Brevet FR2051691A1 — publié le 19710409

i 2051691 La présente invention concerne un procédé pour former par compression des pièces contenant du combustible nucléaire et les .pièces obtenues par ce procédé. Les réacteurs nucléaires destinés à fonctionner avec du 5 réfrigérant à des températures élevées peuvent comporter le combustible sous la forme de noyaux en oxydes ou en carbures de combustible nucléaire, chaque noyau portant un revêtement formé par une couche retenant les produits de fission pour constituer une particule à revêtement. Un procédé pour utiliser le combustible de ce 10 type consiste à remplir un récipient d'une masse libre de ces particules de combustible nucléaire portant le' revêtement. Suivant un autre procédé, qui est souvent préféré, une quantité donnée de paît i-cules est mise sous la forme d'une pièce cohérente, telle qu'une pastille. Par exemple, il a été proposé de lier les particules les 15 unes aux autres au moyen, d'une résine synthétique ou d'un mélange de poudres de résine synthétique et de graphite agissant comme agent de liaison et/ou comme matière formant une matrice. Le brevet anglais n° 1 081 4^7 décrit un procédé avantageux pour obtenir cette liaison, ce prè'eédé consistant à utiliser des -noyaux de -combustible 20 nucléaire revêtus de couches de matières retenant les produits de fission et à former sur ces particules revêtues une couche de matière pouvant former une matrice, cette matière étant sous la forme d'un mélange de graphite et de résine. Ce revêtement supplémentaire peut être de façon inhérente mou et déformable ou peut le .. 25 devenir par chauffage. Jusqu'ici, une pièce cohérente formée d'une masse de ces particules portant le revêtement supplémentaire a été formée en incorporant une résine polymérisable dans le revêtement supplémentaire, en plaçant les particules portant sur le second revêtement dans une matrice en les chauffant simultanément pour 30 provoquer la fusion de la, résines et ..quand les déplacements des ' particules du fait de. la compression ont cessé,en chauffant l'ensemble de cette matière comprimée de façon supplémentaire, pour provoquer la polymérisation de la résine. La pression est nécessaire pour que la pièce finale contienne le nombre voulu de particules 35 revêtues dans un volume donné (c'est-à-dire le volume nécessaire de charge) et aussi pour assurer une bonne liaison entre les particules voisines. Cependant, il a été constaté dans la pratique qu'il existe BAD ORIGNAL. 70 25570 2 2051691 un risque sérieux qu'une partie des particules revêtues soit forcée par la pression à travers les revêtements mous-supplémentaires -pour venir en contact avec les surfaces dures de la matrice ou. du. moule en provoquant le fendillement du revêtement retenant les 5 produits de fission. Les pressions utilisées pour cette compression sont de l'ordre p , de 140 kg/cm . La charge ponctuelle maximale pouvant être supportée dans ces conditions par une particule ayant un revêtement retenant les produits de fission est d'environ 4,1 kg* il est évident qu'il 10 existe un danger sérieux de rupture du revêtement. La présente invention est basée sur la conception que,.s'il ast possible de comprimer une masse de particules portant le revêtement supplémentaire en exerçant une pression d'une façon pratiquement hydrostatique,le risque de rupture peut être réduit. Tandis que 15 les particules portant le revêtement supplémentaire se trouvant au centre de la masse peuvent subir une pression hydrostatique, celles se trouvant sur les bords de la masse peuvent ne pas être, soumises à une pression de -ce type. Conformément à 1'invention, la pression est exercée sur la masse de particules portant le. revêtement supplé-20 mentaire. par 1!intermédiaire d'un élément déformable.de J.a même matière que celle,constituant le revêtement supplémentaire, cet élément devenant une partie de la pièce, comprimée. Cette technique réduit le risque de rupture du revêtement retenant les-.produits . de fission des particules les plus extérieures car il est constaté 25 que les particules .revêtues peuvent supporter dans ces conditions une pression de plusieurs tonnes lorsqu'elle .est-exercée d'une façon * '2 pratiquement hydrostatique, par exemple Jt/cm . La présente invention a par suite pour objet un procédé pour former par compression une pièce contenant-du combustible nucléaire, 30 cette pièce contenant un certain nombre de.particules de combustible nucléaire et chaque particule portant-un revêtement retenant les produits de fission et les particules étant, distribuées dans une matière- formant une- matrice ferme contenant un agent de.liaison polymérisé. ... . 35 ' L'invention a aussi pour objet des pièces contenant du... combustible nucléaire obtenues par .ce procédé. • .- Le procédé selon l'invention consiste principalementà. appliquer sur chaque particule portant le revêtement retenant-les produits BAD ORIG>NAL 70 25570 3 2051691 de fission un revêtement supplémentaire de matière formant une matrice dans laquelle l'agent de liaison est à l'état non polymérisé, ce revêtement supplémentaire ayant l'épaisseur voulue pour former après compression une pièce ayant la teneur requise de combustible 5 nucléaire par unité de volume de la pièce, à placer les particules ainsi obtenues dans une cavité de compression dans laquelle elles doivent être comprimées, avec une couche de matière formant la matrice contenant l'agent de liaison non polymérisé au moins sur certaines des surfaces intérieures de la cavité afin que les partie u-10 les de combustible nucléaire portant le revêtement et se trouvant à côté de ces surfaces intérieures soient séparées de ces surfaces par une couche d'agent de liaison non polymérisé d'une épaisseur supérieure à celle du revêtement supplémentaire de ces particules,à comprimer les particules dans la cavité tout en les chauffant pour 15 provoquer la fusion de l'agent de liaison, et à maintenir ensuite la pression tout en chauffant de façon supplémentaire le contenu de la cavité pour provoquer la polymérisation de l'agent de liaison. La cavité pe^t être celle d'un moule dont la pièce est éjectée après la polymérisation de l'agent de liaison. La couche de matière 20 formant une matrice peut être sous la forme d'une pièce préformée placée contre une ou plusieurs surfaces de la cavité du moule pour réduire le dépassement de particules à travers leurs revêtements supplémentaires ou seconds revêtements. Les pièces préformées formant des tampons de matières de 25 matrice sont de préférence composées de la même matière que celle utilisée pour les revêtements supplémentaires des particules, par exemple de la poudre de graphite mélangée avec un liant polymérisabl^ tel qu'une résine phénol-formaldéhyde. Le chauffage est de préférence réglé pour que. la matière de la matrice devienne plastique 30 pendant la compression initiale sans se polymériser. Pour un essai particulier le contenu du moule est chauffé à 100°C et soumis ry à une pression de.140 kg/cm , le liant de la matière de la matrice devenant plastique à cette température. La température est ensuite élevée à 180°C en maintenant cette pression pour provoquer la 35 polymérisation de la résine. Des plas-tifiants peuvent être ajoutés à la matière de la matrice pour favoriser le passage à l'état plastique et améliorer la plasticité pendant la compression. BAD ORIGINAL 70 25570 4 2051691 La couche tampon des matières de matrice peut être obtenue en donnant une épaisseur plus importante à la couche supplémentaire des particules se trouvant contre les surfaces intérieures de la cavité du moule. En variante, la couche tampon peut être constituée 5 par une couche de microsphères de matière de matrice sans combustible nucléaire, appliquée contre les surfaces de la cavité. Suivant une autre variante, une couche de matière de matrice en poudre peut être placée entre les particules portant les deux revêtements et les surfaces de la cavité. Dans tous les cas, la couche tampon contient 10 l'agent de liaison non polymérisé et devient une partie de la pièce formée. Les caractéristiques de l'invention rassortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : 15 - la figure 1 représente une couche unique de particules de combustible nucléaire ayant le revêtement retenant les produits de fission et le revêtement supplémentaire, - la figure 2 représente quatre couohes de ces particules, - la figure 3 représente une pastille de particules compri-20mées, et - la figure 4 représente une pastille comprimée avec une couche de matière de matrice entre la pastille et le poinçon du moule. Suivant un exemple de mise en oeuvre de l'invention/ 25 500 g de noyaux ou particules non revêtus de combustible nucléaire sont d'abord revêtus^ de matières retenant les produits de fission d'une façon connue. Les particules portant ce premier revêtement sont ensuite revêtues de poudre de graphite dont les grains ont été préalablement revêtus de résine phénol-formaldéhyde. 30 Ce revêtement supplémentaire est décrit dans le brevet anglais n° 1 08l 447. Comme une charge volumétrique de 35# de particules est nécessaire dans ce cas dans l'aggloméré final, la proportion nécessaire de poudre de matrice ou graphite est la quantité obtenue en formant le revêtement supplémentaire sur les particules à un dia-35mètre d'environ 1 613 microns-. Il n'est pas possible pratiquement de produire des particules ayant le revêtement supplémentaire avec des dimensions égales, et par suite les diamètres des particules portant des revêtements supplémentaires sont compris entre 1 557 et 70 25570 5 2051691 1680 microns. De cette façon la masse de particules avec revêtement supplémentaire contient des proportions voulues de matières pour la charge volumétrique spécifiée. Le moule utilisé suivant cet exemple,, est un moule en acier 5 ayant une cavité de la forme voulue, c'est-à-dire un cylindre annulaire dans le cas considéré. Deux pièces annulaires ayant les dimensions voulues pour s'adapter étroitement contre les faces des extrémités du moule sont préparées avec une épaisseur de 1 millimètre par un procédé classique de moulage en utilisant de la pou-10 dre de graphite en grains revêtus de résine phénol-formaldéhyde. L'une de ces rondelles est placée sur le fond de la cavité du moule pour reconstituer une couche tampon, après quoi, les particules comportant le revêtement supplémentaire sont versées dans la cavité. La seconde rondelle est placee sur les particules pour former une 15 couche tampon et un poinçon annulaire est introduit dans le moule. L' ensemble du moule est ensuite placé dans une presse et pendant son chauffage jusqu'à 100°C une pression de 140 kg/cm est exercée sur le contenu du moule. A cette température, la résine polyméri-sable fond, et les rondelles annulaires sont déformées., mais aucune 20 pression excessive n'est transmise aux couches retenant les produits de fission des particules, et la tendance des particules reifè-tues à traverser la couche supplémentaire pour venir en contact a\© c les surfaces du moule est réduite,, Après agglomération sans que la résine des 'coùches supplémentaires des particules et des rondelles 25 tampoçis soit polymérisée,, la température du moule est élevée à 180°C pour provoquer la polymérisation de la résine, tout en maintenant la pression. - Après polymérisation de la résine, la pression est supprimée et le moule est laissé à refroidir naturellement. L'aggloméré 30 refroidi est ensuite extrait du moule. L'examen des échantillons ainsi obtenus montre que . toutes les particules sont enrobées dans la matière de matrice constituée soit par les rondelles tampons, soit pas les couches supplémentaires des particules. Ce résultat, est favorable"par comparaison au cas des agglomérés obtenus' par un 35 procédé similaire sans utiliser les rondelles tampons annulair© au fond du moule du. côté du poinçon, et en utilisant des particules • avec : revêtement retenant les produits de fission et des revê- BAD | Si ;û 25570 2051691 tsments supplémentaires,tels que décrit ci-dessus. Dans ce- dernier eas, il est constaté que les couches retenant les produits de fis- . sion aes particules revêtues sont visibles à la surface de L'aggloméré, et il est constaté aussi des fissures dans ces couches rete-.. n&nt les produits de fission ainsi exposés. Ces agglomérés défectueux peuvent être à peu près inutilisables pour un réacteur nucléaire. L'invention apporte ainsi un procédé permettant de conserver 11 intégrité des particules de combustible nucléaire portant des rsvêtemen'cp pendant l'agglomération pour obtenir une pièce composée de particules,portant un revêtement retenant les produits de fission,dispersées dans une matière de matrice et avec une charge volumetrique importante. Ce résultat est obtenu du fait du comportement à peu près hydrostatique de la matrice parce que la 15 matière de la matrice est amenée à un état plastique au moment de la compression. De plus, de la matière de matrice additionnelle est utilisée contre les surfaces d'extrémité subissant la pression pour former des couches tampons appropriées entre ces surfaces et Las surfaces correspondantes du moule. Bien que des pièces satisfaisantes aient été obtenues pendant les essais conformément à l'invention, le résultat technique peut ttre mieux-compris en considérant la compression à l'état compact de couches minces de particules de combustible nucléaire portant le premier revêtement et le revêtement supplémentaire simulant l'état final d'une pièce cylindrique pleine'. - - La figure 1 représente une partie d'une couche unique comprimée de particules de combustion nucléaire ayant reçu le premier revêtement et le revêtement supplémentaire, les intervalles entre les particules portant des revêtements supplémentaires étant nette-yû sent visibles. Chaque cellule est formée par une particule ayant un revêtement retenant les produits de fission, revêtue de façon supplémentaire de matière formant la matrice d'une épaisseur suffisante (c'est-à-dire un mélange déformable de graphite et de résine). pour obtenir une pièce finale ayant une charge volumétrique 35 donnés de particules revêtues, c'est-à-dire 35$ dans le.cas -considéré» •. . ...... - 70 25570 7 2051691 La figure 2 représente un aggloméré comprimé de 4 coucîies de particules portant des revêtements supplémentaires. Il est visible sur la figure 2 que les revêtements supplémentaires des trois autres couches des particules ont contribué à remplir certains des vides 5 à la face d'extrémité de la pièce. La figure 3 représente une face d'une pièce comprimée formée de particules portant des revêtements supplémentaires pour obtenir une charge volumétrique faible de combustible, l'épaisseur des revêtements supplémentaires étant fiar exemple supérieure pour obtenir une 10 proportion plus importante de matière de matrice. Il est visible que les revêtements supplémentaires des" particules ont été comprimés pour avoir des formés hexagonales mais bien que les vides entre les particules soient remplis, il existe de nombreuses particules dépassant à travers les revêtements supplémentaires pour venir en 15 contact avec la surface du moule, avec le risque correspondant de rupture. ■ La figure 4 représente la face d'extrémité d'une pièce comprimée en interposant une rondelle déformable d'une épaisseur de 1 mm entre le poinçon dû moule et la face voisine de la pièce, conformé-20 ment à l'invention. Il est visible qu'il n'apparaît aucun vide à la-face d'extrémité entre les particules et qu'aucune des particules voisines de cette face n'est visible. L'épaisseur des revêtements supplémentaires des particules portant les revêtements des produits de fission est choisie pour obtenir une charge volumétrique de 35$ 25 de particules portant -le premier revêtement. D'autres procédés peuvent être utilisés pour incorporer les couches tampons déformables en mati'ère de matrice. Par exemple, les couches peuvent être formées par pulvérisation de la matière à l'état de poudre ou appliquant des granulés de matière de matrice. 30 Suivant une autre variante, la couche tampon peut être formée à partir d'une couche supplémentaire d'épaisseur plus importante des particules se trouvant à côté des surfaces de la cavité. Par exemple, ces dernières particules peuvent avoir un second revêtement ou revêtement supplémentaire d'une épaisseur convenable pour obtenir 35 une charge volumétrique de 20$ seulement (à l'endroit où elles remplissent la cavité), les autres particules comportant des couches supplémentaires d'une épaisseur convenable pour une charge 70 25570 8 2051691 volumétrique de 30$. Suivant une autre variante, la couche tampon peut être constituée par des microsphères de graphite et de résine polymérisable ne contenant pas de combustible nucléaire, préparées par exemple de la façon décrite dans le brevet anglais 1 147 456. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 70 25570 9 2051691 RSVSHBICATIOHS 1. Procédé pour former une pièce comprimée contenant du combustible nucléaire formée d^un certain nombre de particules de combustible nucléaire, chacune ayant tin revêtement- retenant des produits de fission, ces particules étant distribuées dans 5 une matrice ferme de matière contenant un agent de liaison polymérisé, caractérisé par l'application,sur les particules portant un revêtement retenant les produits de fission,d3un revêtement supplémentaire de matière pour former la matrice dont l'agent de liaison est à l'état non polymérisé, le revêtement supplé-10 mentaire ayant l'épaisseur voulue pour qu®après la compression de la pièce la teneur en combustible nucléaire par unité de volume de la pièce soit la teneur voulue, l'introduction des particules dans une cavité pour leur compression, avec une couche de matière de matrice contenant un agent de liaison non polymérisé 15 placée au moins contre certaines surfaces intérieures de la cavité afin que les particules de combustible nucléaire revêtues de matière retenant .les produits de fission se trouvant â côté de ces surfaces intérieures soient séparées de celles-ci par une couche d'agent de liaison non polymérisé d'une épaisseur supérieure 20 à celle de la couche supplémentaire des particules, la compression des particules dans la cavité en l'échauffant pour provoquer la fusion de l'agent de liaison, et.le chauffage à une température supérieure en maintenant la pression pour provoquer la polymérisation de l'agent de liaison» 25 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'application d'une pièce préformée de matière de matrice contenant un agent de liaison non polymérisé entre le contenu de la cavité et les surfaces de la cavité par lesquelles la pression est exercée. - 30 3. Procédé selon -l'une des revendications 1 et 2, carac térisé en ce que la cavité est la cavité d'un moule dont la pièce est éjectée après la polymérisation de lsagent de liaisono 0 25570 10 2051691 ii-i Procédé selon l'une des revendications 1 et 3, carac térisé en ce qu'une couche de particules de combustible nucléaire revêtais de K.acièrs de matrice d?une épaisseur supérieure à celle nécessaire pour la charge volumez ri que requise est placée à c& :e d'au raoins certaines des surfaces de la cavité® 5-. Procédé selon l:'une des revendications 1 et 3, carac tères en ce qu'une couche de aicrosphèrss coaipos ôes de matière de ma vxce st- dîun agent de liaiaon non polymérisé est placée ccr.tv-5 eu soins certaines des surfaces dss la cavité® 5* Procédé selon Xnina Isa revendications 1 et 3 carac- Sêri'.-.é on 02 qu'une eouclic ds matière de matrice en poudre imprégnée d'un agent de liaison non polymérisé est placée entre le contenu de. la cavité et au moins certaines surfaces de la cavité1 7o Pièce agglomérée contenant du combustible nucléaire produit- par le procédé tal que spécifié dans les revendications 1 ài, BAD ORIG'NAL