FR2526213A1 - COMPOSITE SHEATH FOR NUCLEAR FUEL ELEMENT - Google Patents
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Abstract
GAINE PRESENTANT UNE MEILLEURE RESISTANCE A LA CORROSION SOUS CONTRAINTES. ELLE COMPREND UN SUBSTRAT 21 EN ALLIAGE DE ZIRCONIUM SUR LA SURFACE INTERIEURE DUQUEL EST LIEE METALLURGIQUEMENT UNE CHEMISE 22 EN ALLIAGE DE ZIRCONIUM DILUE CONSTITUE PAR DU ZIRCONIUM ET UN METAL CHOISI PARMI LE FER, LE CHROME, LE FER PLUS LE CHROME ET LE CUIVRE, CETTE CHEMISE REPRESENTANT 5 A 15 DE L'EPAISSEUR DE LA GAINE COMPOSITE. APPLICATION AUX ELEMENTS DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE.SHEATH PRESENTING BETTER RESISTANCE TO CORROSION UNDER STRAIN. IT INCLUDES A SUBSTRATE 21 IN ZIRCONIUM ALLOY ON THE INTERIOR SURFACE TO WHICH IS METALLURGICALLY BONDED A SHIRT 22 IN DILUTED ZIRCONIUM ALLOY CONSTITUTED BY ZIRCONIUM AND A METAL CHOSEN FROM IRON, CHROME, IRON PLUS CHROME AND COPPER SHIRT REPRESENTING 5 TO 15 OF THE THICKNESS OF THE COMPOSITE SHEATH. APPLICATION TO NUCLEAR FUEL ELEMENTS.
Description
Cette invention concerne, d'une manière générale, unThis invention relates, in general, to a
perfectionnement des éléments de combustible nucléaire des- refinement of the nuclear fuel elements
tinés à être utilisés dans le coeur de réacteurs à fission designed for use in the core of fission reactors
nucléaire et, plus particulièrement, un élément de combusti- nuclear power and, more particularly, a fuel element
ble nucléaire perfectionné ayant une gaine composite compor- tant une chemise métallique d'alliage de zirconium dilué constitué par du zirconium et un métal choisi dans le groupe constitué par le fer, le chrome, le fer plus le chrome, et improved nuclear bond having a composite sheath comprising a diluted zirconium alloy metal jacket consisting of zirconium and a metal selected from the group consisting of iron, chromium, iron plus chromium, and
le cuivre, liée à la surface intérieure du substrat en allia- copper, bonded to the inner surface of the substrate in alloy
ge de zirconium de la gaine.zirconium geometry of the sheath.
On conçoit, on construit et on fait actuellement fonc- We design, build and operate today
tionner des réacteurs nucléaires dans lesquels le combustible nucléaire est contenu dans des éléments de combustible qui peuvent se présenter sous des formes géométriques diverses, nuclear reactors in which the nuclear fuel is contained in fuel elements which may be in various geometrical shapes,
par exemple sous la forme de plaques, de tubes ou de barreaux. for example in the form of plates, tubes or bars.
On enferme habituellement le combustible dans une gaine résis- The fuel is usually enclosed in a resistant sheath
tant à la corrosion, non réactive et conduisant la chaleur On both to corrosion, non-reactive and conducting heat on
assemble les éléments de combustible en un réseau à des dis- assembles the fuel elements into a network at
tances fixes les uns des autres dans un canal ou région o circule le réfrigérant pour former un assemblage combustible, et on combine suffisamment d'assemblages combustibles pour former l'ensemble o se produisent les réactions en chaîne de fission nucléaire ou coeur du réacteur capable d'une réaction de fission auto-entretenue On enferme à son tour le coeur dans une cuve de réacteur à travers laquelle on fait passer un réfrigérant La gaine remplit plusieurs offices, dont les deux principaux sont en premier lieu d'empêcher le contact et les réactions chimiques entre le combustible nucléaire et le in a channel or region where the refrigerant circulates to form a fuel assembly, and sufficient fuel assemblies are combined to form the assembly where the nuclear fission chain reactions or core of the reactor capable of A self-sustaining fission reaction in turn closes the core in a reactor vessel through which a refrigerant is passed The sheath fills several offices, the two main ones of which are in the first place to prevent contact and reactions between the nuclear fuel and the
réfrigérant ou le modérateur dans le cas o on utilise un mo- refrigerant or the moderator in case one uses a
dérateur ou entre le combustible nucléaire, le réfrigérant et le modérateur dans le cas o on utilise les deux; et en second derator or between the nuclear fuel, the refrigerant and the moderator in the case where both are used; and second
lieu d'empêcher les produits de fission radioactifs, dont cer- prevent radioactive fission products, some of which
tains sont des gaz, de passer du combustible dans le réfrigé- some are gases, to pass fuel in the refrigeration
rant ou dans le modérateur ou dans les deux dans le cas o on utilise à la fois un réfrigérant et un modérateur On peut citer parmi les matériaux pouvant classiquement constituer la gaine, l'acier inoxydable, l'aluminium et ses alliages, In the case where both a refrigerant and a moderator are used, there may be mentioned among the materials which can conventionally constitute the sheath, stainless steel, aluminum and its alloys,
le zirconium et ses,alliages, le niobium (columbium), cer- zirconium and its alloys, niobium (columbium),
tains alliages du magnésium, etc La rupture de la gaine, c'est-à-dire une perte d'étanchéité de celle-ci, peut en- traîner une contamination du réfrigérant ou du modérateur Some magnesium alloys, etc. Sheath failure, ie leakage of the sheath, may lead to refrigerant or moderator contamination.
et des systèmes qui leur sont associés par des produits ra- and systems associated with them by products that are
dioactifs à longue vie au point de perturber le fonctionne- long-lived dioactives to the point of disrupting the functioning
ment de l'installation.installation.
On s'est heurté à des difficultés dans la fabrication et l'utilisation d'éléments de combustible nucléaire pour lesquels on avait employé certains métaux et alliages comme Difficulties were encountered in the manufacture and use of nuclear fuel elements for which certain metals and alloys had been
matériau constituant la gaine, difficultés d Mes à des réac- material constituting the sheath, difficulties
tions mécaniques ou chimiques de ces matériaux dans certains mechanical or chemical properties of these materials in certain
cas Dans des conditions normales, le zirconium et ses allia- Under normal conditions, zirconium and its alloys
ges constituent d'excellentes gaines de combustible nucléaire puisqu'ils présentent des sections efficaces d'absorption des neutrons peu élevées et, qu'à des températures inférieures à environ 3980 C, ils sont résistants, ductiles, extrêmement stables et relativement non-réactifs en présence de vapeur These are excellent nuclear fuel claddings since they have low neutron absorption cross sections and, at temperatures below about 3980 C, are resistant, ductile, extremely stable and relatively non-reactive. presence of steam
d'eau ou d'eau déminéralisée que l'on utilise couramment com- water or demineralized water that is commonly used
me réfrigérants et modérateurs dans les réacteurs. refrigerants and moderators in the reactors.
On s'est toutefois heurté à des difficultés lors de l'utilisation des éléments de combustible dûes à la rupture fragile de la gaine en raison des interactions combinées du combustible nucléaire, de la gaine et des produits de fission However, difficulties were encountered in the use of fuel elements due to brittle sheath failure due to the combined interactions of nuclear fuel, sheath and fission products.
formés au cours des réactions de fission nucléaire On a dé- formed during the course of nuclear fission reactions.
couvert que ce mauvais comportement avait pour origine des contraintes mécaniques localisées dues à des différences de dilatation entre le combustible et la gaine (les contraintes this misbehavior was caused by localized mechanical stresses due to differences in expansion between the fuel and the sheath (the constraints
à l'intérieur de la gaine sont concentrées au niveau de fissu- inside the sheath are concentrated at the level of
res du combustible nucléaire) Le combustible nucléaire libère nuclear fuel) The nuclear fuel releases
des produits de fission corrosifs qui se retrouvent à l'in- corrosive fission products that are found in the
tersection des fissures du combustible et de la surface de la gaine Ces produits de fission se forment dans le combustible nucléaire au cours de la réaction de fission en chaîne lors These fission products are formed in the nuclear fuel during the chain fission reaction during the cracking of the fuel and the cladding surface.
du fonctionnement du réacteur nucléaire La friction impor- nuclear reactor operation The important friction
tante entre le combustible et la gaine exagère les contrain- between the fuel and the sheath exaggerates the
tes localisées.located.
A l'intérieur des limites d'un élément combustible scellé, de l'hydrogène gazeux peut se former au cours de la Within the limits of a sealed fuel element, hydrogen gas may be formed during the
réaction lente entre la gaine et l'eau résiduelle à l'inté- slow reaction between the sheath and the residual water inside the
rieur de la gaine Cet hydrogène gazeux peut s'accumuler au This gaseous hydrogen can accumulate
point, dans certaines conditions, d'entraîner une hydrura- under certain conditions, to cause hydrolysis
tion localisée de la gaine avec détérioration concurrente locale des propriétés mécaniques de la gaine Des gaz comme l'oxygène, l'azote, le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone exercent également une action nuisible sur la gaine sur un large domaine de températures La gaine de zirconium d'un élément de combustible nucléaire est exposée à un ou Localized sheathing with concurrent concurrent deterioration of sheath mechanical properties Gases such as oxygen, nitrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide also exert a deleterious action on the sheath over a wide range of temperatures. zirconium sheath of a nuclear fuel element is exposed to one or
plusieurs des gaz énumérés plus haut et aux produits de fis- many of the gases listed above and
sion pendant l'irradiation dans un réacteur nucléaire et ceci en dépit du fait que ces gaz peuvent ne pas être présents dans le réfrigérant ou le modérateur du réacteur, et que l'on a pu les exclure dans la mesure du possible de l'atmosphère ambiante pendant la fabrication de la gaine et de l'élément combustible Les compositions de céramiques et réfractaires during the irradiation in a nuclear reactor, despite the fact that these gases may not be present in the reactor coolant or moderator and may have been excluded from the atmosphere as far as possible. during the manufacture of the sheath and the combustible element Ceramic and refractory compositions
frittés, comme les compositions de dioxyde d'uranium et d'au- sintered, such as the uranium dioxide and
tres compositions utilisées comme combustible nucléaire libé- compositions used as free nuclear fuel
rent des quantités mesurables des gaz indiqués précédemment lorsqu'on les chauffe, par exemple pendant la fabrication des éléments de combustible et libèrent encore des produits de fission pendant l'irradiation On sait que des compositions de céramiques et réfractaires particulaires comme des poudres Measurable quantities of the above-mentioned gases are used when heated, for example during the manufacture of the fuel elements and still release fission products during irradiation. It is known that particulate ceramic and refractory compositions such as powders
de dioxyde d'uranium et d'autres poudres utilisées comme com- uranium dioxide and other powders used as
bustible nucléaire, libèrent des quantités encore plus impor- nuclear fuel, release even larger amounts of
tantes des gaz indiqués précédemment au cours de l'irradiation. gases previously indicated during irradiation.
Ces gaz ainsi libérés sont capables de réagir avec la gaine These gases thus released are able to react with the sheath
de zirconium contenant le combustible nucléaire. of zirconium containing the nuclear fuel.
Ainsi, à la lumière de ce qui précède, on a pensé qu'il serait souhaitable de réduire au minimum l'attaque de Thus, in the light of the foregoing, it has been thought that it would be desirable to minimize the attack of
gaine par l'eau, la vapeur d'eau et d'autres gaz, en particu- sheath by water, water vapor and other gases, in particular
lier l'hydrogène, qui sont réactifs envers la gaine depuis- bind the hydrogen, which are reactive towards the sheath since
l'intérieur de l'élément de combustible pendant toute la durée d'utilisation de l'élément de combustible pour le fonc- tionnement decentrales nucléaires On s'est ainsi efforcé fuel element during the entire period of use of the fuel element for the operation of nuclear power plants.
de trouver des matériaux-qui réagissent chimiquement rapide- to find materials-that react chemically fast-
ment avec l'eau, la vapeur d'eau et les autres gaz pour les éliminer de l'intérieur de la gaine On appelle ces matériaux with water, water vapor and other gases to remove them from the inside of the sheath.
des pièges.traps.
Une autre tentative a consisté à revêtir le combus- Another attempt was to put on the fuel
tible nucléaire avec un matériau choisi parmi divers maté- nuclear material with a material selected from various materials
riaux pour empêcher l'humidité de venir au contact du combus tible nucléaire Le revêtement du combustible nucléaire est à l'origine de difficultés en ce qui concerne la fiabilité dans la mesure o la réalisation de revêtements uniformes, dépourvus to prevent moisture from coming into contact with the nuclear fuel The coating of the nuclear fuel causes difficulties in reliability as far as the realization of uniform coatings lacking
de défauts est difficile De plus, la détérioration du revête- In addition, the deterioration of the coating
ment peut créer des difficultés quant au comportement de lon- can create difficulties in the behavior of long-term
gue durée du combustible nucléaire. the duration of the nuclear fuel.
On décrit, dans le document GEAP-4555, daté de Février 1964, une gaine composite en alliage de zirconium ayant In GEAP-4555, dated February 1964, a composite sheath of zirconium alloy having
un chemisage intérieur d'acier inoxydable lié métallurgique- a metallurgical-bonded stainless steel inner liner-
ment à l'alliage de zirconium, cette gaine composite étant fa- to the zirconium alloy, this composite sheath being
briquée par extrusion d'une billette creuse d'alliage de zir- extruded brick of a hollow billet of zinc alloy
conium ayant une chemise intérieure d'acier inoxydable Cette gaine présente un inconvénient dû à ce que l'acier inoxydable donne naissance à des phases fragiles, et à ce que la couche d'acier inoxydable absorbe environ dix à quinze fois plus les This sheath has the disadvantage that stainless steel gives rise to brittle phases, and that the stainless steel layer absorbs approximately ten to fifteen times the
neutrons qu'un alliage de zirconium de même épaisseur. neutrons than a zirconium alloy of the same thickness.
Le brevet des E U A No 3 502 549 décrit un procédé de protection du zirconium et de ses alliages par dépôt électrolytique de chrome pour produire un matériau composite que l'on pourra utiliser dans les réacteurs nucléaires On a présenté un procédé de dépôt électrolytique de cuivre sur des surfaces de Zircaloy-2 suivi d'un traitement thermique dans le but d'obtenir une diffusion en surface du métal déposé électrolytiquement, dans Energia Nucleare, Volume 11, N 9, US Patent No. 3,502,549 discloses a method of protecting zirconium and its alloys by electrolytic deposition of chromium to produce a composite material for use in nuclear reactors. Zircaloy-2 surfaces followed by heat treatment in order to obtain a surface diffusion of the electrolytically deposited metal, in Energia Nucleare, Volume 11, N 9,
(Septembre 1964), pages 505-508 Dans Stability and Compatibi- (September 1964), pages 505-508 In Stability and Compatibility
lity of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium Alloys, (Sta- lity of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium Alloys, (Sta-
bilité et compatibilité de barrières à l'hydrogène appliquées aux alliages du zirconium), de F Brossa et al (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUR 4098 e, 1969), on décrit des procédés de dépôt de différents and the compatibility of hydrogen barriers applied to zirconium alloys), by F. Brossa et al (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUR 4098 e, 1969), methods of depositing different
revêtements et leur efficacité en tant que barrières à la dif- coatings and their effectiveness as barriers to
fusion de l'hydrogène ainsi qu'un revêtement de Al-Si considé- fusion of hydrogen as well as a coating of Al-Si considered
ré comme la barrière la plus prometteuse à la diffusion de l'hydrogène On décrit des procédés de galvanoplastie du nickel re as the most promising barrier to the diffusion of hydrogen Nickel electroplating processes are described
sur du zirconium et des alliages zirconium-étain et de traite- on zirconium and zirconium-tin alloys and
ment thermique de ces alliages pour produire des liaisons par diffusion à l'intérieur de l'alliage dans Electroplating on Zirconium and ZirconiumTin (galvanoplastie sur le zirconium et les alliages zirconium-étain), de W C Schickner et al. These alloys are thermally bonded to produce diffusion bonds within the alloy in Electroplating on Zirconium and ZirconiumTin (electroplating on zirconium and zirconium-tin alloys), by W C Schickner et al.
(BMI-757, Technical Information Service, 1952). (BMI-757, Technical Information Service, 1952).
Le brevet des E U A N 3 625 821 décrit un élément de combustible pour réacteur nucléaire, comprenant un tube de U.S. Patent 3,625,821 discloses a fuel element for a nuclear reactor, comprising a
graissage du combustible dont la surface intérieure est revê- lubricating the fuel whose inner surface is coated
tue d'un métal présentant une section efficace de capture des kills a metal having an effective cross section for capturing
neutrons peu élevée, comme le nickel, et contenant des parti- neutrons, such as nickel, and containing
cules finement dispersées d'un poison consommable Reactor Development Program Progress Report (Rapport sur les progrès réalisés sur le programme de réalisation des réacteurs) Finely Scattered Consumable Poisons Reactor Development Program Progress Report (Progress Report on the Reactor Program)
d'août 1973 (ANL-RDP-19) décrit l'utilisation d'un piège chi- August 1973 (ANL-RDP-19) describes the use of a chemical trap
mique constitué par une couche de chrome sacrifiée sur la sur- a layer of chromium sacrificed on the surface
face intérieure d'une gaine d'acier inoxydable. inner face of a stainless steel sheath.
Une autre tentative a constitué à introduire une bar- Another attempt was to introduce a bar-
rière entre le combustible nucléaire et la gaine contenant le combustible nucléaire comme le décrivent le brevet des E U A. N 3 230 150 (feuille de cuivre), la publication du brevet allemand DAS 1 238 115 (couche de titane), le brevet des E U A. N 3 212 988 (feuille de zirconium, d'aluminium ou de béryllium), between the nuclear fuel and the sheath containing the nuclear fuel as described in US Pat. No. 3,230,150 (copper foil), German Patent Publication No. 1,238,115 (titanium layer), US Patent A. No. 3,212,988 (sheet of zirconium, aluminum or beryllium),
le brevet des E U A No 3 018 238 (barrière de carbone cris- U.S. Patent No. 3,018,238 (Crystalline Carbon Barrier)
tallin entre l'UO 2 et la gaine d'alliage de zirconium) et le tallin between the UO 2 and the zirconium alloy sheath) and the
brevet des E U A N' 3 088 893 (feuille d'acier inoxydable). U.S. Patent No. 3,088,893 (stainless steel sheet).
Bien que l'idée d'utiliser une barrière se soit révélée pro- Although the idea of using a barrier proved to be
metteuse, certaines des références précédentes font appel à des matériaux incompatibles avec le combustible nucléaire (par exemple, le carbone peut se combiner avec l'oxygène du combustible nucléaire) ou avec la gaine (par exemple, le cuivre et d'autres métaux peuvent réagir avec la gaine et en Some of the previous references use materials that are incompatible with the nuclear fuel (for example, carbon may combine with the oxygen of the nuclear fuel) or with the sheath (for example, copper and other metals may react with the sheath and in
altérer les propriétés), ou avec la réaction de fission nu- alter the properties), or with the nu-
cléaire (par exemple, en agissant comme absorbeurs de neu- (for example, by acting as neutron absorbers
trons) Aucune des références citées ne donne de solution au problème des interactions chimiques-mécaniques localisées trons) None of the cited references gives a solution to the problem of localized chemical-mechanical interactions
entre le combustible nucléaire et la gaine. between the nuclear fuel and the sheath.
On trouve d'autres tentatives, utilisant toujours l'idée de barrières, dans le brevet des E U A No 3 969 186 Other attempts, still using the idea of barriers, are found in US Pat. No. 3,969,186.
(métal réfractaire comme le molybdène, le tungstène, le rhé- (refractory metal such as molybdenum, tungsten,
nium, le niobium et leurs alliages, utilisé sous la forme d'un tube ou d'une feuille en couche unique ou multiple ou d'un revêtement sur la surface intérieure de la gaine) et dans le brevet des E U A No 3 925 151 (chemise de zirconium, nium, niobium and their alloys, used in the form of a single or multiple layer tube or sheet or coating on the inner surface of the sheath) and in US Patent No. 3,925,151 ( zirconium shirt,
de niobium ou de leurs alliages entre le combustible nucléai- niobium or their alloys between the nuclear fuel
re et la gaine avec une couche d'un matériau d'onctuosité re and the sheath with a layer of a lubricious material
élevée entre la chemise et la gaine). high between the shirt and the sheath).
Le brevet des E U A No 4 045 288 décrit une gaine composite comprenant un substrat en alliage de zirconium, une barrière métallique liée métallurgiquement au substrat et une couche interne d'alliage de zirconium métallurgiquement liée à la barrière métallique La barrière est choisie dans le groupe constitué par le niobium, l'aluminium, le cuivre, le nickel, l'acier inoxydable et le fer La barrière métallique ensevelie réduit la corrosion dûe aux produits de fission et aux gaz corrosifs, mais elle est soumise à la fissuration dûe à la corrosion sous contrainte et à la fragilisation par US Patent No. 4,045,288 discloses a composite sheath comprising a zirconium alloy substrate, a metal barrier metallurgically bonded to the substrate and an inner layer of zirconium alloy metallurgically bonded to the metal barrier. The barrier is selected from the group consisting of niobium, aluminum, copper, nickel, stainless steel and iron The buried metallic barrier reduces corrosion due to fission products and corrosive gases, but is subject to corrosion cracking due to corrosion. stress and embrittlement by
-formation de métal liquide.-Structure of liquid metal.
Le brevet des E U A No 4 200 492 décrit une gaine composite 'comprenant un substrat d'alliage de zirconium et une chemise de zirconium spongieux La chemise de zirconium U.S. Patent No. 4,200,492 discloses a composite sheath comprising a zirconium alloy substrate and a spongy zirconium jacket. The zirconium jacket
mou minimise la déformation localisée et diminue la fissura- soft minimizes localized deformation and decreases fissure
tion due à la corrosion sous contrainte et la fragilisation par formation de métal liquide, mais entraîne des pertes par meulage, etc, pendant sa fabrication et par oxydation De plus, si une brèche s'ouvre dans la gaine, permettant à l'eau due to stress corrosion and embrittlement by formation of liquid metal, but leads to losses by grinding, etc., during its manufacture and by oxidation In addition, if a gap opens in the sheath, allowing the water
et/ou à la vapeur d'eau de pénétrer dans le barreau de com- and / or water vapor to enter the trading bar
bustible, la chemise de zirconium a tendance à s'oxyder ra- bustible, the zirconium shirt tends to oxidize
pidement. Il restait donc souhaitable de réaliser des éléments de combustible nucléaire réduisant au minimum les difficultés pidement. It therefore remained desirable to produce nuclear fuel elements which minimized the difficulties
indiquées plus haut.indicated above.
L'invention concerne un élément de combustible nu- The invention relates to a naked fuel element
cléaire particulièrement efficace pour être utilisé dans le key particularly effective for use in the
coeur d'un réacteur nucléaire qui comprend une gaine composi- heart of a nuclear reactor that includes a composite sheath
te constituée par un substrat à la surface intérieure duquel est lié métallurgiquement une chemise métallique en alliage de zirconium dilué L'alliage de zirconium dilué comprend du zirconium et un métal choisi dans le groupe constitué par du consisting of a substrate on the inner surface of which a metal jacket of diluted zirconium alloy is metallurgically bonded. The diluted zirconium alloy comprises zirconium and a metal selected from the group consisting of
fer, du chrome, du fer plus du chrome, et du cuivre, la quan- iron, chromium, iron plus chromium, and copper, the amount of
tité de fer allié au zirconium étant comprise entre environ 0,2 % et environ 0,3 % en poids, la quantité de chrcoe entre environ 0,05 % the zirconium alloyed iron content being from about 0.2% to about 0.3% by weight, the amount of chromium being about 0.05%
et env-iron 3 % en poids, la quantité totale de fer et de chro- and about 3% by weight, the total amount of iron and chromium
me entre environ 0,15 % et environ 0,3 % en poids, le rapport between about 0.15% and about 0.3% by weight, the ratio
du poids de fer au poids de chrome étant compris entre envi- from the weight of iron to the weight of chromium being between about
ron 1:1 et environ 4:1 et la quantité de cuivre étant compri- 1: 1 and about 4: 1 and the amount of copper being
se entre environ 0,02 % et environ 0,2 % en poids. is between about 0.02% and about 0.2% by weight.
Le substrat de la gaine reste complètement inchangé dans sa conception et sa fonction par rapport à la pratique antérieure en ce qui concerne les réacteurs nucléaires et est fait d'un matériau choisi parmi les matériaux classiquement utilisés pour les gaines comme les alliages de zirconium Un substrat de gaine en alliage de zirconium présente une teneur The substrate of the sheath remains completely unchanged in its design and function compared to the prior practice with regard to nuclear reactors and is made of a material chosen from the materials conventionally used for sheaths such as zirconium alloys. of zirconium alloy sheath has a content
en alliage plus élevée que la chemise en alliage de zirco- higher alloy than the zirconium alloy jacket
nium dilué La chemise en alliage de zirconium dilué forme diluted nium The diluted zirconium alloy sleeve forms
un écran continu entre le substrat et le combustible nuclé- a continuous screen between the substrate and the nuclear fuel
aire contenu dans la gaine, et isole aussi l'alliage de zir- contained in the sheath, and also isolates the alloy of zirconium
conium ou tout autre substrat de la gaine des produits de conium or any other substrate of the sheath of
fission et des gaz.fission and gases.
La chemise en alliage de zirconium dilué représente The diluted zirconium alloy jacket represents
d'environ 1 à environ 20 pour cent de l'épaisseur de la gaine. from about 1 to about 20 percent of the thickness of the sheath.
La chemise reste molle par rapport au substrat pendant The shirt remains soft relative to the substrate during
l'irradiation et réduit au minimum les contraintes locali- irradiation and minimizes local constraints
sées à l'intérieur de l'élément de combustible nucléaire, protégeant ainsi la gaine de la fissuration par corrosion sous contraintes ou de la fragilisation par formation de métal liquide La chemise en alliage de zirconium dilué s'oppose à la réaction entre le substrat et les produits de fission ou les impuretés volatiles présents à l'intérieur de embedded within the nuclear fuel element, thereby protecting the sheath from stress corrosion cracking or embrittlement by liquid metal formation The diluted zirconium alloy sheath opposes the reaction between the substrate and fission products or volatile impurities present within
l'élément de combustible nucléaire et protège, de cette ma- the nuclear fuel element and protects, from this
nière, le substrat de la gaine de l'attaque par des produits the substrate of the sheath of the attack by
de fission ou des impuretés volatiles. fission or volatile impurities.
Cette invention présente l'avantage remarquable de protéger le substrat de la gaine contre la fissuration par corrosion sous contraintes et la fragilisation par formation de métal liquide et, en plus, du contact avec les produits de This invention has the remarkable advantage of protecting the sheath substrate against stress corrosion cracking and embrittlement by liquid metal formation and, in addition, contact with
fission, les gaz corrosifs, etc grâce à la chemise en allia- fission, corrosive gases, etc. thanks to the alloyed shirt
ge de zirconium dilué et cette chemise n'augmente pas de ma- diluted zirconium and this shirt does not increase
nière appréciable la capture des neutrons, et n'introduit pas de difficultés de transfert de chaleur ou d'incompatibilité appreciable neutron capture, and does not introduce heat transfer or incompatibility
combustible/chemise De plus, la chemise apporte une résis- In addition, the shirt provides a resistance
tance supérieure à l'oxydation par la vapeur d'eau ou par l'eau chaude par rapport au zirconium non allié dans le cas higher than the oxidation by steam or hot water compared to non-alloy zirconium in the case
de l'ouverture d'une brèche dans la gaine. opening a gap in the sheath.
La suite de la description se réfère aux figures The following description refers to the figures
annexées qui représente respectivement: Figure 1, une vue en coupe partielle d'un assemblage -35 combustible contenant des éléments de combustible nucléaire attached which respectively represents: FIG. 1, a partial sectional view of a fuel assembly containing nuclear fuel elements
fabriqués conformément aux enseignements de cette invention. manufactured in accordance with the teachings of this invention.
Figure 2, une vue en coupe transversale agrandie Figure 2, an enlarged cross-sectional view
d'un élément de combustible nucléaire de la Figure 1, illus- of a nuclear fuel element of Figure 1, illus-
trant les enseignements de cette invention. the teachings of this invention.
Si on se reporte maintenant plus particulièrement à If we refer now more particularly to
la Figure 1, on a représenté en coupe partielle un assembla- FIG. 1 shows in partial section an assembly
ge combustible 10 Cet assemblage combustible 10 est consti- This fuel assembly 10 is constituted by
tué par un canal d'écoulement tubulaire de section droite approximativement carrée muni à son extrémité supérieure d'un étrier de levage 12 et à son extrémité inférieure d'un nez (non représentée puisque l'on a omis la partie inférieure de l'assemblage 10) L'extrémité supérieure du canal il est ouverte au niveau de la sortie 13 et l'extrémité inférieure killed by a tubular flow channel of approximately square cross section provided at its upper end with a lifting stirrup 12 and at its lower end with a nose (not shown since the lower part of the assembly has been omitted) 10) The upper end of the channel it is open at the level of the exit 13 and the lower end
du nez comporte des ouvertures pour la circulation du réfri- the nose has openings for the circulation of refrigerant
gérant Un réseau d'éléments ou de barreaux de combustible 14 est enfermé dans le canal 11 et y est maintenu au moyen d'une plaque-d'extrémité supérieure 15 et d'une plaque d'extrémité inférieure (non représentée puisque l'on a omis la partie inférieure) Le liquide de réfrigération pénètre généralement par les ouvertures aménagées dans l'extrémité inférieure du nez, monte autour des éléments de combustible 14 et s'évacue par la sortie supérieure 13 à une température élevée à l'état partiellement vaporisé pour les réacteurs à eau bouillante ou A network of elements or fuel rods 14 is enclosed in the channel 11 and is held there by means of an upper endplate 15 and a lower endplate (not shown since omitted the lower part) The refrigerating liquid generally enters through the openings in the lower end of the nose, rises around the fuel elements 14 and discharges through the upper outlet 13 at a high temperature in the partially vaporized state. for boiling water reactors or
à l'état non vaporisé pour les réacteurs sous pression. in the non-vaporized state for pressurized reactors.
Les éléments de combustible nucléaire ou barreaux 14 Nuclear fuel elements or rods 14
sont scellés à leurs extrémités au moyen de bouchons d'extré- are sealed at their ends by means of end plugs.
mité 18 soudés à la gaine 17, qui peuvent comporter des tiges 19 pour faciliter le montage du barreau de combustible dans l'assemblage On a laissé un espace vide 20 à une extrémité de l'élément pour permettre la dilatation longitudinale du Means 18 welded to the sheath 17, which may comprise rods 19 to facilitate mounting of the fuel rod in the assembly. A gap 20 was left at one end of the element to allow longitudinal expansion of the element.
combustible et l'accumulation des gaz libérés par le combusti- fuel and the accumulation of gases released by
ble On a placé un dispositif pour retenir le combustible A device for retaining the fuel has been placed
nucléaire, 24, sous la forme d'un élément hélicoïdal à l'in- 24, in the form of a helical element
térieur de l'espace 20 pour s'opposer au déplacement axial inside space 20 to oppose the axial displacement
de la colonne de pastilles, particulièrement pendant la mani- the column of pellets, especially during
pulation et le transport de l'élément de combustible. pulation and transport of the fuel element.
On a conçu l'élément de combustible de manière à assurer un excellent contact thermique entre la gaine et le combustible, une absorption parasite minimum des neutrons et une bonne résistance au gauchissement et aux vibrations qui The fuel element has been designed to provide excellent thermal contact between the sheath and the fuel, minimum parasitic neutron absorption, and good warp and vibration resistance.
sont occasionnellement provoqués par la circulation à vites- are occasionally caused by fast-moving traffic.
se élevée du réfrigérant.the refrigerant is rising.
On a représenté Figure 1, en coupe partielle un élé- FIG. 1 is a fragmentary sectional view of a
ment ou barreau de combustible nucléaire 14, fabriqué confor- 14 or nuclear fuel bar, manufactured in accordance with
mément aux enseignements de cette invention L'élément de combustible comprend un noyau ou partie centrale cylindrique de matériau nucléaire 16, représenté ici sous la forme d'un ensemble de pastilles de combustible de matériau fissile et/ou In accordance with the teachings of this invention, the fuel element comprises a core or cylindrical central portion of nuclear material 16, here represented as a set of fuel pellets of fissile material and / or
fertile placées à l'intérieur d'une gaine structurale 17. fertile placed inside a structural sheath 17.
Dans certains cas, les pastilles de combustible peuvent être In some cases, the fuel pellets may be
de formes diverses, par exemple de forme cylindrique ou sphé- of various shapes, for example cylindrical or spherical
rique et dans d'autres cas on peut utiliser des formes de In other cases, it is possible to use forms of
combustible différentes, et par exemple un combustible parti- different fuel, and for example a fuel
culaire La forme physique du combustible est sans importance pour cette invention On peut utiliser divers matériaux de combustible nucléaire parmi lesquels on peut citer des composés The physical form of the fuel is of no importance to this invention. Various nuclear fuel materials may be used, including compounds
de l'uranium, des composés du plutonium, des composés du tho- Uranium, plutonium compounds,
rium, et leurs mélanges On recommande d'utiliser comme com- and mixtures thereof It is recommended to use as a com-
bustible le dioxyde d'uranium ou un mélange comprenant du uranium dioxide or a mixture comprising
dioxyde d'uranium et du dioxyde de plutonium. uranium dioxide and plutonium dioxide.
Si on se reporte maintenant à la figure 2, le combus- Referring now to Figure 2, the fuel
tible nucléaire 16 formant le noyau central de l'élément de combustible 14 est entouré par une gaine 17, que dans cette the nuclear core 16 forming the central core of the fuel element 14 is surrounded by a sheath 17, that in this
invention on appelle également gaine composite La gaine com- The invention is also referred to as the composite sheath.
posite enferme le noyau fissile de manière à laisser un inter- posite encloses the fissile nucleus so as to leave
valle 23 entre le noyau et la gaine lorsqu'on l'utilise dans un réacteur nucléaire La gaine composite comprend un substrat valle 23 between the core and the cladding when used in a nuclear reactor The composite cladding comprises a substrate
externe 21 choisi parmi des matériaux que l'on utilise clas- external 21 selected from materials that are used classically
siquement pour les gaines comme l'acier inoxydable et les alliages de zirconium et, dans une réalisation recommandée de cette invention, le substrat est un alliage de zirconium for claddings such as stainless steel and zirconium alloys and, in a preferred embodiment of this invention, the substrate is a zirconium alloy.
comme le Zircalloy-2.like Zircalloy-2.
Une chemise en alliage de zirconium dilué 22 est liée métallurgiquement sur la circonférence intérieure du substrat 21, de manière à ce que la chemise en alliage de zirconium dilué forme un écran protégeant le substrat, entre le substrat et le combustible nucléaire 16 à l'intérieur de la gaine composite La chemise en alliage de zirconium dilué représente, de préférence d'environ 1 à environ 20 % de l'épaisseur de la gaine Il serait difficile, dans une production cammerciale A dilute zirconium alloy jacket 22 is metallurgically bonded to the inner circumference of the substrate 21, so that the diluted zirconium alloy jacket forms a shield protecting the substrate, between the substrate and the nuclear fuel 16 therein The diluted zirconium alloy jacket is preferably from about 1 to about 20% of the thickness of the sheath. It would be difficult in a commercial production.
de réaliser une chemise en alliage de zirconium dilué représen- to make a diluted zirconium alloy jacket representing
tant moins d'environ 1 %o de l'épaisseur de la gaine, et l'utilisation d'une chemise en alliage de zirconium dilué less than about 1% o of the thickness of the sheath, and the use of a diluted zirconium alloy jacket
représentant plus de 20 % de l'épaisseur de la gaine n'appor- representing more than 20% of the thickness of the sheath
te pas d'avantage supplémentaire De plus, une chemise re- You do not have any extra advantage.
présentant plus d'environ 20 % de l'épaisseur de la gaine having more than about 20% of the thickness of the sheath
signifie une diminution concomitante de l'épaisseur du subs- signifies a concomitant decrease in the thickness of the
trat et un affaiblissement possible de la gaine. trat and a possible weakening of the sheath.
L'alliage de zirconium dilué se compose de zirconium et d'un élément d'alliage choisi dans le groupe constitué par du fer, du chrome, du fer plus du chrome et du cuivre Tel qu'on l'utilise ici, l'expression alliage de zirconium dilué désigne un alliage de zirconium présentant une teneur en alliage suffisamment peu élevée pour entraîner une ductilité plus élevée et une vitesse de déformation plus élevée que ne présenterait le matériau constituant le substrat dans des The diluted zirconium alloy is composed of zirconium and an alloying member selected from the group consisting of iron, chromium, iron plus chromium and copper. As used herein, the expression diluted zirconium alloy means a zirconium alloy having an alloy content sufficiently low to cause a higher ductility and a higher rate of deformation than would be present in the material constituting the substrate in
conditions équivalentes de contrainte. equivalent conditions of stress.
La quantité de fer allié au zirconium est comprise The amount of iron alloyed with zirconium is included
entre environ 0,2 % et environ 0,3 % en poids, et de préfé- between about 0.2% and about 0.3% by weight, and preferably
rence entre environ 0,2 % et environ 0,25 % en poids. from about 0.2% to about 0.25% by weight.
La teneur en chrome est comprise entre environ 0,05 % et environ 0,3 % en poids et de préférence entre environ 0,15 % The chromium content is from about 0.05% to about 0.3% by weight and preferably about 0.15%
et environ 0,25 % en poids.and about 0.25% by weight.
On peut incorporer du fer plus du chrome de façon à ce que la quantité totale des deux composants soit comprise Iron plus chromium can be incorporated so that the total amount of both components is included
entre environ 0,15 % et environ 0,3 'O en poids et de préfé- between about 0.15% and about 0.3% by weight and preferably
rence entre environ 0,2 % et environ 0,25 % en poids, le rap- between about 0.2% and about 0.25% by weight, the ratio of
port pondérai du fer au chrome étant compris entre environ weighted port of chromium iron being between about
1:1 et environ 4:1, et-de préférence égal à environ 2:1. 1: 1 and about 4: 1, and preferably about 2: 1.
On utilise le cuivre en une quantité comprise entre environ 0,02 % et environ 0,2 % en poids et de préférence The copper is used in an amount of from about 0.02% to about 0.2% by weight and preferably
entre environ 0,05 et environ 0,15 % en poids. between about 0.05 and about 0.15% by weight.
La chemise en alliage de zirconium dilué isole le substrat des impuretés gazeuses et des produits de fission, protège cette partie de la gaine en lui évitant d'entrer en contact et en réaction avec ces impuretés et ces produits de The diluted zirconium alloy jacket isolates the substrate from gaseous impurities and fission products, protects this portion of the sheath from being in contact with and in reaction with these impurities and these products.
fission et s'opposeà la création de contraintes localisées. fission and opposes the creation of localized constraints.
L'addition au zirconium de petites quantités d'un métal choisi dans le groupe constitué par du fer, du chrome, du fer plus du chrome et du cuivre, améliore la résistance à la corrosion, et en particulier la résistance à l'oxydation par l'eau chaude ou la vapeur d'eau si la teneur en élément The addition to zirconium of small amounts of a metal selected from the group consisting of iron, chromium, iron plus chromium and copper improves the corrosion resistance, and in particular the resistance to oxidation by hot water or water vapor if the element content
d'addition fait partie de la gamme indiquée pour cet élément. of addition is part of the range indicated for this element.
La limite inférieure de la quantité de métal allié au zirco- The lower limit of the amount of metal alloyed with zircon
nium indiquée pour chacun des éléments d'alliage est suffi- specified for each of the alloying elements is sufficient
sante pour améliorer nettement la résistance à la corrosion to significantly improve the corrosion resistance
par rapport à celle du zirconium non allié. compared to that of unalloyed zirconium.
La limite supérieure de la quantité de métal allié au zirconium indiquée pour chacun des éléments d'alliage correspondant généralement à la quantité maximum de métal qui améliore nettement la résistance à la corrosion par rapport à The upper limit of the amount of zirconium-alloy metal indicated for each of the alloying elements generally corresponds to the maximum amount of metal that significantly improves corrosion resistance with respect to
celle du zirconium spongieux Des additions de métaux en quan- that of spongy zirconium. Additions of metals in
tités supérieures à la limite supérieure indiquée n'amélio- above the upper limit indicated does not improve
rent pas de manière importante la résistance à la corrosion do not significantly increase corrosion resistance
du zirconium et peuvent être nuisibles en diminuant la mallé- zirconium and can be harmful by reducing the
abilité et la ductibilité de la chemise. Ability and ductility of the shirt.
On a indiqué comme définissant les gammes recomman- It has been indicated as defining the recommended ranges
dées les quantités de métal allié au zirconium qui entraînent the quantities of zirconium-alloy metal
l'amélioration la plus importante de la résistance à la corro- the most significant improvement in resistance to corrosion
sion, pour chacun des éléments d'alliage. sion, for each of the alloying elements.
Le fer, le chrome et le cuivre sont faiblement so- Iron, chromium and copper are weakly
lubles dans le zirconium On peut traiter thermiquement les alliages de zirconium dilués contenant un ou plusieurs de ces métaux pour produire un matériau comportant une fine dispersion de particules intermétalliques qui sont nobles par rapport à la matrice de zirconium Comme les éléments Zirconium-free Zirconium alloys can be heat-treated to contain one or more of these metals to produce a material having a fine dispersion of intermetallic particles which are noble with respect to the zirconium matrix.
d'alliage sont faiblement solubles, on obtient un durcisse- of alloy are poorly soluble, a hardening
ment peu important du zirconium par la solution solide. zirconium by the solid solution.
L'effet de durcissement est suffisamment faible pour conser- The curing effect is sufficiently weak to preserve
ver la malléabilité nécessaire à la chemise en alliage de zirconium dilué pour empêcher ou diminuer la rupture du the necessary malleability of the diluted zirconium alloy jacket to prevent or
combustible due à l'interaction pastilles-gaine. fuel due to the interaction pellets-sheath.
La chemise en alliage de zirconium dilué de la gaine composite résiste au durcissement provoqué par l'irradiation comparativement au Zircaloy ou à d'autres alliages classiques The diluted zirconium alloy jacket of the composite sheath is resistant to radiation hardening as compared to Zircaloy or other conventional alloys
* du zirconium, et cela permet à la chemise en alliage de zir-* zirconium, and this allows the ziron alloy jacket
conium dilué de maintenir, après une irradiation prolongée, dés propriétés structurales recommandées comme la limite d'élasticité et la dureté, à des valeurs considérablement diluted conium to maintain, after prolonged irradiation, recommended structural properties such as yield strength and hardness, at considerably
plus basses que celles des alliages de zirconium classiques. lower than those of conventional zirconium alloys.
En fait, la chemise en alliage de zirconium dilué ne durcit pas autant que les alliages de zirconium classiques lors de In fact, the diluted zirconium alloy jacket does not harden as much as conventional zirconium alloys when
l'irradiation et ceci, ajouté à sa limite d'élasticité initia- irradiation and this, added to its initial elastic limit of
lement peu élevée, permet à la chemise en alliage de zirconium low, allows the zirconium alloy jacket
dilué de se déformer plastiquement et de relaxer les contrain- diluted plastically deform and relax the contraindications
tes induites par les pastilles dans l'élément de combustible, qui peuvent être provoquées, par exemple, par le gonflement des pastilles de combustible nucléaire aux températures de fonctionnement du réacteur ( 3000 C à 3500 C), les pastillesvenant en contact avec la gaine. These are induced by the pellets in the fuel element, which can be caused, for example, by the swelling of the nuclear fuel pellets at the operating temperatures of the reactor (3000 C to 3500 C), the pellets in contact with the sheath.
L'utilisation d'une chemise en alliage de zirconium dilué comprenant du zirconium et un métal choisi dans le groupe constitué par le fer, le chrome, le fer plus le chrome et le cuivre-et représentant, de préférence d'environ 5 à environ 15 pour cent de l'épaisseur de la gaine, dans laquelle elle est liée à un substrat d'alliage de zirconium classique, permet d'obtenir une réduction des contraintes suffisante The use of a dilute zirconium alloy jacket comprising zirconium and a metal selected from the group consisting of iron, chromium, iron plus chromium and copper-and preferably from about 5 to about 15 percent of the thickness of the sheath, in which it is bonded to a conventional zirconium alloy substrate, provides sufficient stress reduction
pour éviter ou diminuer les ruptures dans la gaine composite. to avoid or reduce breaks in the composite sheath.
La pureté du zirconium métallique allié au fer, au chrome, au fer plus le chrome ou au cuivre est importante et permet d'obtenir des propriétés particulières pour la chemise The purity of metallic zirconium alloyed with iron, chromium, iron plus chromium or copper is important and makes it possible to obtain particular properties for the shirt.
en alliage de zirconium dilué Le zirconium métallique ren- diluted zirconium alloy Metallic zirconium
ferme généralement moins de 5000 ppm d'impuretés Parmi ces impuretés l'oxygène doit se trouver à une concentration aussi faible que possible en pratique, mais pouvant aller jusqu'à generally closes less than 5000 ppm of impurities Among these impurities oxygen should be at a concentration as low as possible in practice but up to
environ 1000 ppm.about 1000 ppm.
Dans la gaine composite de l'élément de combustible In the composite sheath of the fuel element
nucléaire de cette invention, une chemise en alliage de zirco- of this invention, a zirconium alloy jacket
nium dilué est liée métallurgiquement au substrat L'examen diluted nium is metallurgically bound to the substrate
métallographique montre qu'il existe une diffusion transver- metallographic evidence shows that there is a trans-
sale suffisante entre le substrat et la chemise en alliage de zirconium dilué pour former des liaisons métallurgiques, sufficient soil between the substrate and the zirconium alloy jacket diluted to form metallurgical bonds,
mais insuffisante pour former de manière importante un allia- but insufficient to form an important alliance
ge avec la chemise en alliage de zirconium dilué elle-même. ge with the diluted zirconium alloy liner itself.
Parmi les alliages de zirconium classiques convenant Of the conventional zirconium alloys suitable
comme substrats, on peut citer le Zircaloy-2 et le Zircaloy-4. as substrates, mention may be made of Zircaloy-2 and Zircaloy-4.
Le Zircaloy-2 comprend, en poids, environ 1,5 pour cent d'étain, 0,12 pour cent de fer, 0,09 pour cent de chrome et 0,005 pour cent de nickel et on l'utilise beaucoup dans les réacteurs à refroidissement par eau Le Zircaloy-4 contient Zircaloy-2 comprises, by weight, about 1.5 percent tin, 0.12 percent iron, 0.09 percent chromium, and 0.005 percent nickel, and is used extensively in jet reactors. water cooling Zircaloy-4 contains
moins de nickel que le Zircaloy-2 mais légèrement plus de fer. less nickel than Zircaloy-2 but slightly more iron.
On peut fabriquer la gaine composite utilisée dans les élé- It is possible to manufacture the composite sheath used in
ments de combustible nucléaire de cette invention par n'im- of this invention by
porte lequel des procédés suivants. which of the following methods.
Dans un de ces procédés, on insère un tube de maté- In one of these methods, a tube of material is inserted
riau devant constituer la chemise en alliage de zirconium dilué dans une billette creuse du matériau choisi pour le material to form the zirconium alloy jacket diluted in a hollow billet of the material chosen for the
substrat, puis on soumet l'ensemble à une liaison par explo- substrate, then the whole is subjected to a connection by explo-
sion du tube au substrat On extrude le composite en utili- The tube is extruded from the substrate.
sant un procédé classique d'extrusion de tubes à des tempéra- conventional tube extrusion process at temperatures of
tures élevées comprises entre environ 5380 C et 7600 C Puis on soumet le composite extrudé à un processus mettant en oeuvre une réduction classique de tube pour obtenir la taille The extruded composite is subjected to a process using a conventional reduction of tube to obtain the size.
voulue pour la gaine On choisi les épaisseurs de paroi rela- desired for the sheath. The wall thicknesses
tives de la billette creuse et du tube de matériau devant hollow billet and tube of material in front of
constituer la chemise en alliage de zirconium dilué de ma- constitute the zirconium alloy liner diluted
nière à obtenir dans le tube fini constituant la gaine, le to obtain in the finished tube constituting the sheath, the
rapport d'épaisseurs voulu.desired thickness ratio.
Dans un autre procédé, on insère un tube de matériau devant constituer la chemise en alliage de zirconium dilué dans une billette creuse du matériau choisi pour le substrat, puis on soumet l'ensemble à une étape de chauffage (par exemple à 750 C pendant 8 heures) en exerçant une compression pour assurer un bon contact métal-métal et une liaison par In another method, a tube of material to form the zirconium alloy jacket diluted in a hollow billet of the material chosen for the substrate is inserted, and the assembly is then subjected to a heating step (for example at 750 ° C. for 8 minutes). hours) by exerting compression to ensure good metal-to-metal contact and bonding by
diffusion entre le tube et la billette On extrude le composi- diffusion between the tube and the billet.
te lié par diffusion en utilisant un procédé classique d'ex- bound by diffusion using a conventional method of
trusion de tubes comme on l'a décrit plus haut dans le para- tubes as described above in para-
graphe précédent Puis on soumet le composite extrudé à un processus mettant en oeuvre une réduction classique de tube preceding graph Then the extruded composite is subjected to a process using a conventional reduction of tube
pour obtenir la taille voulue pour la gaine. to obtain the desired size for the sheath.
Dans un autre procédé encore, on insère un tube de matériau devant constituer la chemise en alliage de zirconium dilué dans -une billette creuse du matériau choisi pour le substrat et on extrude l'ensemble en utilisant un procédé In yet another method, a tube of material to form the zirconium alloy jacket diluted in a hollow billet of the material selected for the substrate is inserted and the assembly is extruded using a process.
classique d'extrusion de tubes comme on l'a décrit précédem- conventional extrusion tube as previously described
ment Puis on soumet le composite extrudé à un processus Then the extruded composite is subjected to a process
mettant en oeuvre une réduction classique de tube pour obte- implementing a conventional tube reduction to obtain
nir la taille voulue pour la gaine.nize the desired size for the sheath.
Les précédents procédés de fabrication de la gaine composite de cette invention sont économiques par rapport à d'autres procédés utilisés pour la fabrication de gaines, The previous methods of manufacturing the composite sheath of this invention are economical compared to other methods used for the manufacture of sheaths,
comme des procédés de galvanoplastie ou de dépôt de vapeur. as electroplating or vapor deposition processes.
On peut former un élément de combustible nucléaire en fabri- A nuclear fuel element can be formed by
cànt une gaine composite ouverte à une extrémité et composée d'un substrat et d'une chemise intérieure en alliage de zirconium dilué constitué par du zirconium et par un métal choisi dans le groupe constitué par le fer, le chrome, le fer plus le chrome, et le cuivre liée métallurgiquement à la surface intérieure du substrat, en remplissant la gaine composite avec le combustible nucléaire, en laissant une cavité du côté de l'extrémité ouverte, en insérant dans la cavité un dispositif pour retenir le combustible nucléaire, en appliquant un système de fermeture à l'extrémité ouverte de la gaine laissant la cavité en communication avec le combustible nucléaire, puis en liant l'extrémité de la gaine à ce système de fermeture de manière à former entre eux un a composite sheath open at one end and composed of a substrate and an inner liner of diluted zirconium alloy consisting of zirconium and a metal selected from the group consisting of iron, chromium, iron plus chromium , and the copper metallurgically bonded to the inner surface of the substrate, by filling the composite sheath with the nuclear fuel, leaving a cavity on the open end side, inserting into the cavity a device for retaining the nuclear fuel, applying a closure system at the open end of the sheath leaving the cavity in communication with the nuclear fuel, and then by binding the end of the sheath to this closure system so as to form between them a
joint hermétique.hermetic seal.
La présente invention présente plusieurs avantages assurant une durée d'utilisation prolongée de l'élément de The present invention has several advantages ensuring a prolonged duration of use of the element of
combustible nucléaire, parmi lesquels on peut citer la dimi- nuclear fuel, among which may be mentioned the
nution de l'interaction chimique de la gaine, la réduction au minimum des contraintes localisées sur la partie de la gaine constituée par le substrat en alliage de zirconium, la réduction au minimum de la corrosion sous contraintes de la partie de la gaine constituée par le substrat en alliage de zirconium, et la diminution de la probabilité d'une rupture par fissuration se produisant dans le substrat en alliage de zirconium. La chemise en alliage de zirconium dilué ne réduit pas seulement au minimum les contraintes et la corrosion sous contraintes dans le substrat, mais elle est également résistante à l'oxydation par la vapeur d'eau et par l'eau chaude au cas o la gaine se romprait, alors que le zirconium non allié s'oxyde rapidement dans ces conditions L'alliage de zirconium dilué présente une plasticité semblable à celle du zirconium non allié et permet de bénéficier de ses avantages tout en apportant une résistance accrue à la corrosion, en particulier à l'oxydation par l'eau chaude et par la vapeur d'eau. La gaine composite de la présente invention présente the chemical interaction of the sheath, the minimization of the localized stresses on the part of the cladding constituted by the zirconium alloy substrate, the minimization of the stress corrosion of the part of the sheath formed by the zirconium alloy substrate, and decreasing the probability of crack failure occurring in the zirconium alloy substrate. The diluted zirconium alloy jacket not only minimizes stresses and stress corrosion in the substrate, but is also resistant to oxidation by water vapor and hot water in case the sheath would break, while unalloyed zirconium oxidizes rapidly under these conditions The diluted zirconium alloy exhibits plasticity similar to that of unalloyed zirconium and allows its advantages to be benefited while providing increased resistance to corrosion, particularly to oxidation by hot water and steam. The composite sheath of the present invention exhibits
la propriété importante de faire bénéficier des améliora- important property to benefit from improvements
tions précédentes sans augmenter désavantageusement l'absor- tions without adversely increasing the absorption of
tion des neutrons On acceptera facilement cette gaine dans les réacteurs nucléaires puisqu'elle n'entraînera pas de formation d'eutectique lors d'un accident de perte de réfri- gérant ou d'un accident mettant en jeu la chute d'une barre de commande De plus, la gaine composite n'affecte que très peu le transfert de chaleur, dans la mesure o il n'existe pas de barrière thermique au transfert de chaleur comme c'est le cas lorsqu'on insère une feuille distincte dans un élément de combustible On peut également examiner la gaine composite de cette invention par des procédés d'essai non destructeurs classiques au cours de différentes étapes de sa This reactor sheath will be readily accepted in nuclear reactors since it will not result in eutectic formation in a refrigerant loss accident or an accident involving the fall of a bar. In addition, the composite sheath only affects heat transfer very little, as there is no thermal barrier to heat transfer, as is the case when inserting a separate sheet into an element. The composite sheath of this invention can also be examined by conventional non-destructive testing methods during various stages of its production.
fabrication et de son utilisation.manufacture and its use.
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