FR2579122A1 - Procede de fabrication de tubes-gaines composites pour combustible nucleaire et produits obtenus - Google Patents

Procede de fabrication de tubes-gaines composites pour combustible nucleaire et produits obtenus Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE FABRICATION D'UNE EBAUCHE CORROYEE A FROID OU D'UN TUBE COMPOSITE EN ALLIAGE DE ZR GAINE INTERIEUREMENT D'UNE COUCHE DE ZR NON ALLIE, DANS LEQUEL: -SELON L'ART ANTERIEUR, ON PREPARE D'UNE PART UNE BILLETTE EN ALLIAGE DE ZR PERCEE D'UN TROU ET TREMPEE A PARTIR DU DOMAINE B; ON TRANSFORME D'AUTRE PART PAR CORROYAGE A CHAUD UN LINGOT EN ZR NON ALLIE EN BARRE, ON DECOUPE LA BARRE EN BILLETTES, ON PERCE UNE BILLETTE ET ON L'EXTRUDE DANS LE DOMAINE A SOUS FORME DE TUBE; ET ENFIN ON ASSEMBLE CE TUBE DE ZR NON ALLIE A L'INTERIEUR DU TROU DE LA BILLETTE EN ALLIAGE DE ZR, ET ON TRANSFORME L'ASSEMBLAGE AINSI OBTENU PAR EXTRUSION DANS LE DOMAINE A PUIS PAR LAMINAGE ET TRAITEMENTS THERMIQUES; -SELON L'INVENTION, ON UTILISE UN LINGOT EN ZR NON ALLIE CONTENANT AU MOINS 250PPM DE FE, ET ON TREMPE A L'EAU LA BARRE OU LA BILLETTE EN ZR NON ALLIE, AVANT OU APRES PERCAGE, A PARTIR D'UNE TEMPERATURE COMPRISE ENTRE 880 ET 1050C. L'INVENTION CONCERNE EGALEMENT LES EBAUCHES TUBULAIRES CORROYEES A FROID COMPOSITES EN ZIRCALOY 2 REVETU INTERIEUREMENT DE ZR NON ALLIE, AINSI QUE LES TUBES-GAINES COMPOSITES OBTENUS, SINGULARISES PAR LEUR TENEUR EN FE ET LEUR GRAIN FIN.

Description

2 D 7 9 1 2 2
PROCEDE DE FABRICATION DE TUBES-GAINES COMPOSITES POUR
COMBUSTIBLE NUCLEAIRE ET PRODUITS OBTENUS
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un tube-gaine composite pour combustible de réacteur nucléaire, comprenant un substrat externe en alliage de zirconium et un revêtement interne en zirconium, qui permet d'améliorer la qualité du produit cofilé, et elle concerne également les tubes-gaines composites obtenus
par ce procéd6.
EXPOSE DU PROBLEME
Le tube-gaine composite est obtenu par coextrusion d'un assemblage constitué d'une billette creuse d'alliage de zirconium, par exemple en zircaloy 2, et d'un tube intérieur de zirconium non allié, soudés sur leurs extrémités avant et arrière, habituellement par bombardement électronique. Cette ébauche subit ensuite des opérations alternées de laminage à froid et de traitement thermique
pour parvenir au tube-gaine composite final.
On désire avoir à la surface intérieure de la gaine composite un minimum de défauts métallurgiques tels que recouvrements ou microcriques; de plus, on désire
avoir une structure fine et régulière sur le tube intérieur en zirconium.
ETAT DE LA TECIHIQUE CONNU
Selon la technique connue, un lingot d'ailliage de zirconium zircaloy 2 répondant aux normes nucléaires est forgé ou laminé à chaud, puis trempé à l'eau à part-r du domaine B (1050'C). Le forage du trou dans la billette est effectué avant ou
après cette trempe. La billette trouée est ensuite usinée.
Par ailleurs, un lingot de zirconium non allié, pur, obtenu par refusion sous vide à électrode consommable est transformé à chaud dans le domaine X + l ou a à une température supérieure à 8000C. La barre est débitée en lopins qui sont ensuite percés. Les lopins percés sont ensuite extrudés à chaud dans le domaine X entre
550 C à 700 C pour être mis sous forme de tubes.
Le tube de zirconium extrudé et la billette de zircaloy sont alors assemblés et liés l'un à l'autre, le tube étant à l'intérieur, et l'ensemble est extrudé entre 550'C et 700'C dans le domaine pour arriver à une ébauche composite. Celle-ci est ensuite soumise à des opérations de laminage à froid et des traitements
thermiques en o( alternés pour parvenir au tube-gaine composite final.
Le zirconium utilisé contient des teneurs en impuretés de moins de 5000 ppm au total. En particulier, la teneur en oxygène ne doit pas dépasser 1200 ppm et de préférence 600 ppm. De même, il y a des limites supérieures à ne pas dépasser pour les autres impuretés, mais il n'y a pas de limites inférieures, car la pureté du zirconium est considérée comme une condition essentielle qui confère à la
couche barrière ses propriétés spéciales.
La surface interne des tubes-gaines fabriqués ainsi présente une certaine fissuration qui diminue l'aptitude du revêtement interne à servir de barrière aux produits de fission et à l'hydrogène engendrés dans le combustible, qui ont une
action fragilisante sur le substrat en zircaloy.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention concerne un perfectionnement au procédé de fabrication d'une ébauche corroyée à froid ou d'un tube composite en alliage de zirconium revêtu intérieurement d'une couche de zirconium non allié, procédé dans lequel selon l'art antérieur a)- on transforme d'une part par corroyage à chaud (laminage et/ou forgeage) un lingot d'alliage de zircnium sous forme de barre; on découpe la barre corroyée obtenue en billettes; on fore un trou sensiblement coaxial dans une billette et on usine cette billette; on trempe à l'eau soit la barre corroyée avant la découpe en billettes, soit au moins une billette découpée, avant ou après perçage, à partir du domaine I. b)- on transforme d'autre part par corroyage à chaud (laminage et/ou forgeage) un lingot de zirconium non allié sous forme de barre; on découpe la barre corroyée obtenue en lopins ou billettes; on perce un lopin ou billette et on l'extrude dans le domaine X sous forme
de tube.
c)- on assemble enfin ce tube de zirconium non allié à l'intérieur du trou sensiblement coaxial de la billette en alliage de zirconium; on extrude l'assemblage ainsi obtenu dans le domaine cY sous forme d'ébauche extrudée composite; on lamine à froid cette ébauche extrudée composite - et on la traite thermiquement de façon à obtenir une ou plusieurs ébauches corroyées
composites, puis des tubes.gaines composites.
Le perfectionnement de l'invention consiste en la combinaison des deux ou mieux 0 des trois conditions suivantes concernant les étapes (b), c'est-àdire la préparation du revêtement en zirconium non allié: on utilise, pour le revêtement intérieur du tube composite, un lingot en zirconium non allié contenant au moins 250 ppm - de Fe, et de préférence 250 à 1000 ppm de Fe; - on effectue le corroyage à chaud de ce lingot de zirconium, de préférence dans le domaine o(, typiquement entre 630 et 760'C, ce qui contribue à l'affinage de la structure du revêtement en zirconium; - on effectue, après le corroyage à chaud, une trempe à l'eau de la barre ou de la billette obtenue à partir d'un domaine de préchauffage particulier 3. Cette opération de trempe se situe ainsi avant son extrusion dans le domaine z sous forme de tube, cette extrusion étant elle-même suivie de l'extrusion de l'assemblage composite billette en alliage de zirconium/tube intérieur en zirconium
pur, extrusion faite également dans le domaine.
Le domaine particulier f correspond à une température conmprise entre 880 et 1050 C, et de préférence comprise entre 900'C et 1000 C, et de préférence encore centrée sur 950-C avec une tolérance de it- 30C. Dans ce qui précède, l'expression "zirconium non allié" correspond à du zirconium déhafnié ayant une teneur totale en impuretés inférieure à 5000 ppm et de préférence au plus égale
à 1200 ppm.
L'emploi du procédé amélioré de l'invention permet d'obtenir sur 'ébauche corroyée à froid intermédiaire puis sur le tube-gaine une surface intérieure sans défauts métallurgiques. Les risques d'amorce de corrosion et de fissuration du revêtement intérieur sont ainsi fortement diminués et le revêtement peut Jouer correctement son rôIe protecteur vis-à-vis de la paroi du substrat à l'encontre des gaz et des produits de fission contenus à l'intérieur de l'assemblage combustible. De plus, ce procédé conduit à obtenir une structure fine et régulière
du zirconium.
L'invention concerne aussi les produits obtenus par le procédé de l'invention.
aussi bien à leur stade final (des tubes de gainage composites) qu'à des stades intermédiaires correspondant habituellement à 1 à 4 passes de laminage à froid
après extrusion de l'ébauche composite, avec des recuits intermédiaires et en-
général au moins un traitement de surface. Ces produits sont désignés ici par
l'expression "ébauches corroyées à froid composites"; les "TREX" des exemples er.
sont un cas particulier. Leur revêtement intérieur a un grain très fin, d'indice au moins égal à 9 ASTM et souvent 10 ASTM. Les ébauches corroyées à froid composites sont habituellement les produits de départ pour le relaminage en tubes de gainage composites.
EXEMPLES
1. On a fabriqué un tube-gaine composite à partir, d'une part, d'un lingot de zircaloy 2 ayant la composition 1,45 % Sn; 0,16 % Fe; 0,12 % Cr; 0,05 % Ni; 1180 ppm O; 90 ppm C; 40 ppm Hf les autres impuretés étant conformes à la spécification des alHiages de zirconium pour usage nucléaire ASTM B52, et d'autre part, d'un lingot de zirconium non alié ayant comme impuretés principales Fe 364 ppm; Cr 22 ppm; Ni < 10 ppm; 0 520 ppm; C 40 ppm;
Hf 34 ppm.
L'alliage de zircaloy 2 ci-dessus a une température de transus a (passage du domaine off + 5 dans le domaine 6 pur) de 1000 C environ. La température de
transus B du zirconium ci-dessus est de 890'C environ.
Le lingot de zircaloy 2 est forgé à 1040'C jusqu'à obtenir une barre cylindrique de 170 mm de diamètre. Cette barre a été trempée à l'eau à partir d'une température de 1050'C. Une billette cylindrique de 450 mm de long découpée dans
cette barre et percée d'un trou de 80 mm de diamètre a été usinée.
Le lingot de zirconium a été forgé à 950'C selon l'art antérieur (corroyage à chaud dans le domaine B) pour obtenir une barre de 170 mm de diamètre qui a
été tronçonnée en lopins de 430 mm de long.
Un lopin a été percé d'un trou coaxial de 50 mm de diamètre, puis extrudé à une température de 650-C, pour obtenir un tube de diamètre extérieur 81 mm et
d'épaisseur 15 mm.
Après usinage extérieur, ce tube a été engagé dans l'alésage de la billette et l'assemblage, réalisé par soudage, a été extrudé à une température de 650C pour obtenir une ébauche composite de longueur 2700 mm environ, de diamètre
extérieur 80 mm et intérieur 51 mm.
Cette ébauche a été laminée à froid pour obtenir une ébauche tubulaire réduite ou "TREX" ("Tube reduced extrusion") de diamètre extérieur 63,5 mm et d'épaisseur 11 mm, cette ébauche a été recuite après laminage. Un examen de la
surface interne de l'ébauche tubulaire a montré une surface fibreuse.
Par coupe micrographique, on a pu observer des amorces de criques intergranulaires de 30 à 50 microns de profondeur. Le grain de zirconium était fin
: indice ASTM "9".
2. On a ensuite constitué un "TREX" à partir du mime zircaioy et d'un zirconium à moins de 250 ppm de fer, ayant par ailleurs la même composition que celui du 3O
premier essai.
Les gammes de transformation du zircaloy de l'assemblage et de l'ébauche ont été les mêmes que dans le premier essai. Par contre, la billette de zirconium obtenue après forgeage du lingot dans le domaine co a été chauffée à 950 C et trempée à l'eau, avant d'être extrudée à 650 C et assemblée à la billette percée de zircaloy. Un examen de la surface interne du WTREX" a montré la persistance d'une
surface fibreuse avec quelques évidences de repliures.
De plus, la structure du zirconium métal était caractérisée par de très gros
grains: 7-8 ASTM.
3. On a enfin réalisé un "TREX" selon le procédé de l'invention à partir d'un lingot de zircaloy semblable à celui des deux essais précédents et d'un lingot de zirconlum semblable à celui du premier essai. La gamme de transformation a été celle du deuxième essai, c'est-à-dire comportant un forgeage en o du lingot et
une trempe à l'eau de la billette de zirconium après chauffage à 950 C.
L'examen de la surface interne du "TREX" a montré une surface saine, ne comportant que quelques irrégularités, mais, en aucun cas, de repliures ou amorces de criques intergranulaires; de plus, on a observé sur coupe transversale un grain très fin (indice ASTM 10 à 11) pour le revêtement Intérieur en
zirconium pur.
2 5 7 9 1 2 2

Claims (8)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une ébauche corroyée à froid ou d'un tube composite en alliage de zirconium gainé intérieurement d'une couche de zirconium non allié dans lequel, selon l'art antérieur: a)- on transforme d'une part par corroyage a chaud laminage et/ou fogeage) un lingot d'alliage de zirconium sous forme de barre; on découpe la barre corroyée obtenue en billettes; on fore un trou sensiblement coaxial dans une billette et on usine cette billette; on trempe à l'eau soit la barre corroyée avant la découpe en billetes, soit au moins une billette découpée avant ou après perçage, à partir du domaine B. b)- on transforme d'autre part par corroyage à chaud (laminage et/ou forgeage) un lingot de zirconium non allié sous forme de barre; on découpe la barre corroyée obtenue en lopins ou billettes; !5 on perce un lopin ou billette et on t'extrude dans le domaine of sous forme
de tube.
c)- on assemble enfin ce tube de zirconium non a&ié à l'intérieur du trou sensiblement coaxial de la billette en alliage de zirconSum; on extrude l'assemblage ainsi obtenu dans:e domaine c< sous forme d'ébauche extrudée composite; on lamine à froid cette ébauche extrudée composite et on la traite thermiquement de façon à obtenir une ou plusieurs ébauches corroyées composites, puis des tubes-gaines composites, caractérisé en ce qu'on utilise un lingot en zirconium non allié contenant au moins 250 ppm de fer, et en ce qu'on trempe à l'eau la billette en zirconium non allié, avant ou après perçage, à partir d'une température comprise entre 880 et
1050 C.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un [ingot en
zirconium non allié contenant entre 250 et 1000 ppm de fer.
257912;
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2. caractérisé en ce
qu'on effectue le corroyage à chaud du lingot en zirconium non allié dans le
domaine de températures o<.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on effectue le
corroyage à chaud du lingot en zirconium non allié entre 630 et 760 C.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce
qu'on trempe à l'eau l'ébauche corroyée en zirconium non allié à partir d'une
température comprise entre 900 et 1000'C.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on trempe à l'eau l'ébauche corroyée en zirconium non allié à partir d'une température comprise
entre 920 et 980 C.
- 7. Ebauche tubulaire corroyée à froid composite en zircaloy 2 revêtu intérieurement de zirconium non allié, caractérisée en ce que son revêtement intérieur contient 250 à 1000 ppm de Fe et a un grain au moins auss. fin que
l'indice "9" ASTM.
8. Tube-gaine composite en zircaloy 2 revêtu intérieurement de zirconium non allié, caractérisé en ce que son revêtement intérieur contient 250 à 1000 ppm de
Fe et a un grain au moins aussi fin que l'indice "9" ASTM.
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