.

Dans les matériaux pour tubes à pression en alliage Zr - 2,5% Nb et EXCEL, travaillés à froid, quand la matière n'est pas sous contrainte, les hydrures se trouvent dans des plans circonférentiels et ils n'ont

que peu d'effet sur la tolérance des tubes vis-à-vis des défauts longitu-

dinaux. Toutefois si ces hydrures se précipitent sous l'effet d'une contrainte circulaire, par exemple lors d'un arrêt du réacteur, au-dessus d'une valeur critique de cette contrainte la précipitation s'effectue dans un plan axial-radial et elle abaisse fortement la résistance du tube vis-à-vis des défauts précités. Lorsque l'alliage Zr - 2,5% Nb est cyclg au point de vue thermique à 5750K sous l'effet d'une contrainte de tension circonférentielle, alors une partie des hydrures se ré-oriente dans le plan radial. Comme les hydrures de zirconium sont moins ductiles que le zirconium, ceux perpendiculaires à une contrainte de tension abaissent la ductilité. On notera que même des niveaux de contrainte relativement faibles de l'ordre de 200 MPa provoquent la ré-orientation

de la plus grande partie des hydrures dans le plan radial-axial pricité.

Les résultats d'un cyclage thermique des alliages EXCEL à 5750K sous des niveaux de contrainte semblables ont été également représentés et l'on observera que dans les tubes faits de cet alliage, les hydrures résistent beaucoup mieux à la ré-orientation dans le sens radial, ce qui constitue une propriété extrêmement désirable.i en résulte que les tubes en

EXCEL doivent mieux tolérer les défauts longitudinaux que ceux en Zr -

2,5 Z Nb.

Par conséquent, en résumé, l'élongation axiale et l'expansion diamétrale des tubes à pression courants en Zr - 2,5%Nb travaillés à

froid à 30%, pourrait être réduite en abaissant leur densité de disloca-

tion et en rendant leurs grains plus -équiaxaux. Toutefois cela réduirait

aussi leur résistance à la traction au-dessous des conditions prescrites.

Les alliages EXCEL sont plus forts et résistent mieux au fluage que les précédents. Cela permet d'établir avec eux des tubes qui présentent une résistance mécanique semblable à celle des tubes en Zr - 2,5% Nb travaillés à froid 30%, mais qui, eux, ne l'ont été qu'à 5X au maximum. La densité de dislocation des alliages EXCEL peut être encore abaissée par recuit en vue d'obtenir une structure granulaire plus équiaxale, comme représenté en fig. 3b. Les variations dimensionnelles prévues pour les tubes EXCEL après trente années de service dans un réacteur CANDU-PHW de 600 Mw ont été représentés sur le tableau 10. Les tubes travaillés à froid à 5% étaient beaucoup plus résleants que ce qui est couramment exigé pour ces réacteurs (résistance minimale à la rupture sous tension longitudinale à 575*K: 479 MPa). Si dans ces tubes les contraintes étaient éliminées à une température plus élevée jusqu'à réduire leur résistance longitudinale à 5750K à une valeur de 500 MPa, leurs variations dimensionnelles seraient bien moindres comme le montre le tableau 10. De même si le rapport d'extrusion mis en oeuvre pour ces tubes était abaissé de 13,5 1 à Il: 1, la texture serait modifiée et l'élongation axiale pourrait

encore être réduite.

TABLEAU 10 - Caractéristiques dimensionnelles escomptées pour des tubes à pression en EXCEL dans un réacteur

CANDU-PHW de 600 lw.

::: Modification dimensionnelle: :: pour l'alésage central après: ans: : Alliage Type de tube: :::Elongation Expansion: :::Axiale % diamétrale %: :: extruda 13,5: 1: :: travaillé à froid 5%: :: contraintes éliminées 675 K: 2,2 1,8: :: extrudé 13,5: 1 :: travaillé à froid 5%: :: contraintes éliminées >700 K 1,4 2,2: :: extrudé 11:1: : EXCEL: travaillé à froid 5%: :: contraintes éliminées>700 K: 1,0 2,0: :: extrudé 13,5: 1: :: travaillé à froid, recuit: 0,8 1,1: :: extrudé à 11: 1 :: travaillé à froid, recuit: 0,5 1,4: : Zr -: travaillé à froid 30%: 2,5 3,9: : 2,5% Nb:

Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a

été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les

détails d'exécution décrits par tous autres équivalents.

Claims (13)

R E V E N D I C A T I 0 N S

1. Procédé de fabrication d'un produit extrudé à partir d'un alliage renfermant essentiellement 2,5 à 4 % Sn, 0,5 Z à 1,5 % Mo, 0,5 à 1,5% Nb, 800-1300 ppm 0, le reste étant constitué par du zirconium et par les impuretés accidentelles, caractérisé en ce qu'on chauffe une billette dudit alliage dans un domaine de température de 900 à 1200 K, en ce qu'on l'extrude sous la forme d'un produit à fabriquer, en ce qu'on travaille celui-ci à froid dans une mesure pouvant aller jusqu'à environ 50%, et en ce qu'on le traite à chaud à une température choisie entre 650 et 1100 K, le tout de manière à obtenir1eour2ce produit une densité de dislocation inférieure à environ 5 x 10 m, une résistance minimale à la rupture par traction de 479 MPa, une élongation axiale maximale inférieure à 1,5% et une expansion diamétrale maximale de moins de 2,5%, le tout dans des conditions équivalant à 30 années de service dans un réacteur du type Canada deutirium-uranium à eau lourde pressurisée

(réacteur dit CANDU-PHW) de 600 Mw.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on travaille à froid le produit extrudé a moins de 5% et en ce qu'on élimine les contraintes à une température se situant entre 650 et

800 K.

3. Procédé suivant la revendication 1, caractéris6 en ce qu'on travaille le produit à froid à 10 à 40% et en ce qu'on le recuit à une

température choisie dans le domaine compris entre 950 et 1100 K.

4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on choisit la température d'élimination des contraintes de manière à obtenir un produit comportant en service une élongation axiale inférieure

à 0,5 % et une expansion diamétrale de moins de 1,4%.

5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'on choisit l'importance du travail à froid et la température de recuit de manière à obtenir un produit comportant en service une élongation axiale inférieure à 0,8 % et une expansion diamétrale de moins de 1,1 Z avec

une structure à grains équiaxiaux.

6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications i à 3,

caractérisé en ce qu'on effectue l'extrusion suivant un rapport compris

entre 4 à 1 et 15 à 1.

7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce qu'on effectue l'extrusion suivant un rapport compris

entre 6 à 1 et 11 à 1.

8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce que la phase de travail à froid est constituée par un étirage.

9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 et 5,

caractérisé en ce qu'on effectue le recuit à environ 1023 K pendant à peu près 30 minutes.

10. Produit traité thermiquement et travaillé à froid, fait d'un alliage comprenant essentiellement 2,5 à 4% Sn, 0,5 à 1, 5 % Mo, 0,5 à 1,5 Z Nb 800 à 1300 ppm 0, le reste étant constitué par du zirconium et

par les impumés accidentelles, caractérisé par une densité de disloca-

114 -2

tion inférieure à environ 5 x 1014m, une résistance minimale à la rupture par traction de 479 MPa, une élongation axiale maximale en service inférieure à 1,5% et une expansion diamétrale maximale en service de moins de 2,5%, le tout dans des conditions équivalant à 30 ans de service dans un réacteur du type Canada-deutérium-uranium à eau

lourde pressurisée de 600 Mw (réacteur dit CANDU-PHW).

11. Produit suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est constitué par un tube extrudé et travaillé à froid, propre à être

utilisé dans un réacteur nucléaire.

12. Produit suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11,

caractérisé par une élongation axiale en service inférieur à 0,5% et une

expansion diamétrale en service de moins de 1,4%.

13. Produit suivant l'une quelconque des revendications 10 à 11,

caractérisé en ce qu'il comporte en service une élongation axiale de moins de 0, 8% et une expansion diamétrale inférieure à 1,1%, avec une

structure en grains équiaxiaux.