Pour répondre aux spécificités des RNR-Na de la Génération IV, les caractéristiques des TH ont évoluées depuis SUPERPHENIX. Les dimensions ont été augmentées et le matériau est choisi plus résistant mais moins déformable. La faisabilité industrielle de ces tubes est donc à vérifier, d'autant que la réglementation a évolué, limitant le recours à certains produits lubrifiants utilisés par le passé, et que les exigences en termes de qualité se sont accrues, rendant l'étape de transformation rond-hexagone encore plus délicate

DELOYE, Elise

TARDIF, Philippe

I-Revues

20ème Congrès Français de Mécanique                                                                  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
  
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Les Tubes Hexagonaux de la Génération IV 
E. DELOYEa, P. TARDIFa  
a. Valinox Nucléaire, 5 avenue du Maréchal Leclerc, 21500 MONTBARD  
Résumé : 
Dans le cœur des réacteurs à neutrons rapides au sodium, les tubes sans soudure hexagonaux, appelés 
boîtiers, servent d'enveloppes de maintien aux gaines de combustibles. Pour répondre aux spécificités de la 
Génération IV, les caractéristiques de ces TH ont évoluées depuis SUPERPHENIX. Les dimensions 
géométriques ont été augmentées et le matériau est choisi plus résistant, mais moins déformable.  
La fabrication industrielle de ces nouveaux tubes est donc à vérifier, d'autant que la réglementation a évolué, 
limitant l'utilisation de certains produits lubrifiants, utilisés par le passé, et que les exigences, notamment en 
termes de défectologie, se sont accrues rendant l'étape de transformation d'un tube rond en un tube 
hexagonal encore plus délicate. 
Abstract: 
In the core of Sodium Fast reactor French design, the hexagonal wrapper tube is the envelope of fuel 
assembly. Based on past experience, i.e. in particular feedback on Phenix and SuperPhenix reactors, and 
news technical constraints of Generation IV, a larger HT in a more resistant material, furthermore less 
prone to deformation, is designed. From that point, the main question revolves around the industrial 
feasibility of such a tube. 
Critical points in product and process should be identified and analyzed. The route, used in the past, is not 
available due to existing equipments which are not adapted to these bigger dimensions, like the draw 
machine. Moreover, regulation has changed and the using of past lubricant for the cold forming process 
should be limited. Finally, new methods of UT testing of a hexagonal shape should be developed to 
guarantee the quality of the final product (and not only the quality of the round tube like it is done before). 
For all these points, the hexagonal wrapper tube for Generation IV is a real challenge to produce. So 
Designer, Engineering and Material Manufacturer are pools together their expertise to assure the success of 
this ambitious project. 
Mots clefs : Mise en forme, Tubes hexagonaux, Génération IV 
1 Introduction 
Pour répondre aux besoins croissants en énergie et économiser les ressources naturelles en uranium, un 
prototype de réacteur nucléaire de IVe génération doit être opérationnel en 2020 en France. Du fait de son 
expérience avec PHENIX et SUPERPHENIX, le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies 
Alternatives (CEA) s’est notamment engagé sur un axe de recherche pour un réacteur à neutrons rapides au 
sodium (RNR-Na). 
Les conditions en service de ce futur réacteur seront plus contraignantes que celles appliquées par le passé, 
principalement en termes de température de fonctionnement (augmentation de 50°C), de durée de vie 
(augmentation à 60 ans) et de sollicitations mécaniques. La géométrie des éléments a donc été ajustée et la 
nature des matériaux a évolué.  
L'une des étapes de validation de ce nouveau design consiste à vérifier que les différents composants 
constituant le prototype peuvent être produits en conditions industrielles, tout en respectant l'ensemble des 
caractéristiques, notamment mécaniques, géométriques et défectologiques, définies par les spécifications. La 
fabrication des tubes hexagonaux (TH), qui seront utilisés dans le cœur du réacteur pour recevoir le 
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combustible (figure 1), est l'un des nombreux challenges des RNR-NA de la Génération IV. 
 
figure 1 : assemblage combustible, i.e. tube hexagonal contenant les aiguilles combustibles, pour RNR-Na  
2 Les tubes hexagonaux et notamment ceux de la Génération IV 
L'un des paramètres gouvernant le design d'un réacteur rapide au sodium est le taux des matériaux fissile et 
fertile. Il est important que ce dernier soit aussi élevé que possible. La géométrie des éléments du cœur est 
donc définie de sorte que la part des autres matériaux, d'échange et de structure, soit des plus réduites. C'est 
pourquoi les aiguilles combustibles sont enveloppées d'un tube de forme hexagonale car compacte. 
D'après le cahier des charges préliminaire des TH de la Génération IV, les dimensions retenues sont plus 
grandes que celles des réacteurs précédents, i.e. un entreplat de l'ordre de 200 mm pour une épaisseur de 4-5 
mm comparés à 124 mm et 3.4 mm pour PHENIX. De part leur utilisation, les tolérances définies pour ces 
produits sont faibles, i.e. +/
-
 0,50 mm sur l'entreplat intérieur et +/
-
 0,40 mm sur l'épaisseur. La rectitude à 
l'état final ne doit pas être supérieure à 2 mm.m-1, sur ces pièces de 4 à 5 m de long. 
De plus, parce que composant du cœur du réacteur, les caractéristiques du TH doivent être maintenues tout 
au long de son utilisation. Seules de très faibles déformations dimensionnelles, induites par les effets 
combinés de l'irradiation et de la température, sont admises. Aujourd'hui, la température nominale de 
fonctionnement est estimée entre 400° et 550°C et la dose d'irradiation visée est à au moins 150dpa, valeur 
dépendante de la température effective et du temps de séjour. C'est pourquoi le matériau choisi, 
précédemment du 316 Ti, sera remplacé par un acier de type EM10, dont la résistance est mieux adaptée 
mais dont la mise en forme est plus difficile (tableau 1). 
 C Ni Ti Si Cr Mo Re 
(MPa) 
Rm 
(MPa) 
A (%) 
316Ti 0.06 14.0 0.40 0.70 17 2.5 240 580 48 
EM10 0.10 0.50 - 0.35 8.5 1.0 570 710 20 
tableau 1 : analyse chimique (%) et propriétés mécaniques après traitement thermique des matériaux 
3 Les filières de production de TH éprouvées par Valinox Nucléaire 
Les TH de PHENIX et SUPERPHENIX (tableau 2) ont été fabriqués suivant la même filière de production. 
 PHENIX SUPERPHENIX GEN IV 
Longueur (mm) 2 500 3 600 ≈ 4 500 
Entreplat (mm) 123,7 173 ≈ 206 
Epaisseur (mm) 3,4 4,6 ≈ 4,5 
Nuances 316 Ti – 316 L – EM10 316 Ti – EM10 Type EM10 
tableau 2 : caractéristiques des TH de PHENIX et SUPERPHENIX 
La gamme de fabrication des TH est schématisé en figure 2. Après l'étape de filage à chaud, la section des 
tubes était réduite en deux fois par étirage. Cette même technologie permettait ensuite le passage de la forme 
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ronde à la forme hexagonale, les dimensions finales, ainsi que les caractéristiques mécaniques, étant 
obtenues grâce à une ultime passe d'étirage hexagone-hexagone. 
 
figure 2 : gamme de fabrication des TH 
Les contraintes de déformation étant importantes, jusqu'à plus de 35 % d'écrouissage, l'étirage était pratiqué 
sous oxalatation. En effet, la conversion chimique est couramment utilisée comme support de lubrifiants 
dans la déformation à froid (tréfilage, frappe à froid, étirage, extrusion).  
Pour rendre le métal déformable après chaque étape de réduction de section, des traitements thermiques de 
recuit, combinés à du dressage, étaient réalisés, sous vide à 750°C pendant environ 1h. Avant la dernière 
passe d'étirage, les TH subissaient deux traitements sous vide, au maintien de 30 minutes suivi d'un 
refroidissement de quelques degrés par minute, l'un de normalisation 1000°C, l'autre de revenu, à 750°C. Au 
final, après une réduction de section d'une vingtaine de pourcent, un dernier revenu sous vide permettait 
l'obtention d'une structure homogène telle qu'illustrée en figure 3. 
 
figure 3 : structure finale d'un TH en EM10 
Pour des raisons de complexité de la géométrie, le contrôle de santé des produits était réalisé sur tube rond, 
soit avant la formation de l'hexagone. Le défaut ne devait pas excédé 5 % de l'épaisseur du TH. Différents 
essais, réalisés par le fabricant, permettaient de déterminer les caractéristiques des produits telles que les 
résistances élastique et à la rupture ou la grosseur de grain. 
4 Quelques étapes critiques de la fabrication des TH de Génération IV 
De part ses caractéristiques, ce nouveau TH ne pourra être produit à partir de la même gamme de fabrication 
que les tubes de PHENIX et SUPERPHENIX. C'est à partir des rapports de fabrication des TH précédents 
que VN a pu dégager quelques points sensibles tels que les trois exemples ci-après. 
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4.1 Le filage 
La première transformation de la matière était une opération de filage. Or, d'après les rapports d'étirage, les 
capacités des presses actuelles sont insuffisantes, car les diamètres maximum autorisés en entrée de filière 
sont inférieurs à ceux qui seraient nécessaires à la production de ces grands TH. 
Deux possibilités principales peuvent permettre de palier ce manque de moyen de production mais chacune 
d'elles nécessite de vérifier certains aspects.  
D'une part, il est possible d'éliminer une étape d'étirage rond-rond, ce qui diminuerait le diamètre du rond en 
entrée de filière. Cependant la qualité, notamment en termes d'homogénéité de la déformation et de 
répartition de la matière, pourrait se dégrader et générer une augmentation de produits rebutés. Des 
développements, concernant les paramètres de filage et/ou les étapes intermédiaires, seraient alors 
nécessaires pour limiter les pertes de fabrication.  
D'autre part, le tube rond pourrait être obtenu par laminage à chaud. Cette technologie n'est toutefois pas 
fiabilisée dans le cas de faible rapport entre l'épaisseur et le diamètre. La qualité des produits pourrait ne pas 
correspondre aux spécifications et donc nécessiter des recherches de caractérisation et d'optimisation de la 
défectologie. 
4.2 La transformation en hexagone 
La transformation d'un tube rond en un tube de forme hexagonale était obtenue par étirage à froid. Les 
niveaux de déformation étant importants, cette passe était réalisée sous oxalatation, une technique de 
lubrification performante mais qui nécessite le recours à des produits polluants. Le respect de 
l'environnement est incompatible avec cette préparation de surface utilisée par le passé. 
Pour garantir la faisabilité de la transformation du rond en hexagone sans détérioration de la qualité du 
produit, i.e. absence de griffures, arrachements… en peaux interne et externe, différentes solutions sont 
envisageables. 
En premier lieu, l'utilisation d'ultra-sons pourrait assister un lubrifiant moins performant, mais 'propre', lors 
de cette opération délicate, notamment dans les angles du TH. Aucune étude ne permet toutefois aujourd'hui 
de garantir l'efficacité d'une telle association. 
Il est également possible d'avoir recours à d'autres moyens de déformation que l'étirage à froid. Le laminage 
à froid, le martelage voire le dressage sont autant de technologies qui peuvent être candidates mais des 
validations en grandeur nature seront indispensables afin de s'affranchir des problèmes de changement 
d'échelle. 
4.3 Le contrôle des produits finis 
Lors de la production des précédents TH, les connaissances appliquées aux contrôles non destructifs ne 
permettaient de rechercher les défauts que sur tubes ronds, i.e. avant les dernières étapes de transformation. 
Du fait de l'encombrement des capteurs, l'inspection, notamment dans les angles des TH, n'était pas 
réalisable, du fait de leur faible rayon de courbure où les CF et US se comportent différemment en fonction 
des différents points de cette zone. Selon le principe de sureté, la vérification des pièces finies est aujourd'hui 
incontournable. La technologie existe et demande à être adaptée et validée. Le risque de production se situe 
au niveau des spécifications. Actuellement, aucune donnée liée à la défectologie des TH finis de PHENIX ou 
SUPERPHENIX, i.e. aucune connaissance sur l'impact de l'étape d'obtention de l'hexagone, n'est disponible. 
Il devient dès lors difficile de définir des seuils d'acceptabilité permettant la réalisation des produits. 
5 Un partenariat Concepteur/Assembleur/Fabricant 
Les défis à relever pour réaliser les réacteurs de Génération IV sont d'importance et les points d'interrogation 
nombreux, le tube hexagonal n'étant qu'un exemple. Un groupe de travail composé d'experts dans un large 
ensemble de domaines a donc été créé dès les premières phases du projet. 
De fait, il est indispensable que les équipes des différents intervenants, i.e. concepteur, assembleur et 
fabricant, partagent leurs savoir et savoir-faire afin de définir des composants répondant à la majorité des 
demandes et contraintes. 
A partir de l'analyse et de la comparaison des spécifications actuelles, des gammes passées et des rapports de 
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5 
fabrication, l'équipe détermine les points critiques relatifs au produit et aux étapes de fabrication. Pour 
chaque point, des alternatives sont proposées, détaillées et complétées par une analyse des risques. Des essais, 
en laboratoire ou sur site industriel, peuvent être planifiés pour aider à définir la meilleure solution. En 
dernier recours, une révision du design du cœur du réacteur pourrait être envisagée. 
6 Conclusion 
Différentes interrogations subsistent encore concernant la fabrication du tube hexagonal actuellement défini 
pour les réacteurs de Génération IV. Un groupe d'experts travaille pour y répondre. Fort de son retour 
d'expérience sur la fabrication des précédents TH, Valinox Nucléaire participe à ces réflexions en amont. 
Plusieurs études sont à l'ordre du jour afin de déterminer la gamme de production la mieux adaptée à ce 
produit de grandes exigences. 
 


Les tubes hexagonaux de la génération IV

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/46142/1/cfm2011_946.pdf

Les tubes hexagonaux de la génération IV

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