Brevet FR2010245A1 — publié le 19700213

20l0245 La présente invention concerne un procédé et un appareil pour le mélange de quantités déterminées de particules de différents groupes, opéré dans une cavité de forme donnée pour 1'obtention d'une composition sensiblement uniforme. 5 On va se référer pour décrire l'invention à la fabrication de masses de combustible nucléaire comportant en mélange des particules fertiles et fissiles. Typiquement, les particules de ces deux groupes sont de forme générale spbéroïdale, mais peuvent différer tant par leur granulométrie moyenne que par leur densité. 10 On peut aussi faire varier les proportions dans lesquelles on combine les particules fertiles et fissiles selon l'usage à faire de la masse combustible. Par exemple, les pourcentages en volume de particules des deux groupes peuvent être égaux pour une masse de combustible et de 70 %-30 % pour une autre masse combustible. 15 Quelles que soient les proportions désirées, les particules des deux groupes doivent être uniformément réparties dans la masse combustible et l'uniformité de répartition est de préférence aussi voisine que possible de la valeur théorique maximale. Les particules fertiles et fissiles considérées sont extrê-20 mement petites, ayant en général un diamètre inférieur au millimètre et portent des revêtements qui risquant de se rompre si l'on ne prend pas assez de précautions pour leur manutention. De préférence, on tasse assez étroitement les particules combinées pour obtenir un bon coefficient de remplissage ou rapport entre le vo-25 l'urne effectivement occupé par les particules et le volume géométrique de la masse combustible. En conséquence, l'un des buts de l'invention est de proposer un procédé et un appareil permettant de mélanger efficacement de petites particules pour former un article, tel que masse de com-30 bustible nucléaire, dans lequel le mélange soit relativement uni-forme. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qu'on va maintenant donner en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 35 - la fig- 1 est une vue de face en élévation d'un appareil suivant l'invention; - la fig. 2 est une vue de profil de cet appareil; - la fig. 3 est, à plus grande échelle, une vue de détail en coupe, suivant la ligne 3-3 de la fig. 2; 40 - la fig. 4 montre en perspective une masse de combustible 69 17490 2 2010245 nucléaire préparée à l'aide^de l'appareil qu'on voit sur la fig.1. Tel qu'à titre d'exemple sur les dessins, l'appareil est prévu pour fabriquer un article tel que masse de combustible nucléaire 11 (fig. 4) formée dans des proportions déterminées de par-5 ticules de deux groupes, par exemple particules fissiles 13 et fertiles 15 (fig. 3), uniformément mélangées dans toute la masse combustible. Lorsqu'on utilise l'appareil représenté, le degré d'uniformité du mélange est voisin de la valeur théorique même si les particules des deux groupes ont des grosseurs et des densités 10 différentes. Les proportions en poids peuvent varier entre 50 % de particules fertiles et 50 % de particules fissiles (soit un rapport égal à 1) et diverses autres valeurs, par exemple 30 % de particules fissiles et 70 % de particules fertiles. Les particules 13 et 15"à mélanger sont extrêmement petites, 15 en général en forme de sphéroïdes de diamètre inférieur au millimètre. Dans un exemple particulier qu'on décrira plus loiç., les particules fissiles ont des diamètres de 300 à 500 microns et les particules fertiles des diamètres de 500 à 700 microns environ. Il semblerait possible de peser les particules, puis de les mélan-20 ger sous agitation, mais cette méthode se révèle insatisfaisante du fait que les particules portent des revêtements susceptibles de'se rompre et tendent à se rassembler ou à se stratifier d'après les grosseurs ou densités respectives, de sorte que le mélao- h ge n'a pas le degré d'uniformité désiré. Même si l'on mélange pré-25 alablement les particules de cette manière, puis qu'on les verse directement dans un moule, elles subissent une légère ségrégation en se déversant dans le moule. Il faut non seulement mélanger les particules, mais aussi les tasser pour obtenir un coefficient de remplissage déterminé, en général d'environ 65 %, et leur confé-30 rer une certaine forme avec une marge relativement étroite de tolérance sur les cotes. Avant d'aborder la description détaillée de l'appareil préféré pour la fabrication de masses combustibles, on va résumer brièvement le procédé préféré de fabrication de telles masses. 35 D'une manière générale, ce procédé consiste à introduire d'abord une charge de particules fissiles 13 dans une première trémie 17, puis une charge de particules fertiles 15 dans une seconde trémie voisine 19. Chaque trémie présente à la base un orifice, 21 et 23 respectivement, ayant une dimension minimale au moins quatre fois 40 supérieure à la grosseur maximale des particules contenues dans 69 17490 3 2010245 la trémie associée et la section "voulue pour que les particules s'écoulent à un débit donné à partir de la trémie associée, les orifices dosant ainsi l'écoulement des particules à partir des trémies. En sortant des trémies, les particules Tiennent porter 5 de haut en "bas contre un déflecteur incliné 25, disposé de manière à ce que les particules qu'il dévie se mélangent ensemble en continuant à tomber du déflecteur dans l'empreinte 27 d'un moule 29 sous-j'acent. De préférence, on fait vibrer le moule pendant que les particules y tombent, pour tasser les particules et leur 10 faire remplir complètement l'empreinte 27 du moule. On va maintenant considérer d'une manière très générale l'appareil préféré de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention s on charge les particules fissiles 13 dans un premier entonnoir 31, aboutissant à la trémie 17, et de manière analogue les particules 15 fertiles 15 dans un entonnoir 33, aboutissant à la trémie-19- Les deux trémies sont disposées dans une enveloppe 35 portée par un support horizontal 37 fixé aux sommets de colonnes verticales 39 dont les bases sont fixées sur une embase horizontale 41, Les particules 13 et 15 s'écoulent à travers des orifices 21 et 25 (fig. 20 3)> percés dans les bases des trémies respectives 17 et 19, lorsqu'on met une porte 43 dans la position voulue pour qu'elle démasque ces orifices, de sorte que les particules tombent à travers ces derniers sur le déflecteur incliné 25, formé par le tronçon tronconique supérieur 45 d'un mélangeur 47 comportant aussi^ un 25 tronçon tronconique inférieur 49, plus élroit, qui s'étend vers le bas jusqu'à l'empreinte cylindrique 27 du moule 29. Ainsi au' on l'exposera, les particules traversent les orifices 21 et 23 a des débits déterminés par les dimensions des orifices respectifs. A la sortie des orifices, les particules tombent en courants sé-30 parés, mais se mélangent ensemble le long du déflecteur en rebondissant vers le moule suivant des trajets schématisés sur la fig. 3. Les particules mélangées sont étroitement tassées dans l'empreinte 27 par un vibrateur 51 (fig- 1 et 2), situé sur l'embase 41 et muni d'un élément vibrant supérieur 55, fixé par serrage 35 sur l'embase 55 du moule 29- On va maintenant donner une description détaillée des organes constitutifs de l'appareil. L'enveloppe 35 oui renferme les trémies 17 et 19 est de forme générale rectangulaire, comportant des parois latérales assez largës 57 et des parois d'extrémité 40 étroites 59, dirigées vers le haut à partir, d'une paroi inférieure 69 17490 4 2010245 61 (fig. 3) convenablement .fixée à la plaque de support 37- les faces intérieures des parois latérales 57 définissent les côtés opposés des trémies respectives 17 et 19, séparées l'une de l'autre par une cloison verticale 63 reliant les parois latérales op-5 posées 57 de l'enveloppe. Les tronçons inférieurs des parois 57 de l'enveloppe sont inclinés vers l'intérieur et vers le bas pour faciliter l'écoulement en continu des particules vers les orifices doseurs prévus à la base des trémies. Pour définir les autres côtés des trémies 17 et 19» deux parois d'extrémité verticales 65» 10 espacées de la cloison 63» s'étendent transversalement entre les parois latérales 57 de l'enveloppe. En choisissant les dimensions de chacun des orifices 21 et 23, on peut imprimer un débit donné aux particules 13 et 15 de chaque groupe. On constate que le débit de particules dépend des 15 dimensions de l'orifice et semble indépendant du poids de particule surmontant cet orifice. On constate aussi que, quand la dimension minimale de l'orifice est inférieure au quadruple de la grosseur des particules, les particules ont tendance à se coincer en travers de l'orifice, ce qui ralentit ou interrompt le libre 20 écoulement des particules à travers l'orifice. On constate par ailleurs que le mélange est plus satisfaisant pour des débits relativement faibles et, en conséquence, il est préférable que l'orifice 23 de déversement des plus grosses * particules ait une dimension minimale voisine du quadruple dudia-25 mètre des sphéroïdes qui le traversent, mais avec un excès suffisant pour rendre le débit uniforme et éviter que des coincements n'apparaissent de temps à autre. On détermine de manière empirique et l'on note les débits obtenus avec des particules fertiles et fissiles de grosseurs et densités variées pour divers calibres 30 d'orifices afin de pouvoir déterminer rapidement et aisément le calibre d'orifice nécessaire pour un débit donné. Lorsqu'on aéta-bli le débit des grosses particules et qu'on connaît les proportions du mélange à obtenir, on calcule aisément le débit à imprimer aux petites particules pour assurer le mélange dans le rap-35 port désiré. On obtient le calibre de l'orifice 21 assurant ce débit en consultant les données empiriques précédemment recueillies. Suivant un aspect important de l'invention, l'appareil représenté à titre d'exemple peut assurer l'amenée et le mélange dans 40 des proportions différentes de groupes de particules pour utili 69 17490 5 2010245 sation dans ion élément combustible et assure ,1e mélange des particules dans les proportions désirées en réglant le débit de particules d'un groupe par rapport à celui de particules de l'autre groupe. A cette fin, chacun des orifices 21 et 23 est défini par 5 un moyen qu'on peut régler pour faire varier les dimensions de l'orifice associé et, ainsi, le débit de particules traversant cet orifice. Suivant le mode de réalisation choisi à titre d'exemple, les moyens de réglage des orifices 21 et 23 comportent chacun un taquet coulissant 71 (fig- 3), présentant une paroi la-10 térale 73 inclinée vers le bas qui se termine à la base par une arête intérieure 77, mobile, délimitant l'orifice rectangulaire associé. Les autres côtés des orifices sont définis par les tranches inférieures de la cloison 63 et des tronçons de paroi latérale inclinés 58. Chacun des taquets 71 présente un montage per-15 mettant de le faire glisser sur la paroi inférieure 61 de l'enveloppe pour rapprocher ou écarter son arête 77 de la cloison médiane 63. Sur la face supérieure extérieure de chaque taquet 71 est fixée une équerre raccordée à une tige 79- Chaque tige 79 s'étend 20 horizontalement et ressort par un trou percé dans une paroi d'extrémité 59 de l'enveloppe pour rejoindre l'extrémité taraudée, non représentée, d'un dispositif de réglage 81 (fig. 1 et 2) fixé à chaque paroi d'extrémité 59 de l'enveloppe. Les deux dispositifs de réglage sont gradués comme des micromètres de manière à 25 afficher la position du taquet 71, au moyen de repères portés sur Tin barillet rotatif extérieur 82, entourant le dispositif, quand on fait tourner ce barillet par rapport à un manchon intérieur fixe 84, fixé à la paroi d'extrémité 59 de l'enveloppe. Le barillet 82 est enfilé sur le manchon 84 et relié par taraudage à la 30 tige 79 pour la déplacer en translation suivant la longueur du manchon. Ainsi, on peut déplacer l'arête 77 du taquet 71 par rapport à la cloison médiane 63 afin de régler facilement la largeur de 1'orifice. Pour permettre d'établir et d'interrompre simultanément l'é-35 coulement à travers les deux orifices 21 et 23, il est préférable de prévoir un moyen tel que porte à commande mécanique 43, mobile entre une position de fermeture dans laquelle il intercepte les orifices et une position d'ouverture dans laquelle il démasque les orifices. 40 Dans l'exemple choisi, la porte 43 est formée par une plaque 69 17490 6 2010245 coulissante 83» à section, rectangulaire, glissant le long de deux coulisses espacées 85 pour passer d'une position de fermeture, dans laquelle elle recouvre les orifices 21 et 23, à une position d'ouverture, dans laquelle elle s'écarte latéralement des deux 5 orifices, de sorte que les particules peuventtraverser ces derniers. La plaque 83 est sollicitée vers sa position de fermeture par Tin ressort de compression 87 (fig« 2) fixé par une extrémité à une équerre 89 et par l'autre extrémité à la plaque 83. Pour mettre la plaque en position d'ouverture, on prévoit un solénoïde 10 91 (fig- 2), fixé par une équerre 93 à la paroi latérale 57 opposée de l'enveloppe. Quand le solénoïde 91 est excité, son noyau plongeur amène la plaque 83 dans la position d'ouverture représentée sur la fig. 3, pour laquelle les orifices 21 et 23 sont démasqués, de sorte que les particules peuvent tomber à travers ces 15 orifices pour venir frapper le déflecteur 25- Quand le solénoïde 91 est désexcité, le ressort 87 ramène rapidement la plaque coulissante 83 en position de fermeture, ce qui interrompt presque simultanément l'écoulement des particules à travers les deux orifices 21 et 23- 20 On mélange uniformément les particules en les faisant dévier par les tronçons tronconiques 45 et 49, portés par une plaque 97 de forme générale circulaire (fig. 3), présentant un trou 99, situé en face de l'empreinte cylindrique 27 et ayant à peu près le » même diamètre qu'elle. Les tronçons tronconiques sont convenable-25 ment fixés à la plaque 97» psœ exemple par soudage. Pour que le mélange ait l'uniformité désirée, il faut que 1'inclinaison x (fig. 3) du tronçon tronconique 45 soit d'environ 35 à 40°. Le tronçon tronconique inférieur 49 doit avoir une inclinaison sur la verticale inférieure à celle du tronçon supérieur et de préfé-30 rence comprise entre 8 et 12° environ. Dans l'exemple choisi, le moule 29 est un cylindre droit et présente six empreintes 27, équidistantes sur un cercle dont l'axe passe par un taraudage recevant une vis 101 permettant de raccorder la face inférieure de la plaque 97 au sommet du moule 29. 35 Le moule présente au sommet un bossage circulaire 103, dirigé vers le haut, qui pénètre dans un évidement de forme complémentaire, ménagé dans la face inférieure de la plaque circulaire 97 et sur lequel cette plaque et le mélangeur 47 qui lui est fixé tou-rillonnent pour pouvoir prendre par mouvement angulaire autour de 40 l'axe longitudinal du moule des positions permettant le remplis 69 17490 7 2010245 sage de chacune des empreintes 27 du moule. Ainsi, sitôt une empreinte remplie, on peut amener rapidement le mélangeur en face de l'empreinte 27 suivante. On peut aussi remplir rapidement les empreintes de moulage d'une série de masses combustibles. Eventu-5 ellement, chaque empreinte 27 peut être munie à la base d'un petit disque de marquage (non représenté) portant en relief des chiffres destinés à graver un numéro d'identification dans l'extrémité de la masse combustible qu'on obtient après avoir injecté et fait durcir un liant fluide convenable, par exemple brai de 10 houille, dans une empreinte remplie de particules. Le moule représenté à titre d'exemple est en un matériau convenable, tel qu'acier inoxydable, dans lequel les masses combustibles puissent subir une cuisson de durcissement du liant. En variante, le moule peut être un tronçon d'élément combustible en graphite ou analo-15 gue dans lequel on forme sur place des masses combustibles. Les opérations d'injection et de durcissement sont décrites en détail dans la demande de brevet des Etats-Unis n° 703*573 déposée le 7 Février 1968 aux noms de Dwight E. Davis, Dennis W. Stevens et Geoffroy E. Tully Jr. 20 On va maintenant donner à simple titre indicatif un exemple de remplissage d'une empreinte pour le moulage d'une masse combustible. On désire mélanger en proportions égales des particules fertiles d'un diamètre compris entre 500 et 354 p- et des particules fertiles de diamètres compris entre 700 et 500 p.. Les parti-25 cules fissiles sont en dicarbure d'alliage uranium-thorium dans un rapport thorium/uranium d'environ 4,25 et portent chacune une couche extérieure de carbone pyrolytique d'environ 120 jl d'épaisseur. Les particules fertiles sont en dicarbure de thorium etpor-tent chacune une couche extérieure de carbone pyrolytique d'envi-30 ron 130 ji d'épaisseur. On règle l'aire de l'orifice 21 traversé par les particules fissiles aux environs de 7>9 ™a2 et celle de l'orifice 23 traversé par les particules fertiles à 8,4 mm2. Les deux orifices rectangulaires ont une longueur fixe de 3,17 mm» Pour ces valeurs, la dimension minimale de chacun des orifi-35 ces 21 et 23 est supérieure au quadruple du diamètre de la plus grosse particule contenue dans la trémie associée. Les sections de passage des orifices rectangulaires équivalent sensiblement à celles d'orifices circulaires ayant des diamètres respectifs de 3,17 et de 3,28 mm. On peut régler convenablement les débits avec 40 des orifices circulaires, mais il est préférable d'utiliser des 69 17490 8 2010245 orifices carrés ou rectangulaires, qui correspondent mieux à la disposition des particules et permettent d'obtenir sans coincement des débits plus faibles. Les particules s'écoulent à travers les deux orifices à raison d'environ 1,1 g/s. On a examiné les 5 mélanges résultants à divers niveaux faiblement espacés sur la hauteur des empreintes remplies de particules. Le pourcentage d'é-cart sur la teneur de 50 % en matériau fissile se révèle avoir, aux divers niveaux étudiés, une valeur maximale de 1,8 à 2,1 %, une valeur moyenne de 0,6 à 0,8 % et une valeur nominale de 0,8 à 10 1 %. Le degré d'uniformité du mélange obtenu est très voisin de la valeur théorique. On obtient de bons résultats, pour d'autres mélanges de particules fissiles et fertiles analogues, avec des débits dépassant 1,1 g/s. On obtient aussi de bons résultats quand le pourcentage 15 de particules fissiles ne dépasse pas 9,2 % du courant combiné de particules fissiles et fertiles. D'après ce qui précède, on voit que l'invention propose une méthode simple et efficace pour le mélange uniforme dans des proportions déterminées de particules de deux ou plusieurs groupes. 20 Le coefficient de remplissage du mélange résultant est satisfaisant et une masse combustible moulée dans l'empreinte présente de bonnes caractéristiques dimensionnelles et une bonne répartition des particules dans toute sa masse. » Bien qu'on ait décrit et illustré un mode de réalisation pré-25 féré, cet exemple n'a bien entendu aucun caractère limitatif et l'on pourra concevoir diverses modifications et variantes, sans sortir pour cela du cadre de l'invention, défini par les revendications ci-dessous. 69 17490 9 2010245 REVENDICATIONS 1. Appareil pour le remplissage d'une cavité ou empreinte à l'aide d'un mélange sensiblement uniforme de particules, appartenant à au moins deux groupes différents, de granulométrie inféri- 5 eure au millimètre, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend une première trémie destinée à recevoir une certaine quantité de particules d'un premier groupe, une seconde trémie disposée contre la première pour recevoir des particules d'un second groupe, un moyen définissant un orifice à la base de la pre-10 mière trémie et un moyen définissant un orifice à la base de la seconde trémie, un moyen déflecteur incliné sur la verticale et disposé plus bas que les deux moyens définissant les orifices pour dévier et mélanger les particules des premier et secondgrou-pes pendant qu'elles tombent et le frappent, et un moyen soute-15 nant ce déflecteur au-dessus d'un moule qui présente une emprante de réception des particules mélangées, les dimensions minimales desdits orifices étant au moins égales au quadruple de la grosseur des particules que doit recevoir la trémie associée et les orifices ayant les dimensions relatives voulues pour établir un 20 rapport déterminé entre les débits de particules du premier groupe et du second groupe, de sorte que les particules des deux groupes se mélangent dans un rapport correspondant à celui des débits et remplissent ladite cavité d'un mélange sensiblement uniforme. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que 25 ladite empreinte a la forme voulue pour former une masse de combustible nucléaire et en ce que les particules sont des particules de combustible nucléaire et sont mélangées pour former une composition nucléaire sensiblement uniforme. 3» Appareil selon l'une quelconque des revendications précé-30 dentes, caractérisé en ce que ledit déflecteur est de forme tronconique et est centré sur un axe vertical au-dessus de ladite empreinte. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens définissant lesdits premier et second orifices sont 35 susceptibles de réglage faisant varier les dimensions de chaque orifice et, ainsi, les débits de particules traversant ces orifices. 17490 10 2010245 5. Appareil selon la Revendication 3, caractérisé en ce qu' un second déflecteur tronconique, moins incliné sur la verticale que le premier, est disposé à la base du premier déflecteur. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que 5 le premier déflecteur présente sur la verticale une inclinaison de 35 à 4-0° environ. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce quîil comporte une porte destinée à fermer les deux orifices précités, pouvant prendre une position pour laquelle ces deux orifices sont 10 démasqués presque simultanément, de sorte que des particules commencent à s'écouler presque simultanément à partir des trémies respectives. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois définissant ladite cbambre sont inclinées vers le bas 15 près dudit orifice et en ce que ledit orifice a une forme carrée ou rectangulaire correspondant sensiblement à la disposition des particules dans ladite chambre. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu51 comporte -un moyen propre à faire vibrer le moule pendant écoule- 20 ment des particules et à tasser ainsi les particules dans ladite empreinte. » 10. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moule présente une série d'empreintes toutes disposées sur un même cercle et en ce que chaque cavité peut prendre à pivotement 25 la position voulue pour être remplie de particules. 11. Procédé de fabrication de masse combustible contenant des particules de combustible nucléaire d'au moins deux groupes,ayant des grosseurs et densités différentes, uniformément mélangées ensemble dans un rapport déterminé de particules des deux groupes, 30 ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à charger les particules des deux groupes dans des trémies séparées et à régler un orifice prévu à la base de chaque trémie pour lui conférer une dimension minimale supérieure au quadruple de la grosseur des particules contenues dans la trémie associée et qui 35 imprime un débit relatif déterminé au courant de particules qui le traverse, à ouvrir à peu près simultanément ces orifices pour que les particules contenues dans les trémies superposées puissent les traverser, à envoyer les particules frapper un déflecteur 17490 n 2010245 ■tronconique ouvert vers le haut, à recueillir les particules qui tombent dans une empreinte de moule disposées à l'aplomb dudit déflecteur et à injecter du liant fluide dans l'empreinte remplie de particules, puis à durGir ce liant pour former une masse de combustible nucléaire. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qa1 on fait vibrer les particules dans l'empreinte du moule pendant remplissage de cette dernière.