Brevet FR2028676A1 — publié le 19701016

La présente invention a pour objet un procédé de coulée de barreaux de combustible nucléaire métallique, ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé, lesdits procédé et dispositif étant notamment^ bien que non exclusivement, applicables à la coulée de barreaux tubulaires en ura-5 nium pur ou allié, munis d'un noyau de graphite, destinés à être incorporés dans des cartouches de combustible nucléaire du type décrit dans la demande de brevet français n° PV 145 081 déposée le 22 mars 1968 par l'organisme demandeur. Un procédé courant de réalisation d'un tube d'uranium à noyau de 10 graphite consiste à placer verticalement le noyau de graphite au centre d'un moule .également en graphite et à couler l'uranium pur ou allié dans le moule à partir d'un distributeur muni de trous de coulée également verticaux. Les jets d'uranium tombant dans les moules créent un. violent mouvement tourbillonnaire autour du noyau et une turbulence qui ne se calme que peu 15 à peu. Par ailleurs, l'un des problèmes majeurs rencontrés dans la fabrication des cartouches de combustible dont le matériau fissile se présente sous forme d'un tube d'uranium allié ou non réside en l'obtention de caractéristiques métallurgiques satisfaisantes. En particulier, il est nécessaire 20 de rechercher : - une finesse et une homogénéité aussi complètes que possible de la micro-structure après trempe, ce qui implique un grain fin des tubes venant de coulée, - un taux de cavités aussi faible que possible, 25 De plus, la présenc-e de certains additifs se traduit par des exigences complémentaires. Par exemple, l'emploi d'un alliage d'uranium à faible teneur en molybdène et carbone du type décrit dans le brevet français n° 1 447 460 du 18 juin 1965 de l'organisme demandeur conduit à rechercher une répartition aussi fine et homogène que possible des carbures dans 30 l'alliage. Or, les conditions de coulée les plus favorables à l'obtention de la première qualité et éventuellement de la troisième sont dans une large mesure contradictoires avec celles requises pour maintenir la seconde. De façon plus précise la première caractéristique et éventuellement 35 la troisième sont améliorées si l'on augmente la vitesse de solidification? ce qui conduit -du moins dans des fcurs de coulée à refroidissement naturel-à limiter la température de préchauffage des moules et des noyaux par rapport à la température de coulée de l'uranium. Au contraire, pour réduire le nombre 'et-l'importance des cavités, il faut que l'intervalle de temps qui s'écoule 00939 2 2028676 entre l'arrivée du métal fondu dans les moules et -la solidification soit suffisante pour que les turbulences se calment, ce qui implique un préchauffage suffisant des moules et surtout de leur tête avant coulée. Pratiquement, on doit choisir des conditions de coulée qui constituent un compromis entre 5 les impératifs contradictoires ci-dessus. Le respect de ce compromis oblige à maintenir les paramètres de coulée dans un domaine très étroit, ce qui conduit à des précautions coûteuses et qui ne permettent pourtant pas de supprimer les rebuts qui restent notables. La présente invention vise notamment à fournir un procédé et un 10 dispositif de coulée palliant les inconvénients dés solutions antérieures dans une large mesure, en particulier en rendant moins critique la température de préchauffage et en permettant"de donner à celle-ci une valeur préférable du point de vue de l'obtention d'une microstructure fine et éventuellement d'une répartition homogène des carbures. 15 L'invention propose dans ce but un procédé de coulée de barreaux pleins ou tubulaires de combustible nucléaire métallique, suivant lequel on dispose verticalement un moule cylindrique et on dispose un noyau suivant l'axe du moule si le barreau doit être tubulaire, puis on déverse le combustible fondu en plusieurs jets répartis autour de l'axe du moule, caractérisé 20 en ce que l'on dirige les jets suivant un angle compris entre 13 et 20° sur l'axe du moule et vers celui-ci en l'absence de noyau. Le procédé de coulée défini ci-dessus se traduit par une turbulence réduite du métal qui s'écoule le long du noyau. Le temps de disparition des turbulences étant plus court il est possible de diminuer la température de 25 préchauffage par rapport à celle couramment utilisée dans le passé lorsque les trous de coulée étaient verticaux. Le procédé offre de plus un avantage annexe : le métal -fondu qui s'écoule le long du noyau le réchauffe et le dégaze, lorsqu'un tel noyau est prévu. L'invention propose également un dispositif de coulée de barreaux 30 pleins ou tubulaires de combustible nucléaire métallique comprenant un moule cylindrique vertical fermé à sa partie inférieure par un fond amovible sur lequel il repose et à sa partie supérieure par un distributeur percé de trous de coulée de combustible fondu dans le moule, ainsi qu'un noyau centré dans le moule par des moyens ménagés dans le fond et le distributeur si le 35 barreau à fabriquer est tubulaire, des trous de coulée étant ménagés dans le distributeur et répartis autour de l'axe du moule, caractérisé en ce que les trous de coulée sont inclinés sur l'axe du moule d'un angle compris entre 13 et 20°. bad origine 69 00939 3 2028676 L'invention se caractérise également par d'autres dispositions avantageusement utilisables en liaison avec les précédentes mais pouvant l'être indépendamment. Ces dispositions apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution, donné à titre d'exemple non 5 limitatif. La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne et montre de façon très schématique les composants essentiels d'un dispositif suivant l'invention de coulée de barreaux tubulaires à âme de graphite. Le dispositif représenté sur la figure se compose d'un moule 10, qui repose sur un fond 12 ; le moule et le fond sont par exemple en graphite, 10 éventuellement revêtu d'une couche mince d'oxyde réfractaire pour éviter l'adhérence de l'uranium au moule lors de la coulée. La partie supérieure du moule 10 s'emboîte dans une rainure circulaire 14 d'un distributeur 16 qui peut alimenter simultanément plusieurs moules. Dans le fond 12 et le distributeur 16 sont ménagés respectivement des êvidements 18 et 20 de réception 15 des extrémités inférieure et supérieure d'un noyau en graphite 22 destiné à constituer l'âme d'un barreau tubulaire d'uranium à couler. Le noyau 22 peut être en une ou plusieurs pièces et dans le second cas être soit de constitution homogène,soit constitué de plusieurs pièces en des qualités de graphite différentes. Il peut être lisse ou muni'de gorges ou de créneaux £0 circulaires d'ancrage de l'uranium. Le distributeur 16 est percé autour de 1 'evicernent 20 de plusieurs trous de coulée 24. Comme indiqué sur la figure, il peut être prévu trois trous 24 répartis à intervalles égaux autour de l'axe des êvidements. La disposition décrite jusqu'à présent est relativement classique. 25 Suivant l'invention, les trous 24 du distributeur ne sont pas verticaux, mais convergent vers le bas en faisant un angle par rapport à l'axe vertical du moule 10 qui est compris entre 13 et 20°, de préférence de l'ordre de 15° comme indiqué sur la figure. De plus, on voit que les trous représentés débouchent dans l'espace annulaire de coulée compris entre le moule 10 et le 30 noyau 22 à proximité de ce dernier de sorte que les jets d'uranium fondu arrivant dans l'espace annulaire compris entre le moule 10 et le noyau 22 heurtent la partie haute du noyau et s'écoulent le long de celui-ci vers la base : les turbulences étant très réduites, le calme se fait rapidement et intervient avant solidification, même si celle-ci est rapide parce que le 35 préchauffage des moules n'a amené ceux-ci qu'à une température plus faible que celle couramment jugée nécessaire dans le passé. Au contraire, dans les dispositions antérieures qui utilisaient des trous verticaux les jets d'uranium fondu tombaient au fond du moule contre le fond, rejaillissaient et provo-'*"quaient des turbulences qui subsistaient et s'entretenaient au cours de la 6AD ORIGINAL 00939 2028676 montée de l'uranium dans le tube, étaient longues à se calmer et risquaient de provoquer l'inclusion de cavités au fur et à mesure de la solidification. A titre d'exemple, on peut noter que des résultats satisfaisants ont été obtenus dans la fabrication de barreaux tubulaires d'uranium de 11 mm 5 d'épaisseur coulés sur des noyaux de 23 mm de diamètre en utilisant 3 trous de coulée de 6 mm de diamètre inclinés à 15°, débouchant dans le moule par des ouvertures dont le centre était à 16 mm de l'axe. Il a été possible, tout en réduisant sensiblement le nombre de rebuts, d'abaisser la température de préchauffage de la partie haute du moule de 830°C à 750°C environ et la tem-10 pérature de la partie basse de 700°C à 470°C environ^ Les tubes provenant des coulées ont été soumis aux contrôles habituels. L'examen gammagraphicuc n'a conduit à aucun rebut. Les microporosités étaient du même ordre que celles que l'on constate en effectuant une coulée classique avec une température de préchauffage bien supérieure et ne 15 gênaient pas le contrôle par ultra-sons. Le grain était fin et homogène. bad original 69 00939 2028676 RE VEj'ÎDICÀT IONS 1, Procédé de coulée de barreaux pleins ou tubulaires de combustible nucléaire métallique suivant lequel on dispose verticalement un moule cylin-drique et on dispose un noyau suivant l'axe du moule si le barreau doit être tubulaire, puis on déverse le combustible fondu en plusieurs jets répartis 5 autour de l'axe du moule, caractérisé en ce que l'ai dirige les jets suivant un angle compris entre 13 et 20° sur l'axe du moule et vers celui-ci en l'absence de noyau, 2, Procédé suivant la revendication 1 de coulée de barreaux tubulaires, caractérisé en ce que l'on fait converger les jets vers le noyau de 10 façon qu'ils heurtent la partie supérieure du noyau et s'écoulent vers le bas le long de celui-ci, 3, Procédé suivant la revendication 2, de coulée de barreaux tubulaires d'uranium allié ou non à âme de graphite, caractérisé en ce que la température de préchauffage est de l'ordre de 750°C, 15 4, Dispositif de coulée de barreaux pleins ou tubulaires de combus tible nucléaire métallique comprenant un moule cylindrique vertical fermé à sa partie inférieure par -un fond amovible sur lequel il repose et à sa partie supérieure par un distributeur percé de trous de coulée de combustible fondu dans le moule, ainsi qu'un noyau centré dans le moule par des moyens ménagés 20 dans le fond et le distributeur si le barreau à fabriquer est tubulaire, des trous de coulée étant ménagés dans le distributeur et répartis autour de l'axe du moule, caractérisé en ce qtie les trous de coulée sont inclinés sur l'axe du moule d'un angle compris entre 13 et 20°. 5. Dispositif suivant la revendication 4 de coulée de barreaux 25 tubulaires, caractérisé en cc que les trous convergent vers le bas. 6. Dispositif suivant la revendication 4 ou 5,- caractérisé en ce que l'angle des trous sur l'axe est de l'ordre de 15°-. 7. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6 de coulée de barreaux tubulaires à Sac de graphite, caractérisé en ce que le noyau est constitué 30 par ladite fr.c ce forme cylindrique,éventuellement munie de gorges pu cré-lwx eircv-lri-rcr. d'nncrr.r-e. C. .îrjrccan «le coubustiblc. ;a-.cl>'nire r/.tnlli^uc obtenu par uise en CK-uvi't. -, ,i procédé suivant la revendication 1, 2 ou 3. b.a« original'