Brevet FR2027543A1 — publié le 19701002

- 1 - 2027543 La présente invention concerne un combustible nucléaire constitué par une dispersion d'aluminure d'uranium-aluminium, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication, notamment pour'la fabrication d'un élément combustible en plaques, gainé, à partir de 5 ce combustible nucléaire. De tels combustibles conviennent par exemple très bien pour être introduits dans un réacteur à flux très élevé. le but de tels réacteurs est la production d'un flux de neutrons élevé de forme la plus égale possible, d'un ordre de grandeur 10 supérieur à10^n/cm^ seconde. De tels flux de neutrons élevés sont-nécessaires, aussi bien pour la production d'éléments transuraniens, que pour les expériences de la physique des neutrons. On peut atteindre ce flux de neutrons en élevant la concentration du combustible dans le volume de celui-ci, ainsi qu'en enrichissant le combustible 15 en uranium 235. Mais ces deux facteurs conduisent à une production de chaleur indésirable et à une élévation de température également indésirable. L'ordre de grandeur de la production de chaleur dans les réacteurs à flux élevé déjà fabriqués ou dans les réacteurs expérimentaux est montré par les exemples suivants s 20 Le réacteur expérimental (MTR) ARCO IDAHO utilisant un combustible nucléaire en alliage U-AL, d'une teneur* en uranium de 18 # en poids, avec un enrichissement en ïï-235 de 93 produit une densité d'énergie thermique de 0,75 MW par litre de volume de combustible. Le flux thermique maximal est, pour ce réac-25 teur, de 264 W/Cm^. Avec un réacteur ETR, équipé pareillement de combustible nucléaire en alliages Ïï-Al., la densité d'énergie thermique, pour une concentration en uranium de 20 fo en poids et un enrichissement en U 235 pareillement de 93 atteint 1,2 MW par 30 litre de volume de combustible. Le flux de chaleur maximal est de 410 W/cm^. Les flux de chaleur encore plus élevés dans les réacteurs à très haut flux conduiraient à des températures élevées, qui sont indésirables pour les matériaux de construction 35 et les matières combustibles utilisées. Par exemple, l'observation de basses températures est, pour cela même, nécessaire, car, ici, la capacité thermique d'absorption des neutrons est particulièrement basse. En outre, ce sont presque exclusivement les matériaux à faible absorption de neutrons qui présentent une solidité seulement 40 moyenne. Cette solidité serait encore bien plus faible à de plus 69 39975 - 2 - 2027543 hautes températures. Pour parvenir à de hauts flux de chaleur avec des réacteurs à haut flux, les ensembles fondamentaux d'éléments combustibles doivent présenter la forme de plaques minces ou de lamelles qui puissent être aisément baignées de tous côtés par le 5 réfrigérant. Les alliages uranium-aluminium présentent cependant, lors de la fabrication de plaques ou de plaquettes de combustible nucléaire, minces, homogènes, de sérieuses difficultés. Ces difficultés techniques de traitement sont, en grande partie, 10 causées par la combinaison intermétallique fragile U-AL^. Avec une faible teneur en uranium dans le combustible nucléaire d'alliage, la combinaison intermétallique U-^Al^. n'est pas présente en quantités suffisantes pour permettre de surmonter les-difficul tés ci-dessus j mais, avec un pourcentage accru en uranium qui résulte de l'exigence 15 de flux de neutrons aussi élevés que possible, la teneur relative en la combinaison intermétalliqUe U-AI4 croît en proportion. Les difficultés techniques de traitement avec les hautes concentrations en uranium sont insurmontables, en ce qui concerne les tolérances. On a proposé un alliage uranium-aluminium 20 pour élément combustible, qui tourne les mêmes difficultés en utilisant un alliage ternaire à base d'uranium et d'aluminium avec 3,5-10 atomes % d'aluminium, et du silicium, du titane, du germanium, du zirconium et du zinc en une quantité de 20 atomes % comme composants additionnels. Par l'addition alliée de l'un de ces élé-25 ments, on doit supprimer la formation du composé intermétallique U-AI4, de telle sorte que la fabrication de l'élément combustible est encore possible suivant les techniques opératoires connues. Ainsi, certes, est amélioré le traitement de l'alliage uranium-aluminium, en particulier par la limitation de l'effet "Dog-Boning"„ Cependant, 30 on introduit dans le combustible nucléaire d'autres métaux d'alliage avec des sections d'absorption qui ne sont pas très favorables et d'une médiocre compatibilité. Lors d'un traitement ultérieur des éléments irradiés, ces additions d'alliages provoquent en outre de graves inconvénients. 35 Plus récemment, on est parti, comme combustible nucléaire, des alliages uranium-aluminium difficiles à dominer, et l'on a obtenu dé bons résultats avec des combustibles nucléaires en dispersion préparés selon les méthodes de la métallurgie des poudres, et constitués par un composé de l'uranium dispersé 40 dans une matrice métallique. Les matériaux en dispersion présentent 69 39975 2027543 l'avantage que le matériau combustible est incorporé, avec la grosseur de particules voulue, dans une matrice métallique bonne conductrice de la chaleur. La chaleur produite dans le-combustible nucléaire est alors dissipée relativement vite. On peut en outremieux -5 choisir..le matériau de la matrice, du point de vue de sa compatibilité avec le matériau combustible et les produits de fission, et du point de vue de l'économie de neutrons. On connaît,- par exemple, un combustible nucléaire en dispersion U^OgAl, tel qu'utilisé dans le réacteur ATR. 10 Ce cdmbustible nucléaire satisfait, avec une teneur en uranium;de-; 34,7 $ en poids pour un enrichissement en U 235 de 93 %, l'exigenqe d'une,haute concentration en uranium, mais il ne peut apporter, comme combustible nucléaire de céramique, la haute conductibilité thermique exigée. Avec le réacteur de type ATR, on atteint, par - - - p 15 exemple, un flux thermique maximal de 600 W/cm , une densité d'énergie calorifique de 2,5 MW/1 et une température de surface à l'élé-: ment combustible de 218°C, contrairement à celle du réacteur-ETR qui est de.204°C et à celle du MTR qui est de 154°C„ La température à l'intérieur de l'élément combustible est encore bien plus élevée. 20 Un autre inconvénient du combustible U^Og est que l'oxyde d'uranium réagit avec 1'aluminium et qu'avec cette réaction, qui est exothermique, se développent dans le combustible des températures encore . plus élevées, qui accélèrent de leur côté les réactions imprévues. En outre, lors de cette dispersion connue de combustible, et açix-25 températures et déchets élevés, interviennent des séparations in- . ternes indésirables, si bien que, par suite, le contact voulu entre matière fissile et matrice est partiellement perdu et qu'ainsi la transmission de chaleur est altérée. - . A partir de ces bases, on en est venu à des 30 combustibles nucléaire en dispersion qui contiennent une phase intermétallique d'uranium et un combustible nucléaire métallique. Ces combustibles nucléaires permettent une bien meilleure transmission de chaleur et une tenue en exploitation plus favorable. Gomme combustible nucléaire en dispersion très prometteur du type sus-35 mentionné, on apprécie beaucoup un composé d'aluminure d'uranium et d'aluminium comme matériau de la matrice. La matrice d'aluminium absorbe la transmission de chaleur et élève en même temps la résistance matérielle du combustible nucléaire. En divers pays, les combustibles nucléaires en dispersion d'aluminure d'uranium-alumi-40 THnrn sont en voie de développement. 69 39975 2027543 Ainsi? par exemple <> se développe en Amérique un combustible nucléaire d'aluminure d'uranium-aluminium, qui contient les diverses phases U~A1 • Mais ce combustible nucléaire a A de graves défauts» Défavorable est là présence de la phase U-Al^, 5 qui* en raison de son réseau cristallin orthorhombique, ne se déforme pas bien0 Surtout8 un tel combustible n'est que difficilement reproductible en présence de grandes quantités de phases étrangères® Il apparaît qu'on n'a pas jusqu'ici réussi, lors de la fabrication de plaques minces de combustible nucléaire, à vaincre 10 les graves difficultés qui se présentent et qui consistent surtout en la répartition régulière du combustible nucléaire dans,la.. matri- .. ce d'aluminium et en l'élimination de l'effet "Dog-Boning". La présente invention a pour but de réaliser un combustible nucléaire en dispersion d'aluminure d'uranium-15 aluminium, facile à conformer, qui évite,au laminage,1'effet "Dog-Bôning", et qui, pour des raisons de physique des réacteurs et de technique de résistance, présente une répartition homogène du combustible nucléaire dans le métal de la matrice. Le combustible conforme à l'invention est 20 caractérisé par une dispersion, avec répartition homogène, d'un aluminure d'uranium, de préférence unique, de formule générale U-Al^, dans une matrice d'aluminium entourant continûment cet aluminure d'uranium, dans la formule duquel x ne doit pas* être supérieur à 3» Il est particulièrement avantageux que 25 1 'aluminure d'uranium soit stochiométriquement l'aluminure U-Al^. Ce combustible U-Al^, conforme à l'invention, est, avant tout, très facile à laminer ou à déformer à froid, ce qui est particulièrement important, parce que, lors d'une déformation à chaud, une réaction du U-Al^ en U-Al^ serait inévitable» Lors d'une déformation à froid, 30 cette réaction nra pas lieu. Le combustible nucléaire en dispersion U~Alj - Al, conforme à l'invention, peut contenir jusqu'à 35 # en volume de U-Al^, le reste étant 65 i° en volume de matrice d'aluminium. La proportion en volume de la matrice d'aluminium ne peut être 35 choisie aussi petite qu'on le voudrait, car,autrement,l'aptitude à la déformation du combustible nucléaire est problématique. Jusqu' à ce rapport du mélange, la réalisation d'une 69 39975 2027543 matrice métallique continue, avec une concentration de matière fissile 'par unité de volume du combustible nucléaire maximale, est • -cependant garantie. Jusqu'à ce rapport du mélange,"le maintien d*une matrice continue, lors d'une entrée ultérieure du combustible nu-5 cléaire dans le réacteur, est encore assurée. On ne peut éviter la formation de U-Al^, mais cette formation n'est pas nuisible à ce -moment-là. La phase U-Al^ n'était nuisible que lors de la -fabrication des plaques de combustible nucléaire,•parce que - comme déjà signalé plus haut - en raison de la présence de plusieurs-phases* tO U-Al^, on n'obtient aucune répartition homogène du combustible-nucléaire, parce que, au laminage, se produisent des difficultés, à • peu près sous la forme de l'effet "Dog-Doning", et enfin, parce que la réaction consomme une partie de l'aluminium de la matrice. On choisit avantageusement la grosseur des 15 particules du dispersant U-Al^ entre 63 et 100 microns. Cet intervalle de grosseur résulte de la considération simultanée d'un grand nombre de conditions, par exemple là garantie d'une moindre largeur-déterminée de la matrice métallique, l'obtention d'une concentration maximale de combustible nucléaire, etc.. Avec une grosseur des par-20 ticules de TJ-Al^ beaucoup plus petite, subsiste le danger que, par des réactions de transformation pendant l'introduction ultérieure dans le réacteur, il se produise une croissance des particules pouvant conduire assez loin pour que les petites particules unitaires se touchent et que, par la matrice interrompue, une bonne évacuation 25 de chaleur ne soit plus garantie. La même chose peut arriver par formation de zones hétérogènes. Les particules de combustible nucléaire ne doivent dépasser ni en-dessous ni au-dessus d'un certain intervalle de grosseur. On fabrique le combustible nucléaire en dis-30 persion U-Al^ -Al conforme à l'invention, en mélangeant mécaniquement en un mélange homogène les petites particules pures stochiomé-triques U-Al^ avec une quantité prédéterminée de petites particules d'aluminium, et en concentrant ce mélange, suivant le procédé de la métallurgie des poudres, en un matériau compact. Ce procédé de la 35 métallurgie des poudres est plus avantageux que les procédés de la fonderie, parce qu'ainsi la formation des alliages empêche la production de différentes phases U-Al et permet d'obtenir une homogénéité irréprochable du combustible nucléaire. Comme procédés appropriés de la métallurgie des poudres, se recommandent la compression 4-0 au poinçon, la compression isostatique, et aussi la concentration 69 39975 2027543 par impulsions. On travaille de préférence à des températures inférieures à 150°C ou à la température ambiante, parce qu'on doit éviter une réaction du tUAl^ en U-A1^S avec le matériau de la matrice, l'aluminium présent en excès, réaction qui se produit aux 5 plus hautes températures. la fabrication d.cune phase pure stochio-métrique U-Al^ est très difficile9 par ce que cette phase ne possède aucun domaine d"homogénéitée Ceci signifie que, dès une faible variation des balances stockiométriques, il se forme une des phases 10 intermétalliques voisines, comme par exemple.la phase difficile à conformer U=»Al^e la phase indésirable U~Al^ eqt difficile à éviter avec une observation inexacte des conditions de la réactioû, parce que la tension de vapeur de l'uranium est beaucoup plus faible que celle de l'aluminium. A la température de la décomposition péri-15 tectique de 1'aluminure (U-Al^), la différence de ces tensions de vapeur se monte par exemple à environ 7 puissances de dix (PA1 s pu = 10=2 s 10~9 Iorr.)o Les fonctions de températures des enthal-pies libres de formation des trois phases possibles d'aluminure 20 d'uranium s'expriment ainsi? 4 GUA12 s -274 +21 x le"3 ! [Kcal] à GUA13 = =32,9 + 13 X 10"3 T [EcalJ À GUA14 b =41 j,5 + 9,9 X 10-3 T £KcaiJ 25 On connaît différents procédés pour fa briquer le ÏÏ=A1^ s a) fusion par induction ou arc électrique ? b) réduction de l'hydrure; c) frittage sous pression. 30 Dans la fusion par induction suivant a), on fond d'abord une charge d1 aluminium pur provenant d'un morceau de plaque j, sous vide ou dans l'air,, puis on la chauffe jusqu'à 800 °C0 On ajoute alors au bain fondu,de l'uranium en quantité stochiomé~ trique. Enfinp on verse le bain de U-Al^ dans une coquille pré-35 chauffée d'acier ou de graphite. Comme matériau du creuset, on emploie le graphite5 partiellement revêtu de zirconate de magnésium. Dans la fusion à l'arc électrique 69 39975 2027543 suivant a), on chauffe le matériau initial en mélange stochiorné trique dans un creuset de cuivre refroidi à l'eau en atmosphère de~gaz protecteur ou sous vide (5 x 10"^ Torr.). Par une répétition multiple du processus de fusion, on obtient une réaction et une homogénéité 5 complètes. Dans le procédé de réduction suivant'"b), on transforme à 600-1000°C, sous vide ou en atmosphère d'argon, de l'hydrure d'uranium en ÏJ-Al^, par une quantité stochiométrique de poudre■d'aluminium (grosseur des grains(44 microns. On peut améliorer '10 le procédé par une compression à chaud du mélange à 1000°C et sous p une pression de 3,5 Mp/cm pendant deux heures, • " Dans le procédé de frittage sous pression-suivant c), on fritte des plaquettes minces d'uranium et d'aluminium en proportions stochiométriques à environ 600°C sous pression.~0n 15 porte au rouge les corps de forme à 950°C sous vide. On peut aussi partir de mélanges pulvérulents stochiométriques. La grosseur des -grains de poudre d'uranium doit être inférieure à 44 microns; celle des grains de poudre d'aluminium être comprise entre 23 et 103 microns. On malaxe les poudres dans un mixeur culbuteur à 50 tours/ 20 min. sous atmosphère d'hélium pendant 15 minutes. En outre, on peut partir de boulettes d'uranium, recouvertes de couches d'aluminium, qui sont comprimées sous pression à 450°,C. Suivant tous ces procédés, on obtient une masse poreuse qu'on peut facilement désagréger par broyage. On 25 s'oppose à l'inflammabilité de la poudre d'une haute teneur en uranium en désagrégeant sous atmosphère d'argon ou dans le pétrole. Pour homogénéiser ou dégazer, on porte le produit final au rouge entre 590 et 900°C pendant environ 3 à 10 heures. Cependant, tous les composés Ïï-Al^, fabriqués suivant les procédés ci-dessus com-30 portent encore des inclusions de gaz relativement élevées, présentent des ressuages, et ne sont pas homogènes. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un composé stochiométrique et pur de trialuminure d'uranium, dans lequel on chauffe - dans un creuset de céramique 35 chauffé au rouge, sous atmosphère de gaz protecteur, dépourvu d'humidité, le plus rapidement possible à une température supérieure, mais cependant voisine du point de fusion du dialuminure d'uranium (^1600°C) - un mélange d'uranium et d'aluminium en des proportions qui tiennent compte des pertes par vaporisation de l'aluminium j 40 on maintient le bain fondu obtenu pendant au moins quelques minutes 69 39975 8 2027543 à cette température; on laisse refroidir pendant moins de minutes à une-température inférieure, mais aussivoisine que possible de -la température péritectique du trialuminure d'uranium (1350°C)j et l'on maintient cette température pendant un temps d'arrêt d'au 5 moins une heure (A), éventuellement on chauffe encore une fois'à -environ la même vitesse à une température supérieure à la température péritectique du trialuminure d'uranium, et on laisse ensuite refroidir à une température inférieure à la température péritectique du trialuminure d'uranium, puis on maintient cette tempéra--10 ture pendant au moins une demi-heure (B); on laisse, enfin, refroidir à la température ambiante (C), Les étapes du procédé du stade (B) ne sont pas absolument indispensables, mais opportunes, lorsque le trialuminure d1uranium obtenu avec le stade (A) ne présente encore aucune homogénéité suffisante, 15 Le matériau mis en oeuvre, uranium ou aluminium, peut être constitué en copeaux, plaques, blocs, billes ou cylindres. Les formes géométriques n'ont aucune influence sur le produit U-Al^ obtenu. " Mais il est avantageux de soumettre le 20 matériau métallique mis en oeuvre à m nettoyage préalable, par exemple par lavage au tétrachlorure de carbone et/ou à l'acétone et attaque à l'acide nitrique ou à l'acide acétique. On obtient des résultats favorables en remplissant d'abord le creuset d'aluminium, puis en recouvrant celui-ci d'uranium, 25 AlgO^ s'est montré un matériau pour creuset très avantageux pour la production de Ïï-Al^ par fusion conformément à l'invention. Par chauffage au rouge à moins de 10~^Torr. et plus de 1500°C, à côté de la libération des gaz absorbés, on vaporise avant tout le liant, contenant du silicium, de la 30 matière du creuset. On réalise la fabrication de TJ-Al^ sous une légère dépression (avantageusement environ 400 Torr,), Comme atmosphère de gaz protectrice, on propose l'hélium, La légère dépression de l'atmosphère d'hélium est d'autant plus importante que 35 le U-Al^ correspondant montre sous vide (supérieur à 10"^ Torr,, au-dessus de 1200°C) une tendance à se décomposer. L'apport de la chaleur de fusion s'effectue de préférence par chauffage par induction. Ce procédé s'est montré techniquement facile à exécuter. Il est avantageux de chauf-40 fer jusqu'à 1600°C à une allure d'environ 50°C par minute. Le 69 39975 „ g - 2027543 refroidissement, dans les sections A et B, de 1600 à 1350^0, a lieu à une allure d'environ 30°C par minute» On peut conduire le refroidissement à la température ambiante, à la fin du procédé, à line vitesse quelconque» 5 La présente invention est expliquée ci-après au moyen des exemples d1 exécution qui vont suivre, avec référence à la figure du dessin joint» 1 ) Production de Ïï-Al-, par fusion métallurginue Dans la présente invention, on choisit la 10 voie de la fusion métallurgique pour produire un aluminium d'uranium stochiométrique. Cette décision repose sur les fondements suivants : Autant qu'il apparaît au vu des témoignages passés, le procédé de "réduction" conduit à des poudres de TJ-A1^ très fines. Mais il est apparu plus tard et plus précisément que des 15 particules de U-Al^ plus grossières (supérieures à 60 microns) sont nécessaires pour la dispersion de la matière fissile. En outre, le procédé de fusion par 'induction est techniquement facile à effectuer. Ainsi que le laisse apparaître le diagramme d'état U-Al, la phase U-Al^ ne forme aucun domaine d'homogénéité, de 20 telle sorte que, pour un faible abaissement de la teneur en uranium, il se forme une des phases intermétalliques voisines. On doit ainsi attacher une grande importance au choix d'une balance juste. Des essais préalables doivent faire connaître quel est le matériau pour creuset le plus approprié pour fondre 25 le U-Al^ pur. On essaie quatre matériaux différents : - graphite avec revêtement de MgZrO^; - graphite avec revêtement de A^O^ ; - AlgO-j sans chauffage à haute température; - AlgO^ avec chauffage à haute température. 30 On conduit les essais avec de petites charges (150 grammes de copeaux d'uranium avec des plaques d'aluminium) , comme on le décrit ci-contre en détail pour les essais de production. Il apparaît que le zirconate de magnésium aux températures élevées (supérieures à 1500°C) est décomposé : 35 MgZrO^ MgO + Zr02 On retire du bain de fusion l'oxyde de zirconium (tension de vapeur environ 10" Torr.), tandis que l'oxyde de magnésium se vaporise et se dépose sur les pérois du récipient. Ces résultats sont confirmés par la radiographie. Le 40 graphite avec revêtement de MgZrO^ n'est donc pas un matériau de 69 39975 10 - 2027543 creuset favorable » Mais les revêtements de A^O^ sur le graphite présentent aussi un grave inconvénient. Ils ne tiennent pas bien au choc thermique lors du chauffage et du refroidissement» Il 5 se produit des fissures à travers lesquelles le bain fondu peut réagir directement avec le graphite. En outre9 le revêtement s'écaille en poudre et donne une impureté d'A^O^ insoluble dans le bain. Il était donc nécessaire d'utiliser des creusets d'AlgO^» Us tiennent suffisamment lorsqu'on les chauffe au 10 rouge avant la mise en oeuvre ( environ 10~5 Torr. 1500°C). Dans d'autres cas le liant9 contenant du silicium, du matériau du creuset réagit avec le matériau de la charge. Les autres essais sur la production de U-Al^ ont été exécutés dans des creusets de A120^ chauffés au rouge. 15 Les charges étaient constituées de copeaux épais d'uranium et de plaques d'aluminium. D'autres formes géométriques du matériau mis en oeuvre„ par exemple sphériques ou cylindriques, n'avaient aucune influence sur le produit U-Al^ obtenu. On lavait toujours l'uranium mis en oeuvre avec du tétrachlorure de carbone et de 20 l'acétone et on l'attaquait à l'acide nitrique ou à l'acide acétique. La disposition dans le creuset était toujours telle que 1'aluminium fût recouvert par l'uranium. On déterminait d'abord empiriquement la composition exacte de la charge. Une teneur en uranium plus faible 25 que la teneur stochiométrique est indispensable pour compenser ies pertes par- vaporisation de l'aluminium. On a découvert qu'avec des charges comprises entre 50 et 800 grammes et avec des creusets stationna ires s on devait charger assez d'aluminium pour que, suivant le diagramme d'états, e"t sans les pertes par vaporisation de l'alumi-30 nium, il soit produit 7 % d'aluminure d'uranium (25,78 fo en poids d'aluminium). Ceci signifie qu'au lieu de la balance stochiométri-quement nécessaire de 74»63 en poids d'uranium, on mettait en oeuvre seulement 73,75 % en poids d'uranium. Les conditions suivantes du procédé se sont montrées avantageuses ; 35 - atmosphère hélium, 400 Torr. - vitesse de chauffage 50°C/min. - température maximale 1600°C - refroidissement rapide de la température ) maximale à la température d'homogénéi- ) 30°C/min. sa t ion ) 40 69 39975 -n - 2027543 - homogénéisation 1250°Qo 5heures Afin de déterminer si des liquations se présentent dans le corps fondu9 on décompose celui-ci et on l'exa» 5 mine de plus près. On ne peut déterminer de telles liquationsp ni entre les parties proches pt éloignées de fond,, ni entre les zones marginales et médianes» 1"analyse chimique d'un échantillon marginal donne une teneur en aluminium (25,,85$ en poids) seulement un peu plus faible que celle d'un échantillon central (26^1 $ en 10 poids)» On a effectué sur le corps fondu d0 autres essais5 micrographiques et par micro-sonde» 1cimage de la texture montre clairement que le bain restant s5 est rassemblé entre les cristaux de TJ-Al^ et s°y est figé» Du diagramme d1 état-9 il appert 15 que la phase entre les limites des grains est9 soit péritectique, soit, lorsque la réaction est lente9 un mélange eutectique de U-Al^ et d®aluminium0 Cette conclusion est confirmée par 15analyse.par microsonde, les limites des grains montrent de forts enrichissements en aluminium ou des chutes de la concentration en uranium» la radio-20 graphie ne peut prouver une seconde phaée» f On désagrège le produit fondu dans un moulin vibrant à disques» Ce processus de désagrégation est particulièrement important;, parce que la grosseur nécessaire des particules pour les dispersions U-Al^ ~ Al est limitée pour deux raisons s par 25 formation de zones hétérogènes et de zones de réaction» les zones hétérogènes se produisent autour des petites parties dispersées? de telle sorte que les fragments de fission parviennent dans la matrice. De telles zones nuisibles peuvent9 lorsqu5elles se touchentv détruire la continuité métallique qui n'est pas endommagée par les produits 30 de fission, la production de cette circonstance dépend de la grosseur des particules du dispersant et de sa concentration» Cette dépendance peut être saisie mathématiquement et représentée graphiquement par des présentations de modèles» 1"écart entre deux particules dispersées doit être supérieur à deux fois l'épaisseur de la zone nuisible. Avec 35 une matrice dc aluminium ( longueur des fragments de fission - épaisseur de la zone nuisible s 12P7 microns) et une concentration en U-Al^ maximale (25y89 i° en volume)9 les zones hétérogènes ne devraient donc pas se toucher9 lorsque le diamètre des particules de ïï~Alj est supérieur à 67 microns» Vers le haut9 la grosseur des particules de la 40 69 39975 - 12 - 2027543 matière fissile introduite est -pareillement limitée (inférieure en diamètre à 125 microns) parce que de très grosses-particules sont détruites lors de la mise en formé. Il se produirait alors une répartition de fission indésirable et à peine contrôlable. • 5 C'est seulement pour obtenir la fraction de U-Al^ voulue en la plus grande quantité possible qu'on devrait déterminer les meilleures conditions de désagrégation. Eh particulier, il faut expliquer l'influence de la durée, du broyage et de la masse ou de la géométrie des quantités mises en oeuvre dans le 10 moulin vibrant à disques. Il faut veiller à ce qu'il n'y ait pas de trop grosses quantités en dehors du domaine voulu de diamètre des particules; sans quoi la fraction grossière (supérieure à 125 microns) peut être désagrégée à nouveau, par exemple par compression ou frittage. On doit éviter ainsi des transformations de la matrice 15 par décomposition ou oxydation. Il faut donc fritter à une température aussi basse que possible..On établit au dilatomètre la température minimale nécessaire pour un frittage de poudre fine d'aluminure d'uranium; le début du frittage se produit autour de 960°C. Les caractéristiques de la poudre de U-Al^ 20 utilisée pour tous les essais ultérieurs, ainsi que de la poudre d'aluminium Alcoa 101, sont indiquées dans le tableau I suivant : 25 Matériau Teneur en UAl^ (Poids %) ÏÏA15 (IMF) 93,42 Al Alcoa 101 Teneur en Al (Poids #) 25,15 99,5 Rapport U : Al (idéal 2,94) 2,88 30 1 0 (Poids #) 0,88 0,29 i H, (Poids %) j 0,0225 i (Poids %) 0,198 S H, (Poids 0,0088 35 1 Pe (Poids $>) 0,13 Si (Poids %) 0,07 Cu (Poids i°) 0,0f Reste (Poids %) 1,13 40 L i Grosseur des particules I (microns) 18,6 j 63- 125 j (particules principales t) ; J I 1 69 39975 - 13 - 2027543 Pour les indications de la composition chimique de Iealuminure d'uranium^ il s'agit de valeurs moyennes d'analyses de sept charges» L'oxygène et l'hydrogène se trouvent en partie sous forme d1 oxydess principalement sous forme d'eau. Dans le tableau ci-dessus9 le rapport est indiqué pour les produits représentés ici. Le calcul de la teneur en U-Alg» en Ïï-Al^ ou en U-Al^ fournit les valeurs suivantes (par comparaisqn5 on indique un produit U Al^ fabriqué par le procédé à l'hydrure)? 10 IMF Degré du produit Degré d0 hydrure trouvé (ONEL) Teneur en U=A1^ (Poids fô) 93s42 69^19 Teneur en ÏÏ=A1^ (Poids fi) 6958 30581 ^ Dans le cas où. il y a du U-Alg? oa es"k eri présence des pourcentages pondéraux suivants s Teneur en U«=Alg (Poids fi) 98^2 Teneur en Ïï-Al^ et U-Al^ (Poids fi) 198 Comme on le voit par la représentation 20 ci-dessus, on n'est pas entièrement parvenu à fabriquer un produit complètement dépourvu de Ïï-Al^» MaiSj, par comparaison avec le produit connup le produit conforme à 1einvention est déjà toujours assez pauvre en pour que les inconvénients décrits ci-dessus pour la mise en forme et le laminage;, tels que„ par exemple, l'effet 25 "Dog Boning'8 ou autresg ne se présentent pas. 2 - Fabrication de lingots Ïï-Al^ - Al et traitement ultérieur en -plaques d'éléments combustibles gainées d'aluminium. Une des exigences les plus importantes pour les combustibles nucléaires en dispersion est la répartition 30 aussi régulière que possible de la matière fissile dans la matrice. On obtient une telle répartition par un malaxage mécanique de l'aluminium et de U y B idéal x A _ rapport mesuré d'un échantillon y B r£e2_ - d'un poids déterminé. 69 39975 14 » 2027543 20 On a prélevé dans le mélange pulvérulent 5 échantillons de grosseur déterminée. Le degré de répartition est 5 le suivant s ~ (xA/yB) « (xA/yB) idéal réel i ,™ i - — ^^5 : 1 . 100 idéal ,jq Dans la figure sont reportés graphique ment les taux de concentration par une compression à froid d"un seul côté avec une lubrification du moule à la stéarine en pastilles cylindriques. (1) et les taux de concentration par compression à froid des deux côtés en pastilles carrées (2). On a reporté les densités jpj de lingots d en $ de la densité thermique ÏD au-dessus de la près» sion de compression utilisée (mégalivres/em^)„ On voit que les den~ 2 sités de lingots obtenus sont si élevées qu'un processus de frittage avant l'introduction du corps de forme dans le moule n'est pas nécessaire. Une modification du taux de répartition par le processus d4 compression n'est pas perceptible à l'oeil. De plus petites modifications de densité du lingot n'influencent pas la qualité de l'élément combustible en plaque s g ..laminé ultérieurement» Par contre, de très fortes modifications de densité du lingot U=A1~ ~ Ai conduisent à des déchirures et 25 à des effets "Dog Boning1' pendant le laminage. Le tableau 2 ci-après, indique les dimensions exigées des plaques de combustible nucléaire gainées d1aluminium avec_noyau U-AX^ ■=■ AX9 et- les conditions de fabrication tout d'abord choisies 8 Tableau 2 Composition du combustible' nucléaire Conditions de mélange Dimensions des pastilles (mm) Pression de concentration (Mp/cm) Matériau du moule Dimensions du moule (mm) Dimensions des plaques dë l'élément combustible nucléaire (mm) 1 UA1, (Vol.-#) 25,81 Al (Vol.-JÉ) 74,11 Temps (heures) Vitesse (U/min) 70 Volume du s Volume de la conteneur poudre 40 x 30 x 2,5 Couvercle Moule Longueur Largeur Epaisseur Longueur Dimensions du combustible nucléaire dans la plaque d"élément combustible (mm) Largeur Epaisseur Al (99,5) 60 x 50 x 2 60 x 50 x 2,5 210 200 30 0,5 Température (°C) Conditions de laminage Réduction -par passe de laminage Vitesse 1 ami nage (m/min) Passes de laminage .500. 20 8 7-8 69 39975 - 16 - 2027543 On relie les éléments du mcrule avec deux rainures. Pour garantir la linéarité des bords du noyau U-Al^ - Al, il faut éviter des gradients de températures dans le train de laminage. Il est donc opportun de chauffer uniformément les rouleaux eux-5 mêmes. D'autre part, avec une évacuation de chaleur irrégulière, il se développe de fortes déformations des plaques unitaires, qui conduisent à une distorsion des plaques et à l'effet "Dog Boning". - Pour les mêmes raisons, il importe de maintenir toujours les rouleaux complètement dépourvus de tension. On y parvient lorsque la tempéra-10 ture du laminage correspond à environ trois fois la température de recristallisation de l'aluminium (150°C). Pour diminuer une déformation irrégulière, la température doit être aussi élevée que possible. . D'autre part, le choix de la durée du traitement et de la température doit être tel qu'aucune formation notable de U-Al^ n'intervienne. En-15 outre, la première passe de laminage doit être effectuée avec un taux de déformation plus faible (10 fi) que les suivantes (jusqu'à 20 fi). On redresse les plaques laminées par un laminage à froid et on les coupe aux dimensions finales. La linéarité, en particulier également les deux extrémités des plaques, sont satis-20 faisantes, comme on peut le constater sur une structure grossière. En dehors de ce critère, il y en a un autre qui est important pour juger la qualité des plaques, c'est la liaison entre noyau et gaîne. Un essai très simple permet une première appréciation. A cet effet, on chauffe au rouge dans l'air (500°C une heure) quelques plaques et 25 l'on repère les soufflures. Ces soufflures se produisent là où il n'y a pas de liaison entre gaine et noyau. Il est probable que cela rêvient à des inclusions de gaz et à des coefficients d'allongement différents. Toutes les plaques éprouvées ne présentent aucune soufflure. 30 Les indications de grosseurs et de nombres, contenues dans les exemples ci-dessus, ne constituent aucune limitation de la présente invention. Bien au contraire, on peut, au moyen des lignes directrices fournies, exécuter avec succès le procédé de l'invention sous des formes modifiées. Ainsi est-il possible de varier 35 largement les vitesses de chauffage et de refroidissement indiquées pour la fusion d'un composé Ïï-Al^. En particulier, il est possible, par les variations des conditions opératoires, telles que la durée de la fusion et de l'homogénéisation, l'atmosphère gazeuse, la pression, etc.. , d'exécuter au mieux le procédé de l'invention. 40 II est bien entendu que la présente invention 69 39975 - 17 - 2027543 n'est pas limitée aux exemples ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra procéder à des variantes de réalisation .sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 69 39975 u 2027543 fiEYMBICAIIOMS 1°) Combustible nucléaire en dispersion d'aluminure d'uranium et d1 aluminium, caractérisé en ce qu*il est constitué par une répartition homogène d'un aluminure d'uranium, de préférence unique, 5 de formule générale Ïï-Al , dans une matrice de d'aluminium entou-rant continûment cet aluminure d'uranium, x ne devant pas être supérieur à 3. 2°) Combustion nucléaire conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'aluminure d'uranium est un dialuminure ou tria-10 luminure d'uranium stochiométrique. (x=3»x=2). 3°) Combustible nucléaire conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que cet aluminure contient jusqu'à 35 fi en volume de Ïï-Al^, le reste étant constitué d'une matrice d'aluminium. 4°) Combustible nucléaire conforme aux revendications 1 et 3> 15 caractérisé en ce que les .grosses particules du dispersant sont choisies entre 63 et environ 100 microns. 5°) Procédé de fabrication d'un combustible nucléaire en dispersion d'aluminure d'uranium et d'aluminium, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 4, caractérisé en ce qu'on mélange 20 de petites particules pures stochiométriques de U-Al^ avec une quantités prédéterminées de petites particules d'aluminium, mécaniquement, en un mélange homogène, et en ce qu'on concentre ce mélange, suivant le procédé de la métallurgie des poudres, en tin matériau compact. 25 6°) Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'on concentre le mélange au moyen d'une compression au poinçon d'un seul côté ou des deux côtés. 7°) Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'on concentre le mélange par une compression isostatique à chaud. 30 8°) Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce qu'on concentre le mélange par une compression isostatique à froid» 9°) Procédé conforme à la revendication 5» caractérisé en ce qu'on concentre le mélange au moyen d'impulsions. 10°) Procédé conforme aux revendications 5 et 9, caractérisé en 35 ce qu'on opère à des températures auxquelles la formation d'une phase U-Al^ ne se produit pas encore. 11°) Procédé conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'on opère à des températures inférieures à 150°C. 12°) Procédé de fabrication d'un dialuminure ou d'un trialumi-40 nure d'uranium stochiométrique et pur (U-Alg, U-Al^) conforme à la revendication 2, à 69 39975 ~ 19 - 2027543 11°) Procédé conforme à la revendication 10P caractérisé en ce qu'on opère à des températures inférieures à 150°C„ 12°) Procédé de fabrication d'un dialu-5 minure ou d'un trialuminure d'uranium stochiométrique et pur (U-AI2 Ïï-Al^) conforme à la revendication 2 à partir d'uranium métallique et dsaluminureB caractérisé en ce'qu'on chauffe tin mélange d'uranium et d'aluminure dans des proportions tenant compte des pertes d'aluminium par vaporisation^ dans un creuset de cérami-10 que chauffé au rouge, sous atmosphère de gaz protecteur, dépourvue d'humidité, le plus rapidement possible, à une température supérieure, mais cependant voisine du point de fusion du dialuminure d'uranium 1 600°C)j, on maintient le bain fondu obtenus au moins quelques minutes, à cette température, puis dans le cas du U-Al^ on le 15 laisse refroidir pendant une durée moins longue à une température inférieure, mais aussi voisine que possible de la température péritectique du trialuminure d'aluminium (1350°C), et l'on maintient cette température pendant un temps d'arrêt d'une heure (A); éventuellement, on chauffe encore une fois à la même allure à une tempéra-20 ture supérieure à la température péritectique du trialuminure d'uranium , et on laisse ensuite refroidir à une température inféxièure à la température péritectique du trialuminure d'uranium; puis on maintient cette température pendant au moins une demi-heure (B), et en ce que, enfin on laisse refroidir à la température ambiante, 25 alors que dans le cas du dialuminure, il est suffisant d'effectuer directement le refroidissement à la température ambiante. 13°) Procédé conforme à la revendication 1caractérisé en ce que le matériau métallique mis en oeuvre est soumis au préalable à -un nettoyage complet. 30 14°) Procédé conforme à la revendica tion 13 caractérisé en ce qu'on lave le matériau mis en oeuvre 9 au tétrachlorure de carbone et/ou à l'acétone, et on l'attaque à l'acide nitrique et/ou à l'acide acétique. 15°.) Procédé conforme à la revendica-35 tion 12, caractérisé en ce qu'on remplit d'abord le creuset d'aluminium, puis qu'on recouvre celui-ci d'uranium. 16°) Procédé conforme,, à. la revendication 12, caractérisé en ce qu'on utilise AlgO^ comme matériau de creuset. 40 17°) Procédé conforme à la revendica tion 16, caractérisé en ce qu'on chauffe le matériau du creuset sous 69 39975 — 20 - 2027543 •une pression inférieure à 10; Tor-r0 et à une température supérieure à 1500°C. 18°) Procédé conforme à la revendication 12 caractérisé en ce qu'on exécute le procédé sous une légère 5 dépression» 19°) Procédé conforme à la revendication 18j, caractérisé en ce qu'on exécute le procédé sous une pression d'environ 400dbrro 20°) Procédé conforme à la revendis 10 cation 12 caractérisé en ce qu'on ut-ilise, comme gaz protecteur, de l'hélium» ' 21°) Procédé conforme à la revendication 12 caractérisé en ce qu'on produit la chaleur de fusion au moyen d'un chauffage par induction»