Brevet FR2039230A1 — publié le 19710115

La présente invention se rapporte au mateqriau combustible pour réacteurs nucléaires et plus particulièrement à un procédé amélioré de fabrication de combustible utilisé dans des réacteurs refroidis au gaz. Dans ces réacteurs, le combustible est généralement composé de particules sphériques constituées d'un noyau contenant un matériau fissile, fertile et/ou poison nucléaire, recouvert de différentes couches de protection en matière-réfractaire telle que le carbone pyrolitique ou le carbure de silicium. Ces particules sphériques sont-ensuite géneralerent chargées dans des cartouches en graphite de forme cylindrique. Dans le but d'augmenter la conductivité thermie de la zone combustible d'une part, et d'éviter la dispersion des particules sphériques dans la cuve du réacteur en cas de rupture accidentelle de la cartouche d'autre part, les particules sont consolidées ou liées entre elles. Cette opération consiste à mélanger intimement les particules avec une pâte composée de poudre de graphite et une résine synthétique. Après polymérisation et carbonisation de la résine, une matrice continue en graphite est obtenue, entourant complètement les particules qui forment ainsi un corps solide. Afin d'avoir une bonne conductivité thermique, la densité de la matrice en graphite doit etre suffisamment élevée, par ailleurs, la quantité de carbone provenant de la résine synthétique doit être aussi basse que possible, en vue d'un bon comportement dimensionnel du corps solide dans le flux de neutrons. Ces deux desiderata exigent donc un liant à haute concentration en poudre de graphite, ayant par conséquent une viscosité élevée, ce q1i présente l'inconvénient de rendre très difficile la pénétration des particules dans le liant. Pour améliorer le mélange du liant avec les particules, il a déjà été proposé de vibrer les particules dans la pâte de consolidation mise préalablement dans la cartouche. Cette méthode ne donne toutefois par les résultats souhaités si la viscosité de la pâte est très élevée. Une autre méthode connue consiste dans la compaction à chaud des particules recouvertes préalablement d'une couche épaisse de poudres de graphite et de résine. Cette méthode comporte toutefois le risque de bris de particules et la densité de matière fissile obtenue est peu élevée. Selon une autre méthode encore, on injecte sous pression le liant dans le lit de particules mises dans un moule métallique. L' inévitable démoulage et une haute teneur en résine rendent eette méthode peu pratique. La présente invention a pour objet un procédé permettant un mélange intime des particules sphériques avec le liant ou pâte de consolidation. Le procédé selon l'invention est caractérisé par l'incorporation des particules sphériques dans la pâte de consolidation à 1' aide de la forcecentrifuge. Selon l'invention on peut soit introduire les particules sphériques dans les cartouches en graphite et ajouter progressivement la pâte de consolidation, qui pénètre entre les particules en soumettant l'ensemble aux forces centrifuges. On peut également procéder en sens contraire et introduire la pâte dans les cartouches et ajouter les particules par après, ou endore, on peut introduire un mélange de particules et de pâte de consolidation dans les cartouches et densifier l'ensemble sous l'influence des forces centrifuges. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de l'exemple suivant donné à titre nullement limitatif, et de la figure jointe qui représente une coupe transversale d'une cartouche fixée à un appareil de centrifugation. La figure montre une cartouche de graphite d'une longueur de 500 mm et d'un diamètre de 60 mm, composée de deux tubes concentriques j et 2 en graphite dont l'épaisseur des parois est de 4 mm. L'espace annulaire formé par les tubes 1 et 2 a une épaisseur de 6 mm et est fermé dans le fond 3 afin de constituer une enceinte 4. L'enceinte 4 est remplie, au moyen d'une seringue épidermique, d' une quantité de 120 cm3 de pâte de consolidation 5 composée de 61 % en poids de poudres de graphite, 30,5 % d'une résine phénolique et 8,5 % d'alcool éthylique. La cartouche est placée dans un récipient métallique 6 muni d'une goupille de fixation 7. Le récipient 6 est suspendu au crochet 8, lui-même solidaire de l'axe de rotation 9 de l'appareil de centrifugation (non illustré). Sur la cartouche 3 est placé un entonnoir 10 de forme appropriée. Un vplume de 130 cm3 de particules sphériques 11 est alors versé dans l'entonnoir.Les particules sphériques 11 sont composées de noyaux en U02 d'un diamètre de 800 microns recouverts successivement de 30 microns de carbone pyrolitique, de 35 microns de carbure de silicium, de 25 microns de carbone pyrolitique de haute densité et de 30 microns de carbone pyrolitique de très basse densité. Le tout est mis en rotation à une vitesse de 3000 tours par minute pendant un quart d'heure. Au cours de cette opération, les particules Il pénètrent progressivement dans la pâte 5 et cette dernière est forcée vers le haut de l'enceinte 4. A la fin de 1' opération, une dispersion homogène est obtenue. La cartouche est ensuite enlevée du récipient 6 et soumise à un traitement thermique afin de polymériser d'abord et de carboniser ensuite la résine et de dégazer l'ensemble. Après ce traitement thermique on obtient une matière en graphite d'une densité de 1,15 g/cm3 ne contenant que 18 % de carbone. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à lthomme de l'art, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. BEVENDICBIIONS 1) Procédé de fabrication d'un élément combustible nucléaire constitué d'une cartouche au moins partiellement remplie de particules de combustible incorporées dans une pâte de consolidation, caractérisé en ce qu'on incorpore les particules dans la pâte à lt aide des forces centrifuges. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit d'abord la pâte dans la cartouche et qu'on ajoute ensuite les particules qui pénètrent dans la pâte à l'aide des forcesoentrifuges. 3-) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit d'abord les particules dans ia cartouche et qu'on ajoute ensuite la pâte qui pénètre entre les particules à l'aide des for- ces centrifuges. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit un mélange de particules et de pâte dans la cartouche et qu'on densifie l'ensemble à l'aide des forces centrifuges. 5) Cartouches comportant des particules consolidées fabriquées selon les procédés suivant une quelconque des revendications 1 à 4. 6) Particules incorporées dans une pâte de consolidation à l'aide du procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 4.