Technical Report NTB 09-05

Critical Review of Welding Technology for Canisters for Disposal of Spent Fuel and High Level Waste

La Nagra – Société coopérative nationale pour le stockage des déchets radioactifs – est responsable du stockage de tous les types de déchets nucléaires produits en Suisse. La stratégie à long terme de la Nagra prévoit l’aménagement de deux dépôts en profondeur, l’un pour les éléments combustibles irradiés (ECI), les déchets de haute activité (DHA) et les déchets de moyenne activité à vie longue (DMAL), l’autre pour les déchets de faible et de moyenne activité (DFMA). D’ici à une dizaine d’années, la Nagra entend présenter des demandes d’autorisation générales pour ces dépôts. La documentation accompagnant ces requêtes devra démontrer que la sûreté à long terme peut être assurée et que tous les facteurs déterminants pour la construction, l’exploitation et la fermeture des installations ont été pris en considération. La Nagra a chargé TWI de procéder à un examen critique des techniques de soudage pour le scellement des conteneurs pour DHA et ECI en acier au carbone, l’un des matériaux envisagés à ce jour. Les informations contenues dans le présent rapport seront utilisées en liaison avec un document déjà publié sur la sélection des matériaux. Ce rapport constitue une étape préliminaire pour la conception des conteneurs destinés aux ECI et aux DHA.

Objectif

L’objectif de la présente étude était de passer en revue toutes les techniques de soudage existantes pouvant être utilisées pour sceller des conteneurs en acier au carbone destinés aux ECI et aux DHA en vue du stockage final. L’examen a porté sur les variables suivantes:

  • Adéquation des techniques au regard des exigences relatives à l’épaisseur des parois du conteneur.
  • Adéquation par rapport aux exigences relatives à l’exploitation, à la maintenance et à la mise en place à distance.
  • Avantages et inconvénients de chaque procédé de soudage au regard de la vitesse de soudage, de la qualité des soudures, des tolérances et des coûts.
  • Conséquences du procédé de soudage sur les propriétés des matériaux d’origine, en particulier la microstructure, la résistance à la corrosion, les déformations et les contraintes internes résiduelles.
  • Traitements post-soudage possibles pour réduire les contraintes internes et améliorer la résistance à la corrosion.
  • Adéquation des techniques d’inspection non destructives au regard des exigences en matière d’épaisseur des parois du conteneur, en particulier commande à distance et exactitude des mesures.
  • Impact des différents procédés de soudage sur la conception des conteneurs et sur la sélection du matériau.
  • Appréciation critique des techniques émergentes qui pourraient être utilisées à l’avenir.

Travaux effectués

L’étude des techniques de soudage potentielles a commencé par une étude de faisabilité effectuée par des experts de TWI sur les procédés envisageables. Un certain nombre de critères ont été définis pour exclure d’emblée les procédés clairement inadaptés à cet usage. L’étape suivante a consisté en des recherches bibliographiques sur tous les procédés restants. Il s’agissait en premier lieu d’identifier des applications antérieures de ces procédés pour les matériaux et les épaisseurs envisagés, en particulier dans des domaines où la sûreté est primordiale (industrie nucléaire, récipients sous pression). Une fois les informations pertinentes réunies, chaque procédé a été analysé séparément par un ingénieur de TWI spécialisé et expérimenté dans ce domaine particulier. Les résultats ont ensuite été examinés lors d’une réunion destinée à définir les avantages et les inconvénients de chaque technique et à choisir les procédés à retenir pour la suite des travaux. Ces derniers ont alors été étudiés plus en détail, notamment quant aux impacts métallurgiques prévus et aux techniques d’inspection non destructives.

Conclusions

  1. En se fondant sur les références trouvées dans la littérature, l’expérience de TWI et les exigences posées par la Nagra, deux procédés ont été retenus comme offrant les meilleures performances:
    a) soudage à l’arc au tungstène sous gaz inerte en intervalle étroit (NG-GTAW ou narrow gap tungsten inert gas welding)
    b) soudage par faisceau d’électrons (EBW ou electron beam welding).
  2. La sélection d’un procédé de soudage particulier et des post-traitements nécessaires pour l’application requise par la Nagra sera possible lorsque des critères de conformité plus détaillés relatifs aux propriétés de la soudure auront été établis.
  3. Ces deux techniques sont adaptées à l’usage prévu par la Nagra; elles ont été utilisées pour des soudures dans l’intervalle d’épaisseur recherché, à savoir 60 - 150 mm.
  4. La vitesse de soudure et la taille standard des joints ont été débattues; il est probable que le soudage EB soit plus efficace que le procédé NG-GTAW; mais le temps de soudure avec le procédé NG-GTAW ne devrait toutefois pas dépasser environ 24 heures.
  5. Les deux procédés se prêtent à une commande à distance; ils ont été sélectionnés en raison de leur fiabilité et de la reproductibilité sans l’intervention d’un opérateur. Il est probable qu’il faille développer plus avant les procédés de contrôle du soudage NG-GTAW.
  6. Tous les procédés de soudage auront des effets délétères sur le métal traité. Des traitements post-soudage adéquats permettront d’améliorer les propriétés du matériau de façon à réduire le risque de fissuration. Toutefois, ces propriétés diffèreront toujours de celles du matériau d’origine. En raison du refroidissement rapide de la soudure, la résistance (avant traitement post-soudage) du métal soudé à l’aide du procédé EBW sera inférieure à celle du métal soudé avec le procédé NG-GTAW.
  7. Lors du soudage d’éléments épais en acier au manganèse à forte teneur en carbone (C-Mn), les problèmes à résoudre se poseront plutôt au niveau de l’élimination des contraintes internes qu’à celui des phénomènes de déformation.
  8. On estime qu’un seul passage à haute température a un impact plus négatif sur les contraintes internes que plusieurs passages à chaleur plus basse. Des recherches complémentaires sont nécessaires à la compréhension de cet aspect particulier.
  9. Les contraintes internes maximales résultant du procédé EBW se produisent à égale distance des surfaces extérieures pour les éléments épais; elles exercent leurs forces dans toutes les directions, les valeurs maximales se situant dans la zone affectée par la chaleur (HAZ). Dans le cas du soudage NG-GTAW, les contraintes internes maximales se retrouvent le plus souvent à une certaine distance de la surface extérieure. Cette distance dépend des contraintes et de la géométrie pendant l’opération de soudage.
  10. Des recherches plus poussées seront nécessaires pour comparer réellement les méthodes NG-GTAW et EBW et définir laquelle génère le moins de contraintes internes résiduelles, en vue de la conception définitive des conteneurs.
  11. Un traitement post-soudage est recommandé pour réduire les contraintes résiduelles. Il est probable qu’une combinaison judicieuse des techniques de réduction des contraintes prises ici en considération permettra d’aboutir à la meilleure solution technique possible.
  12. Le traitement post-soudage (PWHT) d’aciers C-Mn est exécuté normalement à 600° C pendant une heure par 25 mm d’épaisseur nominale. Ce procédé pourrait ne pas être approprié pour l’application qui nous intéresse. D’autres possibilités ont par conséquent été étudiées.
  13. En chauffant le matériau localement, les contraintes résiduelles sont redistribuées dans la zone de soudure. Ceci pourrait présenter des avantages financiers dans le cas où le procédé EBW est utilisé pour sceller les conteneurs, dans la mesure où les équipements nécessaires seraient déjà en place.
  14. Différentes méthodes de traitement de surface (écrouissage par grenaillage, par martelage, aux ultrasons ou au laser) peuvent être appliquées pour modifier les contraintes résiduelles à proximité de la surface extérieure du conteneur.
  15. Les procédés de soudage par friction sont particulièrement appropriés à la réduction des contraintes résiduelles. Les connaissances sont toutefois limitées dans ce domaine et il conviendrait par conséquent d’étudier l’adéquation de ces procédés.
  16. Il faudra améliorer les connaissances concernant les propriétés mécaniques nécessaires avant de pouvoir évaluer l’impact d’un soudage particulier sur le conteneur. Du point de vue du procédé de soudage, l’intégration d’un emboîtement en tulipe se positionnant de lui-même serait souhaitable pour contrôler la pénétration et protéger le contenu du conteneur.
  17. Les techniques d’inspection par ultrasons et par radiographie se prêtent toutes deux à l’inspection non destructive (NDT) des soudures NG-GTAW et EB; il serait souhaitable que ces procédés soient utilisés en association pour une garantie maximale de la qualité de la soudure.
  18. Le matériau actuellement proposé, l’ASTM A516 Gr. 70, peut être soudé avec les deux procédés, mais il existe des qualités d’acier présentant des propriétés mécaniques et une résistance à la corrosion similaires, tout en offrant de meilleures propriétés au regard de la soudure et une teneur réduite en impuretés.
  19. Le soudage intervenant dans la fabrication des conteneurs constitue un défi technologique bien moins important que la soudure de scellement. D’ailleurs, il serait probablement possible de concevoir des conteneurs pouvant être fabriqués sans soudure.