FR2814179A1 - Creep-resistant silver-based alloy for production of neutron absorption elements includes indium, cadmium and, optionally, hafnium, and their oxides in the form of particles distributed in the alloy - Google Patents
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Abstract
Description
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L'invention concerne un alliage à base d'argent à résistance au fluage améliorée pour la réalisation d'éléments absorbants les neutrons. The invention relates to a silver-based alloy with improved creep resistance for the production of neutron absorbing elements.
Les réacteurs nucléaires et en particulier les réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau sous pression comportent un coeur constitué par des assemblages de combustible de forme prismatique, disposés verticalement et de manière juxtaposée. Chacun des assemblages de combustible est constitué par un faisceau de crayons de combustible parallèles entre eux maintenus par une ossature constituée par des grilles-entretoises et des tubesguides reliés rigidement aux grilles-entretoises qui sont réparties suivant la longueur de l'assemblage de combustible. Nuclear reactors and in particular nuclear reactors cooled by pressurized water have a core consisting of fuel assemblies of prismatic shape, arranged vertically and juxtaposed. Each of the fuel assemblies is constituted by a bundle of fuel rods parallel to each other maintained by a framework constituted by grids-spacers and guide tubes rigidly connected to the grids-spacers which are distributed along the length of the fuel assembly.
Pendant le fonctionnement du réacteur nucléaire, il est nécessaire de disposer de moyens pour régler la puissance fournie par le coeur dans lequel se produisent les réactions de fission dégageant de l'énergie sous forme de chaleur. Il est également nécessaire de disposer de moyens pour arrêter le réacteur nucléaire à la fin d'un cycle de fonctionnement ou dans le cas d'un incident nécessitant un arrêt d'urgence. During the operation of the nuclear reactor, it is necessary to have means to regulate the power supplied by the core in which the fission reactions giving off energy in the form of heat take place. It is also necessary to have means to stop the nuclear reactor at the end of an operating cycle or in the event of an incident requiring an emergency stop.
Le réglage de la puissance du coeur et l'arrêt du réacteur sont réalisés à partir d'éléments absorbants les neutrons et en particulier d'éléments absorbants qui peuvent être plus ou moins insérés dans le coeur suivant les conditions de pilotage ou d'arrêt du réacteur nucléaire. The power of the core is adjusted and the reactor is shut down using neutron absorbing elements and in particular absorbing elements which can be more or less inserted into the core depending on the conditions of piloting or stopping the nuclear reactor.
On utilise en particulier des éléments absorbants qui sont réalisés sous la forme de grappes de crayons qui peuvent être introduits et déplacés à l'intérieur des tubes-guides de certains assemblages de combustible. In particular, absorbent elements are used which are produced in the form of rod clusters which can be introduced and displaced inside the guide tubes of certain fuel assemblies.
Les crayons d'une grappe sont reliés, à l'une de leurs extrémités à un support comportant des bras rayonnants et un pommeau de liaison de la grappe à un prolongateur, ce support de grappe étant généralement désigné sous le terme"d'araignée". The rods of a cluster are connected, at one of their ends to a support comprising radiating arms and a knob for connecting the cluster to an extension, this support for the cluster being generally designated by the term "spider" .
Les crayons absorbants des grappes de contrôle et d'arrêt d'un réacteur nucléaire comportent une gaine tubulaire dans laquelle est placé un matériau absorbant. The absorbent rods of the control and shutdown clusters of a nuclear reactor comprise a tubular sheath in which an absorbent material is placed.
Parmi les matériaux absorbants les plus utilisés, figurent le carbure de bore 840 et les alliages ternaires argent, indium, cadmium (AIC). Among the most widely used absorbent materials are boron carbide 840 and ternary silver, indium, cadmium (AIC) alloys.
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Suivant l'utilisation des grappes absorbantes pour la conduite ou l'arrêt du réacteur nucléaire, la constitution des crayons absorbants peut être variable et ces crayons peuvent comporter uniquement des pastilles de 846 ou d'AIC, à la fois des pastilles de B4C et d'AIC, ou encore des pastilles de matériaux fortement absorbants (B4C ou AIC par exemple), et des matériaux absorbants plus faiblement les neutrons. Depending on the use of the absorbent clusters for the operation or shutdown of the nuclear reactor, the constitution of the absorbent rods can be variable and these rods can only contain pellets of 846 or AIC, both pellets of B4C and d 'AIC, or pellets of highly absorbent materials (B4C or AIC for example), and absorbent materials more weakly neutrons.
L'un des objectifs poursuivis lors de la conception des crayons des grappes absorbantes d'un réacteur nucléaire est de prolonger le plus possible la durée de vie des grappes, de manière à diminuer les coûts d'exploitation du réacteur nucléaire. One of the objectives pursued when designing the rods of the absorbent clusters of a nuclear reactor is to extend the life of the clusters as much as possible, so as to reduce the operating costs of the nuclear reactor.
Pour cela, il est nécessaire de limiter le gonflement sous irradiation du matériau absorbant les neutrons et le fluage du matériau dans l'ambiance du réacteur nucléaire, c'est-à-dire à une température de l'ordre de 320OC, sous une charge de quelques MPa. For this, it is necessary to limit the swelling under irradiation of the neutron absorbing material and the creep of the material in the atmosphere of the nuclear reactor, that is to say at a temperature of the order of 320OC, under a load a few MPa.
Dans le cas des alliages ternaires AIC utilisés jusqu'ici de manière habituelle pour constituer des éléments absorbants les neutrons dans le coeur d'un réacteur nucléaire, ces alliages renfermant en masse de 14 à 16 % d'indium et de 4 à 6 % de cadmium, le reste de l'alliage étant constitué par de l'argent, à l'exception d'impuretés inévitables dans une proportion pondérale inférieure à 0,25 %, on a proposé d'améliorer la tenue au fluage en augmentant la taille de grain de l'alliage, dans son état initial, avant son utilisation comme matériau absorbant dans le coeur du réacteur nucléaire. In the case of AIC ternary alloys used hitherto in the usual way to constitute neutron absorbing elements in the core of a nuclear reactor, these alloys containing by mass from 14 to 16% of indium and from 4 to 6% of cadmium, the rest of the alloy being made up of silver, with the exception of unavoidable impurities in a proportion by weight of less than 0.25%, it has been proposed to improve the creep resistance by increasing the size of grain of the alloy, in its initial state, before its use as an absorbent material in the core of the nuclear reactor.
Ce mode d'action sur la tenue au fluage de l'alliage est assez limité. This mode of action on the creep resistance of the alloy is quite limited.
Dans le PCT/FR-95/01356, on a proposé de limiter le gonflement sous irradiation d'un alliage ternaire AIC utilisé comme absorbant dans le coeur d'un réacteur nucléaire, en ajustant la composition de l'alliage ternaire et en particulier en abaissant nettement la teneur en indium, entre 9 et 12 % atomiques. Cet ajustement de la composition n'a cependant pas d'effet notable sur la tenue au fluage. En tenant compte de ces alliages à composition modifiée, les alliages techniques argent, indium, cadmium renferment de manière générale, 10 à 16 % en masse d'indium, 4 à 6 % en masse de cadmium, le reste de l'alliage, à l'exception des impuretés, étant constitué par de l'argent. In PCT / FR-95/01356, it has been proposed to limit the swelling under irradiation of a ternary alloy AIC used as absorbent in the core of a nuclear reactor, by adjusting the composition of the ternary alloy and in particular by significantly lowering the indium content, between 9 and 12 atomic%. This adjustment of the composition, however, has no significant effect on the creep resistance. Taking into account these alloys with modified composition, the technical alloys silver, indium, cadmium generally contain, 10 to 16% by mass of indium, 4 to 6% by mass of cadmium, the rest of the alloy, except for impurities, being made up of silver.
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On connaît des alliages renforcés par une dispersion d'oxydes ou alliages à dispersoïdes par exemple à base de métaux précieux et utilisés pour des applications dans le domaine électrique nécessitant à la fois une bonne conductibilité électrique et une forte dureté, dont les caractéristiques sont améliorées par une fine dispersion d'oxydes dans la matrice de l'alliage, les dispersoïdes ayant généralement une taille de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Alloys reinforced by a dispersion of oxides or dispersoid alloys are known, for example based on precious metals and used for applications in the electrical field requiring both good electrical conductivity and high hardness, the characteristics of which are improved by a fine dispersion of oxides in the matrix of the alloy, the dispersoids generally having a size of the order of a few tens of nanometers.
A haute température, les dispersoïdes d'oxydes limitent la déformation de l'alliage activée thermiquement, par interaction avec les dislocations. At high temperatures, the oxide dispersoids limit the deformation of the thermally activated alloy by interaction with the dislocations.
Bien que cette technique de renforcement des alliages et d'amélioration de la tenue au fluage ait été utilisée dans le cas des alliages à base de métaux précieux, on n'a jamais réussi jusqu'ici à améliorer la tenue au fluage des alliages techniques AIC par des dispersoïdes constitués d'oxydes sous forme de très fines particules. Although this technique of reinforcing alloys and improving creep resistance has been used in the case of alloys based on precious metals, efforts to improve the creep resistance of AIC technical alloys have never been successful so far. by dispersoids made up of oxides in the form of very fine particles.
On a proposé d'utiliser, pour la fabrication par frittage de barres de commande de réacteurs nucléaires en'alliage A ! C, des poudres obtenues par atomisation à l'eau qui peuvent renfermer une certaine proportion d'oxygène. Cependant, la teneur en oxygène est limitée et la taille des particules d'oxyde n'est pas maîtrisée. Le but de l'invention est donc de proposer un alliage à base d'argent à résistance au fluage améliorée, pour la réalisation d'éléments absorbants les neutrons, renfermant en masse de 10 à 16 % d'indium, de 4 à 6 % de cadmium et de 0,003 à 1,25 % d'oxygène et éventuellement jusqu'à 1,5 % d'hafnium, l'oxygène étant présent dans l'alliage sous forme dissoute et sous la forme d'oxydes d'indium et de cadmium et éventuellement d'hafnium, répartis dans la masse de l'alliage sous forme de particules ayant une dimension comprise entre 0,02 et 2 um, le reste de l'alliage, à l'exception d'impuretés inévitables étant constitué par de l'argent. It has been proposed to use, for the sintering manufacture of control rods of nuclear reactors in alloy A! C, powders obtained by atomization with water which can contain a certain proportion of oxygen. However, the oxygen content is limited and the size of the oxide particles is not controlled. The object of the invention is therefore to propose an alloy based on silver with improved creep resistance, for the production of neutron absorbing elements, containing by mass from 10 to 16% of indium, from 4 to 6%. of cadmium and from 0.003 to 1.25% of oxygen and optionally up to 1.5% of hafnium, the oxygen being present in the alloy in dissolved form and in the form of oxides of indium and cadmium and possibly hafnium, distributed in the mass of the alloy in the form of particles having a size of between 0.02 and 2 μm, the rest of the alloy, with the exception of unavoidable impurities being constituted by money.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples, en se référant aux figures jointes en annexe, un élément absorbant les neutrons d'une grappe de commande d'un réacteur nucléaire à eau sous pression et deux modes de réalisation d'un procédé de fabrication de l'élément absorbant, de manière qu'il soit constitué par un alliage AIC renforcé par une dispersion d'oxydes. In order to clearly understand the invention, a description will now be given, by way of example, with reference to the attached figures, of a neutron absorbing element of a control cluster of a pressurized water nuclear reactor and two embodiments of a method of manufacturing the absorbent element, so that it is constituted by an AIC alloy reinforced by a dispersion of oxides.
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La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un assemblage de combustible dans lequel on introduit une grappe de commande constituée par des crayons absorbants. Figure 1 is an exploded perspective view of a fuel assembly into which a control cluster is introduced consisting of absorbent rods.
La figure 2 est une vue en élévation avec coupe axiale partielle d'un crayon absorbant de la grappe représentée sur la figure 1. FIG. 2 is an elevational view with partial axial section of an absorbent pencil of the cluster shown in FIG. 1.
La figure 3 est un schéma montrant les étapes de la fabrication d'un crayon absorbant selon l'invention et selon un premier mode de réalisation. FIG. 3 is a diagram showing the steps for manufacturing an absorbent pencil according to the invention and according to a first embodiment.
La figure 4 est un schéma montrant les étapes de fabrication d'un élément absorbant selon l'invention et selon un second mode de réalisation. FIG. 4 is a diagram showing the steps for manufacturing an absorbent element according to the invention and according to a second embodiment.
Sur la figure 1, on voit un assemblage de combustible désigné de manière générale par le repère 1 qui comporte un faisceau de crayons 2 parallèles entre eux maintenus dans une ossature constituée par des grillesentretoises 3 de maintien transversal des crayons, des tubes-guides 4 se substituant à certains des crayons 2 du faisceau de l'assemblage de combustible et des embouts d'extrémité 5a et 5b. In Figure 1, we see a fuel assembly generally designated by the reference 1 which includes a bundle of rods 2 parallel to each other held in a frame formed by spacer grids 3 for transversely holding the rods, guide tubes 4 are substituting some of the rods 2 of the bundle of the fuel assembly and the end caps 5a and 5b.
Les tubes-guides 4, dont la longueur est supérieure à la longueur des crayons de l'assemblage de combustible, sont fixés à leurs extrémités sur les embouts 5a et 5b, l'embout 5a disposé à la partie supérieure de l'assez blage de combustible dans sa position de service permettant d'assurer le passage des crayons absorbants 7 d'une grappe 6 de commande de la réactivité dans le coeur du réacteur nucléaire. The guide tubes 4, the length of which is greater than the length of the fuel assembly rods, are fixed at their ends to the end pieces 5a and 5b, the end piece 5a disposed at the top of the fairly fuel in its operating position allowing passage of the absorbent rods 7 of a cluster 6 for reactivity control in the core of the nuclear reactor.
L'embout supérieur 5a comporte une plaque adaptatrice 8 comportant des ouvertures traversantes de fixation des tubes-guides 4 de l'assemblage de combustible et des ouvertures de passage d'eau de forme allongée. The upper end piece 5a comprises an adapter plate 8 comprising through openings for fixing the guide tubes 4 of the fuel assembly and water passage openings of elongated shape.
Les crayons absorbants 7 de la grappe de commande 6 sont fixés à un pommeau 6a de la grappe par l'intermédiaire d'une araignée et peuvent être déplacés chacun à l'intérieur d'un tube-guide 4 de l'assemblage de combustible, à travers la plaque adaptatrice 8. The absorbent rods 7 of the control cluster 6 are fixed to a pommel 6a of the cluster via a spider and can each be moved inside a guide tube 4 of the fuel assembly, through the adapter plate 8.
Comme il est visible sur la figure 2, chacun des crayons absorbants 7 comporte une enveloppe tubulaire 7a fermée à ses extrémités par des bouchons 9a et 9b et renfermant une colonne de matériau absorbant les neutrons 10 qui peut être constituée par exemple par un ou plusieurs barreaux en alliage argent-indium-cadmium. As can be seen in FIG. 2, each of the absorbent rods 7 comprises a tubular envelope 7a closed at its ends by plugs 9a and 9b and enclosing a column of neutron absorbing material 10 which can be constituted for example by one or more bars silver-indium-cadmium alloy.
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Le barreau 10 en alliage argent-indium-cadmium est en appui à son extrémité inférieure sur le bouchon inférieur 9b du crayon absorbant 7 et maintenu par un ressort hélicoïdal 11 intercalé entre le bouchon supérieur 9a et l'extrémité supérieure du barreau 10. The bar 10 made of silver-indium-cadmium alloy bears at its lower end on the lower plug 9b of the absorbent rod 7 and is held by a helical spring 11 interposed between the upper plug 9a and the upper end of the bar 10.
Le bouchon supérieur 9a du crayon 7 permet de fixer le crayon sur l'araignée de la grappe de commande 6. The upper plug 9a of the pencil 7 makes it possible to fix the pencil on the spider of the control cluster 6.
Le barreau de matériau absorbant 10 peut être réalisé suivant l'invention en un alliage à base d'argent renforcé par des particules d'oxydes. The bar of absorbent material 10 can be made according to the invention in a silver-based alloy reinforced with oxide particles.
L'alliage argent-indium-cadmium utilisé pour la fabrication de crayons absorbants de grappes de commande ou AIC industriel contient habituellement en masse, 79,7 % d'argent, 15,14 % d'indium, 5,16 % de cadmium et 30 ppm d'oxygène au maximum. Avant son utilisation comme absorbant, en fin de fabrication, il présente une taille de grains d'indice ASTM 7, soit environ 30 um. The silver-indium-cadmium alloy used for the manufacture of control cluster absorbent pencils or industrial AIC usually contains by mass, 79.7% silver, 15.14% indium, 5.16% cadmium and 30 ppm oxygen maximum. Before its use as an absorbent, at the end of manufacture, it has a grain size with an ASTM 7 index, ie approximately 30 μm.
Pour des températures entre 300 et 350OC et des contraintes de quelques MPa, le comportement à la plasticité de l'AIC industriel peut être à la fois régi par le mécanisme HARPËR-DORN et les dislocations de la classe 1. La taille du grain n'a pratiquement pas d'influence sur ces mécanismes. For temperatures between 300 and 350OC and constraints of a few MPa, the behavior of plasticity of industrial AIC can be both governed by the HARPËR-DORN mechanism and class 1 dislocations. The grain size n ' has practically no influence on these mechanisms.
L'augmentation de la taille du grain du matériau ne serait donc pas une solution efficace pour renforcer sa tenue au fluage. Increasing the grain size of the material would therefore not be an effective solution to reinforce its resistance to creep.
De manière générale, l'AIC industriel renferme en masse, 80 0, 5 % d'argent, 15 0, 25 % d'indium, 5 0, 25 % de cadmium et une teneur en impuretés totale inférieure à 2500 ppm, les teneurs résiduelles de Pb et Bi étant toutes deux inférieures à 300 ppm. In general, the industrial AIC contains, by mass, 80 0.5% of silver, 15 0.25% of indium, 5 0.25% of cadmium and a total impurity content of less than 2500 ppm, the contents residuals of Pb and Bi are both less than 300 ppm.
Toutefois, les inventeurs ont pu déterminer qu'une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1 % en masse pouvait être acceptée dans l'alliage, tout en gardant des caractéristiques satisfaisantes d'absorption des neutrons. However, the inventors have been able to determine that an oxygen content of less than or equal to 1% by mass could be accepted in the alloy, while retaining satisfactory neutron absorption characteristics.
Le procédé habituel de fabrication des barreaux en AIC industriel pour obtenir des crayons absorbants sera décrit ci-après. The usual method of manufacturing bars in industrial AIC to obtain absorbent rods will be described below.
On réalise par coulée une billette présentant la composition de l'alliage AIC industriel. On réalise ensuite l'usinage au tour de la billette puis son extrusion en filage inverse non lubrifié dans une presse. On obtient un fil A billet is produced with the composition of the industrial AIC alloy. Machining is then carried out around the billet and then extruded by non-lubricated reverse spinning in a press. We get a thread
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qui est tréfilé, éventuellement écroûté puis étiré avant d'être découpé en barreaux et recuit. Les barreaux sont redressés puis contrôlés. which is drawn, possibly peeled and then stretched before being cut into bars and annealed. The bars are straightened and then checked.
En modifiant les conditions du recuit final des barreaux, on peut obtenir un AIC industriel à gros grains dont la taille des grains est comprise entre 350 et 500 um, au lieu de 30 um dans le cas de l'AIC industriel à petits grains. By modifying the conditions of the final annealing of the bars, it is possible to obtain a large grain industrial AIC whose grain size is between 350 and 500 μm, instead of 30 μm in the case of the small grain industrial AIC.
Il n'a pas été possible d'obtenir une amélioration notable de la tenue au fluage par le grossissement des grains de l'AIC. It was not possible to obtain a significant improvement in the creep resistance by the enlargement of the grains of the AIC.
Selon l'invention, on obtient une augmentation de la tenue au fluage d'un alliage de type AIC par une dispersion d'oxydes à l'intérieur de l'alliage. According to the invention, an increase in the creep resistance of an AIC type alloy is obtained by a dispersion of oxides inside the alloy.
L'élaboration de barreaux en alliage AIC renfermant une dispersion d'oxydes peut être réalisée de deux manières différentes qui seront décrites ci-après. The production of AIC alloy bars containing an oxide dispersion can be carried out in two different ways which will be described below.
Les travaux relatifs aux alliages AIC renfermant une dispersion d'oxydes ont été effectués avec le concours du Laboratoire de l'Ecole des Mines de Paris (Armines). The work relating to AIC alloys containing an oxide dispersion was carried out with the assistance of the Laboratory of the Ecole des Mines de Paris (Armines).
Premier procédé d'élaboration
Le premier procédé d'élaboration est représenté de manière schématique sur la figure 3. Le produit de départ est une poudre d'AIC obtenue par atomisation à l'eau d'un métal liquide présentant la composition habituelle d'un AIC industriel, c'est-à-dire en masse 80 0, 5 % d'argent, 15 0, 25 % d'indium et 5 0, 25 % de cadmium, avec un taux d'impuretés inférieur à 2500 ppm, dont moins de 300 ppm de plomb et moins de 300 ppm de bismuth. La poudre 12 obtenue par atomisation à l'eau est ensuite compactée sous forme d'une billette 13 puis frittée. La billette frittée 13 est soumise à un préchauffage sous air ou sous argon puis extrudée sous la forme d'un barreau 14. First production process
The first production process is shown diagrammatically in FIG. 3. The starting product is an AIC powder obtained by atomization with water of a liquid metal having the usual composition of an industrial AIC, ie that is to say by mass 80 0.5% silver, 15 0.25% indium and 5.05% cadmium, with an impurity level of less than 2500 ppm, of which less than 300 ppm lead and less than 300 ppm bismuth. The powder 12 obtained by atomization with water is then compacted in the form of a billet 13 and then sintered. The sintered billet 13 is subjected to preheating in air or in argon and then extruded in the form of a bar 14.
Pour réaliser la compaction de la poudre pour obtenir la billette 13, la poudre 12 est placée à l'intérieur d'une gaine en latex qui est fermée par un bouchon. Après un dégazage d'une heure sous vide primaire, l'ensemble est soumis à une pression de 2000 ou de 3000 bars pendant 7 secondes. On obtient la billette compactée 13 après enlèvement de la gaine. To carry out the compaction of the powder to obtain the billet 13, the powder 12 is placed inside a latex sheath which is closed by a plug. After degassing for one hour under primary vacuum, the assembly is subjected to a pressure of 2000 or 3000 bars for 7 seconds. The compacted billet 13 is obtained after removal of the sheath.
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Le frittage de la billette 13 est réalisé à environ 700OC sous azote pendant une durée d'environ une heure. The sintering of the billet 13 is carried out at approximately 700 ° C. under nitrogen for a period of approximately one hour.
Les barres sont préchauffées pendant environ 20 ou 40 minutes à environ 700OC dans un four à moufle sous air ou sous argon. L'extrusion est réalisée en filage direct dans une presse dont les outillages sont à 500OC. The bars are preheated for about 20 or 40 minutes to about 700OC in an air or argon muffle oven. The extrusion is carried out by direct spinning in a press whose tools are at 500OC.
Les barreaux sont obtenus à leur diamètre final, de l'ordre de 8 mm, sous une longueur qui peut être celle du barreau absorbant dont on réalise la fabrication ou un sous-multiple de cette longueur. The bars are obtained at their final diameter, of the order of 8 mm, under a length which can be that of the absorbent bar which is produced or a submultiple of this length.
L'analyse du métal du barreau 4 obtenu à l'issue de la dernière phase du procédé a montré que la teneur totale du barreau en oxygène est d'environ 0,1 % en masse, cette teneur dépendant en particulier du préchauffage effectué avant l'extrusion, un préchauffage sous air entraînant une augmentation de la teneur en oxygène des barreaux. Analysis of the metal of the bar 4 obtained at the end of the last phase of the process has shown that the total oxygen content of the bar is approximately 0.1% by mass, this content depending in particular on the preheating carried out before l extrusion, preheating in air resulting in an increase in the oxygen content of the bars.
Une partie de l'oxygène contenu dans le barreau a été absorbée par la poudre, au moment de l'atomisation à l'eau et une autre partie de l'oxy- gène a été absorbée éventuellement pendant le préchauffage de la billette avant extrusion, en atmosphère oxydante. Part of the oxygen contained in the rod was absorbed by the powder, at the time of atomization with water and another part of the oxygen was possibly absorbed during the preheating of the billet before extrusion, in an oxidizing atmosphere.
Une étude métallurgique a montré que les oxydes formés dans l'alliage sont principalement des oxydes d'indium, dans une plus faible mesure, des oxydes de cadmium. Les oxydes sont généralement sous forme de particules plutôt que de plaquettes ou aiguilles ce qui est plus favorable pour l'amélioration de la tenue au frittage. A metallurgical study has shown that the oxides formed in the alloy are mainly indium oxides, to a lesser extent, cadmium oxides. The oxides are generally in the form of particles rather than platelets or needles, which is more favorable for improving the resistance to sintering.
Ces observations sont conformes avec le fait que l'enthalpie libre de formation de l'oxyde d'indium In203 à la température d'élaboration est négative et sensiblement plus faible que l'enthalpie libre de formation de l'oxyde de cadmium CdO qui est également négative. L'enthalpie libre de formation de l'oxyde d'argent Ag20 est positive à la température d'élaboration. These observations are consistent with the fact that the free enthalpy of formation of indium oxide In203 at the production temperature is negative and significantly lower than the free enthalpy of formation of cadmium oxide CdO which is also negative. The free enthalpy of formation of silver oxide Ag20 is positive at the production temperature.
Les oxydes ont en majorité des diamètres compris entre 250 nm et 2 um. Les particules d'oxydes sont disposées en majorité au voisinage des joints de grains. The majority of the oxides have diameters between 250 nm and 2 μm. The majority of the oxide particles are located in the vicinity of the grain boundaries.
Des essais en traction ont montré un renforcement de l'AIC fabriqué par le procédé selon l'invention par rapport à un AIC industriel classique. Ce renforcement en traction est sans doute dû à un effet de blocage de la taille Tensile tests have shown a reinforcement of the AIC produced by the process according to the invention compared to a conventional industrial AIC. This strengthening in traction is probably due to a blocking effect on the waist
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des grains par les oxydes, le matériau préparé par le procédé suivant l'invention ayant une taille de grains de l'ordre de 10 um, contre une taille de grains de 30 um pour l'AIC industriel classique. Des essais de fluage ont été effectués sur des barreaux préparés par le procédé suivant l'invention renfermant à peu près 0,1 % en poids d'oxygène, certains des barreaux ayant été obtenus par extrusion après un préchauffage sous air et d'autres barreaux ayant été extrudés après un préchauffage sous argon. grains by oxides, the material prepared by the process according to the invention having a grain size of the order of 10 μm, against a grain size of 30 μm for conventional industrial AIC. Creep tests were carried out on bars prepared by the process according to the invention containing approximately 0.1% by weight of oxygen, some of the bars having been obtained by extrusion after preheating in air and other bars having been extruded after preheating under argon.
De manière comparative, des essais de fluage sont réalisés sur un AIC industriel classique. Comparatively, creep tests are carried out on a conventional industrial AIC.
Les essais de fluage en compression sont réalisés à 350OC sous une charge de 7,5 MPa. Compression creep tests are carried out at 350OC under a load of 7.5 MPa.
La durée de vie des barreaux obtenus, selon le procédé de l'invention, est en moyenne trente fois plus élevée que la durée de vie des barreaux en AIC industriel classique. The lifetime of the bars obtained, according to the method of the invention, is on average thirty times higher than the lifetime of the bars in conventional industrial AIC.
Il est à remarquer que les conditions de l'essai de fluage sont plus sévères que les conditions de fluage en compression dans le réacteur en service. It should be noted that the conditions of the creep test are more severe than the conditions of creep in compression in the reactor in service.
Il s'est avéré que le premier procédé d'élaboration de barreaux en AIC oxydés intérieurement suivant l'invention ne permettait pas de garantir une teneur en oxygène suffisante et des propriétés parfaitement déterminées. It turned out that the first process for the production of internally oxidized AIC bars according to the invention did not guarantee a sufficient oxygen content and perfectly determined properties.
Le procédé ne permet pas d'optimiser la répartition des oxydes à l'intérieur de l'alliage et en particulier d'obtenir des oxydes fins pouvant conduire à une augmentation très importante de la tenue au fluage en compression. The method does not make it possible to optimize the distribution of the oxides inside the alloy and in particular to obtain fine oxides which can lead to a very significant increase in the creep resistance in compression.
Second procédé d'élaboration
On a donc utilisé un second procédé dans lequel on effectue une oxydation contrôlée de l'AIC. Second production process
A second method was therefore used in which a controlled oxidation of the AIC is carried out.
On a dû déterminer dans un premier temps s'il était préférable d'obtenir une oxydation contrôlée sur un matériau à l'état massif ou sur une poudre. Le principal avantage de l'oxydation interne réalisée sur une poudre est que les durées d'oxydation sont réduites par rapport à une oxydation réalisée sur un alliage massif du fait d'une surface spécifique beaucoup plus importante. We first had to determine whether it was preferable to obtain a controlled oxidation on a solid material or on a powder. The main advantage of the internal oxidation carried out on a powder is that the oxidation times are reduced compared to an oxidation carried out on a solid alloy due to a much larger specific surface.
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En outre, la dispersion d'oxydes formés est plus fine et plus homogène dans le matériau consolidé obtenu à partir de la poudre. On peut en particulier éviter une morphologie en aiguilles des oxydes. In addition, the dispersion of oxides formed is finer and more homogeneous in the consolidated material obtained from the powder. One can in particular avoid a needle morphology of the oxides.
On utilise une poudre atomisée par de l'eau qui peut être identique à la poudre utilisée dans le cas du premier mode d'élaboration d'un produit selon l'invention. A powder atomized with water is used which can be identical to the powder used in the case of the first method of producing a product according to the invention.
Une composition typique de la poudre est la suivante : argent 79,47 %, indium 14,98 % et cadmium 5,27 % (en masse). Le solde de l'alliage est constitué par de l'oxygène et des impuretés. A typical composition of the powder is as follows: silver 79.47%, indium 14.98% and cadmium 5.27% (by mass). The balance of the alloy consists of oxygen and impurities.
De préférence, on réalise une oxydation contrôlée de la poudre d'AIC, à l'intérieur d'un autoclave, en atmosphère d'oxygène pur. Preferably, a controlled oxidation of the AIC powder is carried out, inside an autoclave, in an atmosphere of pure oxygen.
On réalise l'oxydation interne de la poudre, de manière que la proportion d'oxygène dans la poudre ne soit pas supérieure à 1 % en masse et soit de préférence de l'ordre de 0,8 % en masse. The internal oxidation of the powder is carried out so that the proportion of oxygen in the powder is not more than 1% by mass and is preferably of the order of 0.8% by mass.
L'oxydation est réalisée de préférence à une température d'environ 400OC sous une pression d'oxygène pur de 2 bars et pendant une durée de 90 minutes. The oxidation is preferably carried out at a temperature of approximately 400 ° C. under a pressure of pure oxygen of 2 bars and for a period of 90 minutes.
Bien entendu, la durée d'oxydation dépend des caractéristiques de l'enceinte autoclave et de la répartition de la poudre à l'intérieur de l'enceinte. Of course, the duration of oxidation depends on the characteristics of the autoclave enclosure and on the distribution of the powder inside the enclosure.
Après oxydation interne, les différents échantillons de poudre qui ont été traités présentent une teneur en oxygène qui est comprise entre 0,8 et 1,05 % en masse. After internal oxidation, the various powder samples which have been treated have an oxygen content which is between 0.8 and 1.05% by mass.
On a réalisé d'autres opérations d'oxydation d'échantillons de poudre en autoclave à environ 400OC, avec des durées de traitement et des pressions d'oxygène dans l'enceinte d'autoclave différentes de celles qui ont été indiquées plus haut. Other operations for the oxidation of powder samples were carried out in an autoclave at approximately 400 ° C., with treatment times and oxygen pressures in the autoclave enclosure different from those indicated above.
De manière générale, on peut réaliser l'oxydation de la poudre à la température d'environ 400OC à une pression d'oxygène comprise entre 1 et 10 bars. In general, the powder can be oxidized at the temperature of about 400 ° C. at an oxygen pressure of between 1 and 10 bars.
On a par exemple réalisé des oxydations sous une pression d'oxygène de 10 bars pendant 80 minutes et sous une pression d'oxygène de 2 bars pendant 4 heures 35. For example, oxidation was carried out under an oxygen pressure of 10 bars for 80 minutes and under an oxygen pressure of 2 bars for 4 hours 35.
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Les poudres sont recouvertes d'un film de très faible épaisseur d'oxyde d'indium et sont oxydées intérieurement. The powders are covered with a very thin film of indium oxide and are internally oxidized.
Les particules de poudre renferment à la fois des oxydes et de l'oxygène sous forme dissoute dans une proportion supérieure à la proportion d'oxygène dissous dans l'AIC industriel (30 ppm). The powder particles contain both oxides and oxygen in dissolved form in a proportion greater than the proportion of dissolved oxygen in industrial AIC (30 ppm).
On a réalisé des barreaux à partir des poudres oxydées de manière contrôlée selon le procédé schématisé sur la figure 4. Bars were produced from the oxidized powders in a controlled manner according to the process shown diagrammatically in FIG. 4.
La poudre 15 oxydée de manière contrôlée est introduite dans un conteneur de cuivre 16 de forme cylindrique fermé par un fond. The powder 15, oxidized in a controlled manner, is introduced into a copper container 16 of cylindrical shape closed by a bottom.
On réalise la mise sous vide de la poudre à l'intérieur du conteneur qui est fermé par un bouchon 17 soudé par bombardement électronique dans une enceinte sous vide. The powder is placed under vacuum inside the container which is closed by a plug 17 welded by electronic bombardment in a vacuum enclosure.
On réalise ensuite un préchauffage pendant environ deux heures, à environ 400OC sous argon, du conteneur renfermant la poudre. A preheating is then carried out for approximately two hours, at approximately 400 ° C. under argon, of the container containing the powder.
On réalise ensuite l'extrusion du conteneur à une vitesse d'un mètre par seconde dans une filière ayant un'diamètre de 12 mm. The container is then extruded at a speed of one meter per second in a die having a 12 mm diameter.
Le diamètre utile du barreau obtenu 18 est voisin de 8 mm. The useful diameter of the bar obtained 18 is close to 8 mm.
On peut séparer le barreau de sa gaine de cuivre par écroûtage et usinage. The bar can be separated from its copper sheath by peeling and machining.
On effectue différents examens métallographiques sur le matériau des barreaux extrudés. Various metallographic examinations are carried out on the material of the extruded bars.
Suivant les échantillons, les particules d'oxyde à l'intérieur des barreaux qui sont réparties de manière homogène dans la section transversale et suivant la direction longitudinale du barreau ont une taille comprise entre 20 et 300 nm. Quelques particules d'oxyde ont une taille supérieure pouvant aller jusqu'à 600 nm. Depending on the samples, the oxide particles inside the bars which are distributed homogeneously in the cross section and in the longitudinal direction of the bar have a size of between 20 and 300 nm. Some oxide particles have a larger size of up to 600 nm.
Les oxydes sont principalement des oxydes d'indium In203 et quelques rares oxydes de cadmium. The oxides are mainly indium oxides In203 and some rare cadmium oxides.
On a effectué sur les barreaux des essais de traction à des températures de 300OC et 350OC jusqu'à la rupture des barreaux (pour une déformation de 6 % environ). Tensile tests were carried out on the bars at temperatures of 300 ° C. and 350 ° C. until the bars broke (for a deformation of approximately 6%).
A 300OC, la limite élastique à 0,2 % du matériau des barreaux est de l'ordre de 97 MPa, la contrainte d'écoulement étant de 100 MPa. At 300OC, the elastic limit at 0.2% of the material of the bars is of the order of 97 MPa, the flow stress being 100 MPa.
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A 350OC, les mêmes paramètres ont des valeurs correspondantes de 68 et 70 MPa. At 350OC, the same parameters have corresponding values of 68 and 70 MPa.
Des essais comparatifs avec des barreaux d'AIC industriel et avec des barreaux préparés selon le premier et le second modes de réalisation montrent que la contrainte d'écoulement des barreaux obtenus par le second mode d'élaboration est sensiblement plus élevée que la contrainte d'écoulement correspondante des barreaux obtenus par le premier mode de réalisation qui est elle-même plus élevée que la contrainte d'écoulement des barreaux d'AIC industriel. Comparative tests with industrial AIC bars and with bars prepared according to the first and second embodiments show that the flow stress of the bars obtained by the second embodiment is significantly higher than the stress of corresponding flow of the bars obtained by the first embodiment which is itself higher than the flow stress of the industrial AIC bars.
Cette élévation de la contrainte d'écoulement peut être attribuée à la présence des particules d'oxydes qui sont plus efficaces que dans le cas du premier mode de réalisation, du fait qu'elles sont plus petites et plus nombreuses. This increase in the flow stress can be attributed to the presence of the oxide particles which are more effective than in the case of the first embodiment, because they are smaller and more numerous.
On a effectué des essais de fluage en traction et en compression à 350OC sur des éprouvettes prélevées dans les barreaux. Creep tests in tension and compression at 350OC were carried out on test specimens taken from the bars.
Des essais comparatifs sont effectués sur des barreaux d'AIC préparés par le procédé selon le premier et le second modes de réalisation et d'AIC industriel à petits grains. Comparative tests are carried out on AIC bars prepared by the method according to the first and second embodiments and of small grain industrial AIC.
On a pu montrer que le matériau des barreaux d'AIC préparés selon le second mode d'élaboration se déforme beaucoup moins vite que l'AIC industriel à petits grains et que l'AIC préparé par le premier mode d'élaboration. It has been shown that the material of the AIC bars prepared according to the second production method deforms much less quickly than the industrial small grain AIC and that the AIC prepared by the first production method.
L'AIC préparé par le second mode d'élaboration ne se déforme pas en fluage à 350oC sous une contrainte de 10 MPa alors que l'AIC industriel à petits grains et l'AIC préparé par le procédé selon le premier mode de réalisation se déforment de manière sensible pour une contrainte de 7,5 MPa. The AIC prepared by the second production method does not deform in creep at 350oC under a stress of 10 MPa while the industrial small grain AIC and the AIC prepared by the process according to the first embodiment are deformed sensibly for a stress of 7.5 MPa.
De plus, l'AIC préparé par le procédé du seconde mode d'élaboration se renforce par écrouissage. In addition, the AIC prepared by the process of the second production method is reinforced by work hardening.
On a effectué des essais pour déterminer la durée de vie d'échantillons tirés des barreaux d'AIC préparés par le procédé selon le second mode d'élaboration, de manière comparative avec des barreaux d'AIC préparés par le procédé selon le premier mode de réalisation et d'AIC industriel. Tests were carried out to determine the lifetime of samples drawn from the AIC bars prepared by the method according to the second mode of production, in comparison with AIC bars prepared by the method according to the first mode of production. production and industrial AIC.
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Le gain en durée de vie obtenu avec l'AIC élaboré par le procédé du second mode d'élaboration augmente lorsque la contrainte diminue. Pour une contrainte de 10 MPa à 350 , la durée de vie est multipliée par 2250 par rapport à l'AIC industriel et par 4800 par rapport à l'AIC préparé par le procédé selon le premier mode de réalisation. Ce facteur est encore plus important pour des contraintes inférieures à 10 MPa. The gain in lifespan obtained with the AIC developed by the method of the second production mode increases when the stress decreases. For a constraint of 10 MPa at 350, the lifetime is multiplied by 2250 compared to the industrial AIC and by 4800 compared to the AIC prepared by the method according to the first embodiment. This factor is even more important for stresses lower than 10 MPa.
Le gain en durée de vie à 350OC sous une contrainte de 7,5 MPa est de 30 pour ce qui est de l'AIC préparé par le procédé du premier mode d'élaboration comparativement à l'AIC industriel. The gain in service life at 350OC under a constraint of 7.5 MPa is 30 with respect to the AIC prepared by the method of the first production method compared to the industrial AIC.
Dans tous les cas, ce gain est d'au moins 2000 sous une contrainte de 10 MPa, lorsqu'on compare l'AIC préparé par le procédé du second mode de réalisation et l'AIC industriel. In all cases, this gain is at least 2000 under a constraint of 10 MPa, when comparing the AIC prepared by the method of the second embodiment and the industrial AIC.
Une dispersion d'oxyde d'indium et en plus faible proportion de cadmium dans l'alliage AIC permet donc d'améliorer sensiblement la tenue au fluage de l'alliage. A dispersion of indium oxide and in a lower proportion of cadmium in the AIC alloy therefore makes it possible to significantly improve the creep resistance of the alloy.
Il est possible également de réaliser des alliages renforcés par une dispersion d'oxydes renfermant, en plus de l'argent, de l'indium et du cadmium, une proportion d'hafnium pouvant aller jusqu'à 1 % atomique soit 1,5 % en masse. It is also possible to produce alloys reinforced by a dispersion of oxides containing, in addition to silver, indium and cadmium, a proportion of hafnium which can range up to 1 atomic% or 1.5%. en masse.
Lors de l'oxydation interne de la poudre préalliée argent-indiumcadmium-hafnium, on réalise une oxydation interne de l'hafnium, du fait que l'enthalpie libre standard de formation de l'oxyde d'hafnium est plus négative que celles des oxydes d'indium, de cadmium et d'argent. L'oxydation à coeur des particules de poudre renfermant de l'hafnium est alors possible, sans dépasser une proportion d'oxygène de l'ordre d'1 % en masse. On peut alors obtenir une dispersion d'oxyde d'hafnium plus homogène et plus fine, grâce à l'addition d'hafnium. During the internal oxidation of the pre-alloyed silver-indiumcadmium-hafnium powder, an internal oxidation of hafnium is carried out, because the standard free enthalpy of formation of hafnium oxide is more negative than that of the oxides indium, cadmium and silver. Oxidation at the heart of powder particles containing hafnium is then possible, without exceeding a proportion of oxygen of the order of 1% by mass. One can then obtain a more homogeneous and finer dispersion of hafnium oxide, thanks to the addition of hafnium.
L'invention ne se limite pas strictement aux modes de réalisation qui ont été décrits. The invention is not strictly limited to the embodiments which have been described.
C'est ainsi que la composition de base de l'alliage en argent, indium et cadmium peut être différente de celles qui ont été décrites dans les exemples, les différentes teneurs en éléments d'addition étant données par les intervalles de la revendication 1. Thus, the basic composition of the silver, indium and cadmium alloy may be different from those which have been described in the examples, the different contents of additives being given by the intervals of claim 1.
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Les procédés pour préparer des produits tels que des barreaux en alliage renforcé par des oxydes peuvent être différents des procédés décrits. The methods for preparing products such as bars of alloy reinforced with oxides can be different from the methods described.
De manière générale, l'invention s'applique dans le cas de la réalisation de nombreux éléments absorbants les neutrons utilisables dans les réacteurs nucléaires ou dans les piscines de stockage de combustible, par exemple des plaques de garnissage de râteliers de stockage. In general, the invention applies in the case of the production of numerous neutron absorbing elements which can be used in nuclear reactors or in fuel storage pools, for example lining plates for storage racks.
Claims (7)
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