Brevet FR2026684A1 — publié le 19700918

î 2026684 la présente invention se rapporte à la réalisation d'une pastille céramique de combustible ou matière fertile ayant la forme d'un cylindre à faces frontales planes ou infléchies vers l'intérieur et utilisée comme élément de barreau 5 de combustible pour réacteur nucléaire, le barreau terminé se compose d'un tube d'enveloppe, par exemple en zirconium ou en acier, entourant une pile de pastilles de combustible ou matière fertile. Cas pastilles sont généralement faites de matière céramique, de préférence oxydée, et réalisées par compression 10 de poudres appropriées dans une matrice cylindrique. Les ébauches ainsi obtenues, dites ébauches de compact, sont ensuite frittées et acquièrent de ce fait les caractéristiques voulues de résistance mécanique, densité, porosité et autres. Ge frit-tage s'accompagne d'un retrait de l'ordre de 15 à 20 du vo-15 lume initial. les conditions de frottement particulières à la compression et les différences de densité qu'elles provoquent déterminent un retrait de frittage qui n'est ni uniforme ni constant. On obtient des corps moulés dont la surface latérale, 20 primitivement cylindrique, resssemble à celle d'un hyperbololde de révolution et dont les faces frontales, tout d'abord planes, sont légèrement incurvées vers l'intérieur, soit concaves* Une telle forme rend les pastilles impropres à de nombreuses applications particulières à moins qu'on ne les amène par meulage à 25 la forme cylindrique et aux cotes voulues0 Pour compenser la dilatation thermique plus forte que les pastilles subissent, en service, dans leurs zones centrales, on les rend souvent concaves sur leurs faces frontales dès l'opération de compression., Les arêtes aiguè's que le processus de réalisa-30 tion fait apparaître sur les bords des pastilles sont très sensibles à la compression, inconvénient qui se marque particulièrement lors de l'introduction des pastilles dans les tubes d'enveloppe et même lors du léger cintrage des barreaux de combustible» L'éclatement par places des arêtes de la matière céra-35 mique, lequel survient souvent dès la fabrication, n'est pas seulement préjudiciable à la constitution de la pile de pastilles : il peut aussi provoquer des détériorations du tube d'enveloppe, parfois très mince» Ce phénomène d'éclatement est fa*» oilement explicable, car il ne s'établit souvent qu'un contact 40 ponctuel entre les diverses pastilles de combustible et dans 44021 2 2026684 ces conditions de contact pointu, de faibles forces excèdent déjà la résistance à la rupture de la céramique. On a bien proposé de remédier à cet inconvénient en atténuant les arêtes sensibles à la rupture par la réalisation d'un chanfrein de meu-lage sur leur bord. Mais, sans compter son coût de réalisation élevé, ce chanfrein ne donne pas le résultat voulu, car le contact ne s'en fait pas moins à proximité immédiate du bord des pastilles. L'invention a pour objet une pastille permettant une bien meilleure mise en oeuvre aans que sa fabrication soit plus coûteuse. Cette pastille est caractérisée par le fait que la zone du bord de ses faces frontales présente un léger chanfrein sensiblement tronconique incliné sur l'horizontale d'un angle de l'ordre de 0,5 à 30°, lequel chanfrein forme avec le reste de la face frontale une arête annulaire à angle obtus ou arrondie par laquelle elle est en contact avec les autres pastilles du barreau de combustible et dont la distance au bord de la pastille est choisie en sorte que les forces de compression appliquées là dans la pratique soient absorbées, dans la masse de la pastille, par une zone spatiale correspondante qui présente une résistance mécanique suffisante». Il faut considérer ainsi que l'arête de contact est placée à une distance de la surface latérale de la pastille variable de 0,5 à 2 mm suivant la résistance mécanique desdites pastilles, qui est fonction de la nature du matériau, de sa densité et de sa porosité. Il ne résulte de ces dispositions aucune difficulté de réalisation, car le chanfrein des faces frontales peut être produit, lors de la compression des pastilles, par un poinçon d'une forme appropriée tenant compte du retrait qui interviendra lors du fritta-ge ultérieur de l'ébauche de presse. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé. La figure 1 représente le processus de compression précédemment usuel d'une pastille de combustible nucléaire 10 devant ^tre ensuite frittée. Cette pastille présente d'un côté une face frontale plane, de l'autre une empreinte concave. Comme on le voit sur la figure elle est d'abord ébauchée par les poinçons 2 et 3, d'une configuration adaptée à la forme ultérieure. La figure 2 représente une telle pastille après le frittage : non seulement sa surface latérale, mais aussi sa face 69 44021 3 2026684 "frontale 7 sont incurvées intérieurement. Il faut amener la pastille à la forme et aux dimensions prescrites en la meulant . suivant les lignes en trait discontinu 5 et 9» ce qui représente un travail et une dépense supplémentaires, en particulier poux 5 les faces frontaleso la figure 3 concerne au contraire la réalisation d'une pastille de combustible nucléaire conforme à l'invention» les poinçons 2 et 3 ont une forme telle que la zone des bords de la pastille 4 se trouve chanfreinée suivant un 10 angle a» Cette,même pastille prend la forme visible sur la figure 4 sous l'effet de son retrait au frittage. l'angle du chanfrein est ainsi ramené à une valeur plus faible a, résultant du retrait axial . le mouvement de retrait du matériau en cause étant à peu près constant, la valeur de l'angle a peut être ré-15 gléet dans l'outil de presse, en sorte que la pastille définitive présente le chanfrein voulu . Il n'y a plus à effectuer ensuite qu'un seul meulage : celui qui» suivant les lignes 5 de la figure 4, rend la pastille exactement cylindrique au diamètre voulu* On voit sur la figure 4 que la face inférieure 7, pri-20 mitivement plane, présente elle aussi une légère concavité analogue à celle de la figure 2 mais sans inconvénient aucun. Il n'est pas nécessaire de reprendre l'usinage des faces frontales» la figure 5 est une coupe longitudinale partielle d'un barreau de combustible dont les paetilles élémentaires 40 superposées 25 ea ordre serré sont entourées d'un tube d'enveloppe 8. la valeur de l'angle a est réduite à un minimum sans comparaison possible avec l'angle du chanfrein d'arête pratiqué jusqu'à présent.les lignes de contact a entre les pastilles empilées à l'intérieur du barreau de combustible, sont à une distance telle de la zone 30 des bords proprement dite que les forces de compression, bien entendu toujours susceptibles de se produire, peuvent être absorbées par une zone suffisamment rigide desdites pastilles, qui ne risquent donc plus de s'ébrêcher ou se disloquer* les fentes radiales b séparant ainsi dans une pile de pastilles de combus-35 tible deux chanfreins voisins sont très petites, leur ouverture normale étant de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre seulement. Il leur faut, par exemple, de très faibles dimensions si, le tube d'enveloppe 8 étant très mince, on veut éviter que la matière de ce dernier ne soit repoussée dans lesdites fentes 40 par la pression extérieure du réfrigérant. Si un tel effet est 69 44021 4 2026684 au contraire souhaitable pour un meilleur maintien des pastilles, on ménage biEn entendu des fentes un peu plus importantes» Au moyen d'un tel chanfrein tronconique, on reporte délibérément vers l'intérieur la ligne ou les points de 5 contact a des pastilles en sorte qu'il faut des forces beaucoup plus importantes pour rompre ces dernières» On peut les tourner les unes par rapport aux autres sur leurs faces frontales sans conséquences fâcheuses, même sous une contrainte de pression a-xiale. le déchet auquel il faut normalement s'attendre dans le 10 maniement habituel des piles de pastilles, par exemple dans les opérations de meulage, emballage, transport et transformation en barreaux de combustible est par conséquent fortement diminué. L'insertion des piles de pastilles de combustible dans les tubes d'enveloppe se déroule sans incidents puisque les arêtes ne sont 15 pour ainsi dire plus sujettes à éclater. L'augmentation de la résistance à la rupture des arêtes de contact a reportées vers l'intérieur donne aussi une bien plus grande stabilité en cas de sollicitation à la flexion des barreaux de combustible terminés, dans lesquels la pile de pastilles est généralement pré— 20 contrainte par un ressort» La forme nouvelle des pastilles de combustible» qui peuvent avoir par exemple un diamètre de 5 à 20 ma et dont le bord chanfreiné présente une largeur de l'ordre de 0,5 à 2 dm, suivant la nature du matériau, ses rigidité,densité et autres ca-25 ractéristiques, offre donc, du point de vue de leur réalisation et de leur application technique, de très grands avantages pleinement confirmés, d'ailleurs, par la pratique» 69 44021 5 2026684 REVEflJICATIOIS 1„ Pastille céramique de combustible ou matière fertile ayant la forme d'un cylindre à faces frontales planes ou infléchies vers l'intérieur et utilisée comme élément de £ barreau de combustible pour réacteur nucléaire caractérisée par le fait que la zone du bord de ses faces frontales présente un léger chanfrein sensiblement tronconique incliné sur l'horizontale d'un angle de l'ordre de 0,5 à 30°, lequel chanfrein forme avec le reste de la face frontale une arête annulaire à -j^q angle obtus ou arrondie par laquelle elle est en contact avec les autres pastilles du barreau de combustible dont la distance au bord de la pastille est choisie en sorte que les forces de compression appliquées là dans la pratique soient absorbées, dans la masse de la pastille, par une zone spatiale correspon-15 dante qui présente une résistance mécanique suffisante. 2. Pastille de combustible selon la revendication 1 caractérisée par le fait que l'arête de contact est placée à une distance de 0,5 à 2 mm de la surface latérale de la pastille* 20 3. Pastille de combustible selon l'une quel conque des revendications 1 et 2 caractérisée par le fait que le chanfrein des faces frontales de la pastille est produit, lors de la compression de celle-ci, par un poinçonnage d'une forme appropriée tenant compte du retrait ultérieur de frittageo