WO2013087869A1 - Procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible - Google Patents

Procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible Download PDF

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sheath
plug
longitudinal axis
welding
chamfer
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Arnaud Monnier
Fabien Corpace
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    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/06—Casings; Jackets
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K11/093—Seam welding not restricted to one of the preceding subgroups for curved planar seams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention generally relates to the welding of plugs on nuclear fuel rod sleeves.
  • the fuel rods are metal tubes (called sheaths) adapted to receive fuel pellets, such as pellets of uranium dioxide (UO 2 ), and sealed by welding at their free ends by metal plugs.
  • fuel pellets such as pellets of uranium dioxide (UO 2 )
  • the sheath constituting a barrier for confining the radioactive product.
  • This degradation may be a consequence of compactness defects which result in a sliding of the sheath along the plug so that it is pushed outwards.
  • Another type of defect is related to the implementation of new materials, such as reinforced metal alloys, especially metal alloys of the ODS type (acronym for Oxide Dispersion Strengthened, for enhanced by dispersion of oxide). These are the metallurgical defects occurring during welding in the areas adjacent to the interface of the parts to be welded, as a result of a change in the dispersion of the reinforcements in the metal matrix. The distribution of the nano-reinforcements is then no longer similar to that of the initial metal alloy, and heterogeneities of microstructure appear.
  • the method therefore also comprises a step of machining the welded parts in order to deburr the beads, then a heat treatment of the assembly to reduce the internal stresses to the weld and allow the martensitic transformation after welding to relax the material and restore its initial hardness. This process is therefore complex to implement and requires several steps downstream of the welding.
  • An object of the invention is therefore to propose a method of resistance welding a plug on a fuel rod sheath, making it possible to reduce welding defects such as compactness defects or the metallurgical defects mentioned above. above, which is simple to implement and adapt to ducts regardless of their size, which is robust and low cost in comparison with the usual processes.
  • the invention proposes a method of resistance welding a plug on a sheath of a fuel rod, the plug and the sheath having a main direction extending along a longitudinal axis,
  • a chamfer is made at an angle of between 10 ° and 30 ° with respect to the longitudinal axis on each of said contact surfaces.
  • a chamfer is made at an angle of between 15 ° and 25 ° with respect to the longitudinal axis;
  • a chamfer is made at an angle (a) of between 19 ° and 21 ° relative to the longitudinal axis, preferably 20 °;
  • the invention also proposes an assembly formed of a sheath and a plug of a fuel rod having a main direction extending along a longitudinal axis, characterized in that the contact surface of the sheath and plug has a chamfer at an angle between 10 ° and 30 ° with respect to the longitudinal axis.
  • An outer diameter of the plug is substantially equal to an outer diameter of the sheath
  • the chamfer is at an angle of between 15 ° and 25 ° with respect to the longitudinal axis, preferably of the order of 20 °;
  • the plug and the sheath are made in a reinforced metal alloy
  • the plug and the sheath are made of a metal alloy chosen from the following group: oxide-dispersion-reinforced metal alloy, austenitic stainless steel, zirconium alloy;
  • the sheath has a thickness of between 0.3 mm and 0.5 mm;
  • the plug is welded to the sheath at their respective chamfers.
  • the invention proposes the use of such an assembly in a light water reactor or a fast neutron reactor with sodium coolant.
  • Figure 1 shows a sectional view of a portion of an embodiment of a fuel rod according to the invention, prior to welding the plug on the sheath;
  • FIG. 2 is a flowchart showing various steps of an exemplary embodiment of the welding method according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 an exemplary embodiment of a method for solid phase resistance welding of a plug 10 on a metal alloy sheath 20 of a fuel rod 1 will be described.
  • an electric current is imposed through the workpieces (ie the sheath and the plug) via electrodes surrounding the parts, and the parts are brought into contact at the areas to be welded together. Pressure is then applied to the parts, for example using a jack, for a determined period of time until the parts are welded.
  • the sheath 10 is a metal alloy tube having a main direction extending along a longitudinal axis X. Its thickness e is generally between 0.3 and 0.7 mm, its internal diameter D is between 6.6 mm and 10.4 mm, so that its outer diameter D e is between 8 mm and 1 1 mm, and its length of the order of 3 to 4 m.
  • the sheath has for example a thickness of between 0.3 mm and 0.5 mm and an internal diameter D of the order of 9.5 mm.
  • the sheath 20 is made of a metal alloy, preferably reinforced, for example by oxidation of O DS (for Oxide D ispersion Strenghtened in English).
  • the sheath 20 may also be made of an unreinforced metal alloy of the austenitic stainless steel or zirconium alloy type.
  • the cap 10 meanwhile has a generally cylindrical shape of revolution. It is also made of the same metal alloy as the sheath 20.
  • the geometry of the plug 10 and the sheath 20 are adapted prior to their welding. For this, a chamfer 15, 25 is made on each of the contact surfaces.
  • the angle ⁇ of the chamfer 15, 25 is large enough that the plug 10 and the sheath 20 are concentric with the longitudinal axis X when welding, which can be difficult when their constituent material becomes pasty.
  • the angle has chamfers 15, 25 is therefore preferably between 10 ° and 30 °.
  • the angle has chamfers 15, 25 is between 15 ° and 25 °, preferably between 19 ° and 21 °, for example 20 °, the flaring of the sheath 20 and its sliding relative to the plug 10 at their contact interface is limited.
  • the mechanical stresses on the contact surfaces are in an intermediate state, that is to say relatively balanced, the shearing contra nt on the contact surfaces being included between 20% and 50% of the normal stress on these same surfaces.
  • the geometric adaptation of the sheath 20 and the plug 10 prior to welding is simple and can be achieved regardless of the dimensions of the parts. Nevertheless, the standard deviation of the temperatures (and thus their homogeneity) along the interface strongly depends on the thickness of the sheath 20, a higher metallurgical quality and a better robustness of the process are obtained with sheaths 20 having a thickness of 0.3 mm and 0.5 mm.
  • the welding process with geometric adaptation is easy to implement and low cost, insofar as it does not require significant operations before or after welding, apart from making chamfers on the pieces. It is also robust in the case of parts of different sizes or different welded material.
  • this chamfer angle 15, 25 makes it possible to use a plug 10 whose external diameter D e is substantially equal to the external diameter D e of the sheath 20.
  • the plug 20 and the sheath 10 can Coaxially welded with precision without requiring additional step of machining the assembly once the weld is completed, so that the implementation of a plug 20 with an outer diameter larger than the outer diameter D e sheath 10 is no longer necessary.
  • the chamfers 15, 25 of the sheath 20 and the cap 10 may be made on conventional sheaths and plugs, for example by turning or milling, or directly during the manufacture of the parts, especially during molding. Furthermore, it can be performed prior to welding, the parts are then stored while waiting for their welding, or on site directly.
  • the assembly 1 formed by the plug 10 welded on the sheath 20 is of good metallurgical quality at the welding interface and has few defects, whether the metal alloy is reinforced or not. It can in particular be used in the context of fuel rods 1 for light water reactors (REL) or fast neutron reactors with sodium heat transfer (RNR-Na). Fuel pellets, such as uranium dioxide (UO 2 ) pellets, are then stacked in the sheaths prior to their closure by resistance welding with prior geometric adaptation.
  • REL light water reactors
  • RNR-Na fast neutron reactors with sodium heat transfer

Abstract

L'invention concerne un procédé de soudage par résistance d'un bouchon (10) sur une gaine (20) d'un crayon de combustible (1), le bouchon (20) et la gaine (10) présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal (X), caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'adaptation géométrique des surfaces de contact entre le bouchon et la gaine, au cours de laquelle on réalise un chanfrein (15, 25) d'un angle (α) compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe longitudinal (X) sur chacune desdites surfaces de contact.

Description

Procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible
L'invention concerne de manière générale le soudage de bouchons sur des gaines de crayons de combustible nucléaire.
Les crayons de combustible sont des tubes métalliques (appelées gaines) adaptés pour recevoir des pastilles de combustible, telles que des pastilles de dioxyde d'uranium (UO2), et bouchés par soudage au niveau de leurs extrémités libres par des bouchons métalliques.
Lors du soudage, il est important de ne pas dégrader l'intégrité du crayon de combustible pour des questions de sûreté, la gaine constituant une barrière de confinement du produit radioactif.
Cette dégradation peut être une conséquence de défauts de compacité qui se traduisent par un glissement de la gaine le long du bouchon de sorte qu'elle se trouve poussée vers l'extérieur. Un autre type de défaut est lié à la mise en œuvre de nouveaux matériaux, tels que des alliages métalliques renforcés, notamment des alliages métallique du type ODS (acronyme de Oxide Dispersion Strengthened, pour renforcé par dispersion d'oxyde). Il s'agit des défauts métallurgiques apparaissant lors du soudage dans les zones adjacentes à l'interface des pièces à souder, en conséquence d'une modification de la dispersion des renforts dans la matrice métallique. La répartition des nano-renforts n'est alors plus semblable à celle de l'alliage métallique initial, et des hétérogénéités de microstructure apparaissent.
Ces types d'alliages métalliques ont l'avantage de présenter une bonne tenue au fluage thermique et au fluage sous irradiation, assurée par une dispersion homogène d'oxydes nanométriques au sein du matériau, et constituent donc une famille de matériaux intéressante pour la réalisation des crayons de combustible de réacteurs à neutrons rapides avec caloporteur sodium (RNR-Na). Toutefois, le passage de ces métaux en phase liquide est susceptible de modifier la dispersion d'oxydes dégradant ainsi localement les propriétés mécaniques, ce qui risque d'endommager prématurément les gaines. Les procédés de soudage en phase solide tels que le soudage par résistance sont donc privilégiés pour ces types de matériaux.
II a été proposé par exemple dans l'article de S . de BU RBURE,
Résistance welding of pressurized capsules for in-pile creep experiments, Welding Journal, Nov. 1978, p. 23-30, de souder par résistance en phase solide un bouchon sur une gaine en acier renforcé par dispersion d'oxyde, le bouchon et la gaine présentant tous les deux un chanfrein d'un angle de 45° sur leurs surfaces de contact. Le diamètre externe du bouchon est en outre plus grand que le diamètre externe de la gaine afin d'améliorer la concentricité du bouchon et de la gaine, de sorte qu'il est alors nécessaire de réaliser un usinage important des pièces après leur soudage. Un usinage peut également être nécessaire afin d'éliminer d'éventuels défauts de compacité au niveau de la périphérie externe de la soudure. En effet, le passage en phase liquide de l'acier utilisé pour la gaine et le bouchon peut entraîner une modification de la dispersion d'oxydes causant ainsi une dégradation locale des propriétés mécaniques.
L'article de M. SEKI et al., pressurized résistance welding technology development in 9 Cr-ODS martensitic steels, Journal of Nuclear Materials 329-333, 2004, p. 1534-1538, quant à lui, propose un procédé de soudage par résistance en phase solide d'un bouchon en acier martensitique renforcé par dispersion d'oxyde au cours duquel l'étape de soudure forme entre autres des bourrelets au niveau du joint de soudure. Le procédé comprend donc en outre une étape d'usinage des pièces soudées afin d'ébarber les bourrelets, puis un traitement thermique de l'ensemble pour réduire les tensions internes à la soudure et permettre la transformation martensitique après le soudage pour détendre le matériau et lui rendre sa dureté initiale. Ce procédé est donc complexe à mettre en œuvre et nécessite plusieurs étapes en aval du soudage. Un objectif de l'invention est donc de proposer un procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible, permettant de réduire les défauts de soudage tels que les défauts de compacité ou les défauts métallurgiques cités ci-dessus, qui soit simple à mettre en œuvre et à adapter sur les gaines quelles que soit leur dimensions, qui soit robuste et de faible coût en comparaison avec les procédés habituels.
Pour cela, l'invention propose un procédé de soudage par résistance d'un bouchon sur une gaine d'un crayon de combustible, le bouchon et la gaine présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal,
caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'adaptation géométrique des surfaces de contact entre le bouchon et la gaine, au cours de laquelle on réalise un chanfrein d'un angle compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe longitudinal sur chacune desdites surfaces de contact.
D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives du procédé sont les suivantes :
- on réalise un chanfrein d'un angle compris entre 15° et 25° par rapport à l'axe longitudinal ;
- on réalise un chanfrein d'un angle (a) compris entre 19° et 21 ° par rapport à l'axe longitudinal, de préférence 20° ; et
- le soudage est réalisé en phase solide.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un ensemble formé d'une gaine et d'un bouchon d'un crayon de combustible présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal, caractérisé en ce que la surface de contact de la gaine et du bouchon présente un chanfrein d'un angle compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe longitudinal.
D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives de l'ensemble sont les suivantes : - un diamètre externe du bouchon est sensiblement égal à un diamètre externe de la gaine ;
- le chanfrein est d'un angle compris entre 15° et 25° par rapport à l'axe longitudinal, de préférence de l'ordre de 20° ;
- le bouchon et la gaine sont réal isés dans un all iage métall ique renforcé ;
- le bouchon et la gaine sont réalisés dans un alliage métallique choisi parmi le groupe suivant : alliage métallique renforcé par dispersion d'oxyde, acier inoxydable austénitique, alliage de zirconium ;
- la gaine a une épaisseur comprise entre 0.3 mm et 0.5 mm ; et
- le bouchon est soudé sur la gaine au niveau de leurs chanfreins respectifs.
Selon un dernier aspect, l'invention propose l'utilisation d'un tel ensemble dans un réacteur à eau légère ou un réacteur à neutrons rapides avec caloporteur sodium.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 représente une vue en coupe d'une partie d'un exemple de réalisation d'un crayon de combustible conforme à l'invention, préalablement au soudage du bouchon sur la gaine ; et
La figure 2 est un organigramme représentant différentes étapes d'un exemple de réalisation du procédé de soudage conforme à l'invention.
En référence aux figures 1 et 2, un exemple de réalisation d'un procédé de soudage par résistance en phase solide d'un bouchon 10 sur une gaine 20 en alliage métallique d'un crayon de combustible 1 va être décrit.
Lors du procédé de soudage par résistance en phase solide, un courant électrique est imposé à travers les pièces à souder (à savoir la gaine et le bouchon) par l'intermédiaire d'électrodes entourant les pièces, et les pièces sont mises en contact au niveau des zones destinées à être soudées ensemble. On applique alors une pression sur les pièces, par exemple à l'aide d'un vérin, pendant une durée déterminée jusqu'à ce que les pièces soient soudées.
La gaine 10 est un tube en alliage métallique présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal X. Son épaisseur e est comprise généralement entre 0.3 et 0.7 mm, son diamètre interne D, est compris entre 6.6 mm et 10.4 mm, de sorte que son diamètre externe De est compris entre 8 mm et 1 1 mm environ, et sa longueur de l'ordre de 3 à 4 m. Ici, la gaine a par exemple une épaisseur comprise entre 0.3 mm et 0.5 mm et un diamètre interne D, de l'ordre de 9.5 mm.
Elle est réalisée dans un alliage métallique, de préférence renforcé, pa r exem pl e par d ispersion d 'oxyd e O DS (pou r Oxide D ispersion Strenghtened en anglais). En variante, la gaine 20 peut également être réalisée dans un alliage métallique non renforcé du type acier inoxydable austénitique ou alliage de zirconium.
Le bouchon 10 quant à lui est de forme globalement cylindrique de révolution. Il est par ailleurs réalisé dans un même alliage métallique que la gaine 20.
La géométrie du bouchon 10 et de la gaine 20 sont adaptées préalablement à leur soudage. Pour cela, on réalise un chanfrein 15, 25 sur chacune des surfaces de contact.
Le choix précis de l'angle des chanfreins 15, 25 permet de réduire les défauts de compacité et métallurgiques lors du soudage des pièces 10, 20, tout en permettant d'obtenir un ensemble 1 soudé au final ayant une bonne géométrie, que l'alliage métallique soit renforcé ou non renforcé.
Lors du soudage, les températures à l'interface des pièces sont en effet plus homogènes, permettant ainsi une meilleure continuité métallique au niveau de l'interface. De la sorte, les défauts de compactage, liés au gl issement de la gaine 20 le long du bouchon 10, et l es d éfauts métallurgiques l iés aux hétérogénéités de microstructure au niveau de l ' interface, sont donc fortement réd u its par rapport aux méthodes conventionnelles.
En particulier, plus l'angle a des chanfreins 15, 25 est faible, plus l'écart-type des températures sur les surfaces de contact est faible et plus les températures sont homogènes.
Néanmoins, par soucis de précision dans le soudage des pièces 10, 20, il est également important que l'angle a du chanfrein 15, 25 soit suffisamment important pour que le bouchon 10 et la gaine 20 soient concentriques avec l'axe longitudinal X lors de leur soudage, ce qui peut être rendu difficile lorsque leur matériau constitutif devient pâteux.
Afin de satisfaire ces deux critères importants, l'angle a des chanfreins 15, 25 est donc de préférence compris entre 10° et 30°.
Par ailleurs, lorsque l'angle a des chanfreins 15, 25 est compris entre 15° et 25°, de préférence entre 19° et 21 °, par exemple 20°, l'évasement de la gaine 20 et son glissement par rapport au bouchon 10 au niveau de leur interface de contact est limité. En effet, pour ces angles a de chanfrein 15, 25, les contraintes mécaniques sur les surfaces de contact sont dans un état intermédiaire, c'est-à-dire relativement équilibrées, la contra i nte d e cisaillement sur les surfaces de contact étant comprise entre 20% et 50% de la contrainte normale sur ces mêmes surfaces.
L'adaptation géométrique de la gaine 20 et du bouchon 10 préalablement au soudage est donc simple et peut être réalisée quelles que soient les dimensions des pièces. Néanmoins, l'écart-type des températures (et donc leur homogénéité) le long de l'interface dépendant fortement de l'épaisseur de la gaine 20, une plus grande qualité métallurgique et une meilleure robustesse du procédé sont obtenus avec des gaines 20 présentant une épaisseur comprise en 0.3 mm et 0.5 mm.
Par ailleurs, le procédé de soudage avec adaptation géométrique est facile à mettre en œuvre et de coût réduit, dans la mesure où il ne nécessite pas d'opérations importantes préalablement ou postérieurement au soudage, en dehors de la réalisation des chanfreins sur les pièces. Il est en outre robuste dans le cas de pièces de dimensions différentes ou d'un matériau soudé différent.
De plus, le choix spécifique de cet angle a de chanfrein 15, 25 permet d'utiliser un bouchon 10 dont le diamètre externe De est sensiblement égal au diamètre externe De de la gaine 20. Le bouchon 20 et la gaine 10 peuvent en effet être soudés coaxialement avec précision sans nécessiter d'étape supplémentaire d'usinage de l'ensemble une fois la soudure réalisée, de sorte que la mise en œuvre d'un bouchon 20 d'un diamètre externe plus grand que le diamètre externe De de la gaine 10 n'est plus nécessaire.
Les chanfreins 15, 25 de la gaine 20 et du bouchon 10 peuvent être réalisés sur des gaines et bouchons conventionnels, par exemple par tournage ou fraisage, ou directement au cours de la fabrication des pièces, notamment lors du moulage. Par ailleurs, il peut être réalisé préalablement au soudage, les pièces étant alors conservées en attendant leur soudage, ou sur site directement.
L'ensemble 1 formé par le bouchon 10 soudé sur la gaine 20 est donc de bonne qualité métallurgique au niveau de l'interface de soudure et présente peu de défauts, que l'alliage métallique soit renforcé ou non. Il peut notamment être utilisé dans le cadre des crayons de combustible 1 pour les réacteurs à eau légère (REL) ou les réacteurs à neutrons rapides avec caloporteur sodium (RNR-Na). On empile alors des pastilles de combustible, telles que des pastilles de dioxyde d'uranium (UO2) dans les gaines 20 préalablement à leur fermeture, par soudage par résistance avec adaptation géométrique préalable.
Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et représentées sur les dessins, mais l ' hom m e d u métier sa u ra y apporter de nom breu ses va ria ntes et modifications.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de soudage par résistance d'un bouchon (10) sur une gaine (20) d'un crayon de combustible (1 ), le bouchon (20) et la gaine (10) présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal (X), caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'adaptation géométrique des surfaces de contact entre le bouchon et la gaine, au cours de laquelle on réalise un chanfrein (15, 25) d'un angle (a) compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe longitudinal (X) sur chacune desdites surfaces de contact.
2. Procédé de soudage selon la revendication 1 , dans lequel on réalise un chanfrein (15, 25) d'un angle (a) compris entre 15° et 25° par rapport à l'axe longitudinal (X).
3. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on réalise un chanfrein (15, 25) d'un angle (a) compris entre 19° et 21 ° par rapport à l'axe longitudinal (X), de préférence 20°.
4. Procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le soudage est réalisé en phase solide.
5. Ensemble formé d'une gaine (20) et d'un bouchon (10) d'un crayon de combustible (1 ) présentant une direction principale s'étendant selon un axe longitudinal (X), caractérisé en ce que la surface de contact de la gaine (20) et du bouchon (10) présente un chanfrein (15, 25) d'un angle (a) compris entre 10° et 30° par rapport à l'axe longitudinal (X).
6. Ensemble selon la revendication 5, dans lequel un diamètre externe (De) du bouchon est sensiblement égal à un diamètre externe (De) de la gaine.
7. Ensemble selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel le chanfrein est d'un angle (a) compris entre 15° et 25° par rapport à l'axe longitudinal, de préférence de l'ordre de 20°.
8. Ensemble selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le bouchon (10) et la gaine (20) sont réalisés dans un alliage métallique renforcé.
9. Ensemble selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le bouchon (10) et la gaine (20) sont réalisés dans un alliage métallique choisi parmi le groupe suivant : alliage métallique renforcé par dispersion d'oxyde, acier inoxydable austénitique, alliage de zirconium.
10. Ensemble selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel la gaine (20) a une épaisseur (e) comprise entre 0.3 mm et 0.5 mm.
1 1 . Ensemble selon l'une des revendications 5 à 10, dans lequel le bouchon (10) est soudé sur la gaine (20) au niveau de leurs chanfreins (15, 25) respectifs.
12. Utilisation d'un ensemble selon la revendication 1 1 dans un réacteur à eau légère ou un réacteur à neutrons rapides avec caloporteur sodium.
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