Brevet FR2041165A1 — publié le 19710129

Les procédés qui ont pour objet la fabrication de combuatibles nucléaires comprennent pour la plupart, comme dernière étapes, éventuellement comme étape intermédiaire du procédé, la fabrication de quantités importantes de produit homogène, répondant à des spécifications précises, ce qu'on appelle des lots. On a tendance ici å fabriquer des lots les plus importants possibles, car les contrôles de spécifica- tion sont effectués en règle générale sur un lot, indépendamment de son importance (poids). On maintient ainsi faible la dépense occa- sionnée par l'analyse1 des propriétés physiques et chimiques du lot, et éventuellement par la 'vérification de son aptitude à outre transformé en pellets à partir de la poudre. D'importance du lot est toutefois limitée par d'autres facteurs tels que l'importance techni co-économique des mélangeurs, le passage dans les installations et la durée de séjour d'uL matériau de valeur dans l'installation. L'importance des lots optimaux lesquels on peut compter dans ces conditions est considérable et se monte, par exemple, å environ 2 tonnes pour de la poudre d'U02 d'une teneur en U-235 de 4 ,', et à environ 60 kg pour un mélange U02-Pu02 dans le rapport en poids de 70 : 30. La fabrication de lots de cette importance entrains des difficultés importantes, comme le montre l'espérience, en particulier avec des combustibles nucléaires en poudre qui contiennent l'isotope fissible U-235, dans une concentration supérieure å la concentration naturelle, ou du Pu. Pour garantir la sécurité nucléaire, il est nécessaire de manipuler des quantités, dites de sécurité,de matière fissible dans une disposi- tion géométrique quelconque, ou de manipuler des quantités quelconques dans une disposition géométrique déterminée physiquement, ce qu'on appelle la géomètrie de sécurité.Pour la poudre d'U02 dont la concentration en U-235 se monte å 4 %, par exemple, la quantité de sécurité est seulement d'environ 26 kg d'U02. Cette quantité peut dtre dépassée encore dans des conditions déterminées, la garantie de la sécurité nucléaire reposant alors sur l'observation de directives administratives. Quand on applique ce qu'on appelle la sécurité géoméstrique, on peut choisir,comme parambtres de sécu- rité, le volume de sécurité, le diamètre de sécurité ou l'épaisseur de couche de sécurité. Pour la poudre d'U02 enrichie à 4 %, par exemple, le volume de sécurité se monte à 33,8 1, le diamètre de sécurité à 28,45 cm, et l'épaisseur de couche de sécurité à 13,97 cm. I1 apparait nettement que l'on ne peut fabriquer un lot d'une importance suffisante avec un volume de sécurité. Les appareils de mélange et d'homogénéisation présentant le diamètre de sécurité, c'est à dire des récipients cylindriques verticaux allongés dans lesquels 1' effet de mélange est produit par une mise en turbulence,par à-coups ou régu lière,de la matière à mélanger sont connus, mais cependant, on ne peut,meme avec ces appareils,arriver à des lots de l'importance optimale voulue. Les limites de principe décrites ci-dessus pour garantir la sécurité nucléaire peuvent être élargies, voire mOine abandonndes quand le facteur de multiplication de la quantité de combustible nucléaire que l'on doit traiter est maintenu en-dessous du chiffre 1 par empoisonnement homogène ou hétérogb- ne avec des absorbeurs de neutrons. L'empoisonnement homogène est pratiquement inapplicable dans le cas présent, car la séparation ul trieurs des poisons neutroniques du combustible nucléaire ne serait possible que par une séparation chimique onéreuse. L'empoisonnement hétérogène de la matière fissible n'est pas applicable, en particulier s' il s'agit d'un problème de mélange, car les barres ou les plaques d'absorbeur incorporées aifecteraiens fortement la qualité du mélange et conduiraient, en outre,à des mélangeurs coûteux,au point de vue appareillage, et difficiles à nettoyer. Une pratique iréquemment mise en oeuvre consiste à fabriquer des lots importants par de multiples mélanges croisés de petits lote séparés homogènes. Cette méthode est très onéreuse, on peut toutefois y faire appel à défaut de solutions meilleures au point de vue de la technique du procédé. On a constaté que les difficultés indiquées pour la fabrication de quantités homogènes importantes de combustibles nucléaires peuvent Outre évitées, mOme dans des récipients mélangeurs de géométrie non-habituelle ai ces mélanges sont fabriqués suivant le procédé de l'invention en appliquant une épaisseur de couche géométriquement sure. De ce fait, il devient possible d'abord , dans une installation dont. l'appareillage est relativement simple, et avec une faible dépense de travail, d'assurer l'homogé néisation et le mélange de lots de production importants.La conception trouvée pour l'appareillage entrain de plus d'autres avantages en ce sens que le mélangeur, grâce à la simplicité de sa construction, peut aussi être utilisé comme récipient de stockage peu coûteux et peut, en outre,être rapidement nettoyé d'une façon très simple, ce qui est d'une importance essentielle en particulier avec les changements de produit, courants dans la fabrication des combustibles nucléaires. L'application du principe de l'épaisseur de. couche d* sécurité conduit à deux mélangeurs de mo dèmes différents, simples dans leur appareillage, toutefois également bien appropriés, uz mélangeur dit à chute libre et un mélangeur dit à mélange forcé. Le mélangeur à chute libre est, pour l'essentiel,un récipient mélangeur vertical à épaisseur de couche de sécurité, tournant lentement sur son axe horizontal tel qu'il est illustré dans la figure 1. Le récipient, solidement renforcé à l'extérieur, est rempli, au maximum aux 2/3 de sa capacité, avec les quantités. de produit à mélanger et à homogénéiser, de pré férence des substances en poudre. Le récipient bloqué sera rempli par aspiration au moyen d'un simple séparateur à chicanes 1 dont la puissance de séparation soit supdrieure à 99 %, 1' air primaire parfaitement purifié étant sucé par des bougies filtres en métal fritté 3 montées de façon à pouvoir recevoir un contre-soufflage. Le récipient mélangeur ,une Sois rempli, est séparé de manière étanche du système d'alimentation, et le contenu du récipient est ensuite mélangé pendant une durée de plusieurs minutes, au maximum 15 minutes, en tournant à une vitesse variable. Si lton veut éviter des accessoires fixes comateux, par exemple des palettes d'entraînement, qui aus- si rendraient plus difficile le nettoyage du récipient, il est apparu favorable de donner au mélangeur une section rectangulaire, de préférence une section carrée. L'entraînement ,réglable progressivement, du mélangeur est assuré par un moteur 'à air comprimé ou hydraulique 6 ; le contenu du récipient est pesé au moyen de boites de mesure hydrauliques sous pression.La vitesse circonférentielle du récipient mélangeur est calculée de façon que la poudre contenue soit entraînée partiellement jusque peu avant le point de culmina tion, pour retomber vers le bas dans des mouvements qui se déroulent en cascades, se poussent, se superposent, de sorte qu'elle pé- nétre profondément dans la masse de poudre qui se trouve dans la partie inférieure du mélangeur et provoque ainsi un mélange rapide et efficace. Le contenu mélangé ou homogénéisé sera aspiré hors du récipient par une ouverture d'évacuation 2 qui peut être fermée par un bouchon sphèrique, l'air qui sert au transport étant soufflé tout autour de l'ouverture de sortie à travers des plaques filtrantes. Le mélangeur à mélange forcé, dans lequel il n'est toutefois incorporé aucune pièce mue mécaniquement, est constitué essentiellement d 'un récipient mélangeur à épaisseur de couche de sécurité, rectangulaire, vertical, comportant une plaque de fond 13 divisée en chambres, en métal fritté poreux, horizontale ou légèrement inclinée. et des bougies filtres en métal fritté 14 qui se trouvent dans le couvercle du récipient et peuvent recevoir un contre-soufflage, ainsi que d'un séparateur à chicanes pour l'alimentation et un tube plongeur 12 pour la vidange du récipient. Une représentation schématique du mélangeur à mélange forcé est donnée dans la figure 2. Le remplissage avec la matière, de préférence en poudreS se fait d'une façon analogue à celle qui a été décrite pour le mélangeur à chute libre. Le mélange de la poudre distribuée se fait par mise en turbulence avec de l'air qui est soufflé par la plaque de fond poreuse de telle façon qu'à la direction du gaz et du transport de poudre, dirigée verticalement vers le haut, se superpose à une composante de transport horizontale et même une composante de transport dirigée vers le bas. Cet effet est obtenu d'une façon très simple par des débits variables, modifiables automatiquement, d'une façon prédéterminée, de l'air des différentsra chambres soufflées. Les durées de mélange sont inférieures à une heure. L'évacuation de la poudre mélangée ou homogénéisée est effectuée par la lance plongeuse enfoncée verticalement d'en haut avec arrivée centrale de l'air destiné au transport, ou de la façon qui a été décrite pour le mélangeur à chute libre. Exemple 1 s 200 Eg d'U02 en poudre sont prélevés sur une quantité de poudre homogène et sont introduits, comme il est décrit, dans un mélangeur à mélange forcé dont les dimensions sont : hauteur 1300 mm, largeur t000 mm, épaisseur 120 mm. A cette quantite'de poudre sont ajoutés 6 autres kg de poudre d'U02 de la même provenance colorés avec de la fuchsine. Les poudres sont alors agitées avec turbulence et mélangées pendant une durée de 40 mn avec une quantité spécifique d'air 95 Nm3/m2kppendant qu'à deux minutes d'intervalle on prélève, à l'orifice central d'évacuation du fond, des échantillons de poudre. De ces échantillons, on extrait le colorant et l'on mesure l'extinction de la solution de colorant qui se forme. L'expérience montre que cette méthode se prête bien à la détermination de la qualité du mélange. Dans cet essai, le mélange a atteint une homogénéité suffisante au--bout de 30 min. Exemnîs 2 Dans le mélangeur à mélange forcé avec épaisseur de couche de sécurité, on introduit d'une façon correspondant à l'exemple 1, 135 kg d'U02 en poudre de qualité courante, qui s'y trouve fluidisé. Dans la couche en turbulence, on introduit en plus 7,5 kg d'U308 produit par oxydation à partir de pièces frittées et 7,5 kg d'U02 en poudre fabriquée par séchage et tamisage à partir de boues d'abrasion, et on fait tourbillonner et on mélange pendant 30 min avec une quantité d'air spécifique de 100 Nm3/ m-, h. L'homogénéité de la charge de poudre a été confirmée parfaitement par de multiples détermination des propriétés spécifiques de la poudre, et par un essai de frittage ultérieur industriel. Les résultats obtenus au frittage se situent étroitement à l'intérieur de ltéventail courant de variations. $semple 3 135 kg d'U02 en poudre de qualité courante et 7,5 kg de chacune des deux qualités, U308 en poudre, et U 2 en poudre,provenant de déchets de pellets ou de boues d'abra sinon ,sont introduits dans un mélangeur à chute libre d'épaisseur de couche de sécurité. Le mélangeur à chute libre avait les dimensions suivantes Hauteur 1000 mm Largeur 1000 mm Epaisseur 120 mm Les poudres ont été mélangées pendant 30 min avec 7 rotations par minute (vitesse circonférentielle maximum 0,5 m/sec). L'homogénéité a pu Outre confirmée d'après la concordance des poudres, la densité très voisine des frittes et la bonne concordance des rendements en pellets au cours du frittage de la poudre. Exemple 4 : Dans un mélangeur à chute libre ayant les dimensions suivantes Hauteur 3500 mm Largeur 3500 mm Epaisseur 150 mm (épaisseur de couche de sécu- rité jusque 4 kd'U - 235) t on a introduit 13 charges de production de poudre d'UO2 où les qualités de poudre étaient différentes, en tout 2 t d'UO2 d'une teneur en U - 235 de 4 %, par l'intermédiaire d'un séparateur à chicanes. La charge de 2 tonnes a été homo généisée, dans un laps de temps de 30 minutes ,par rotation du récipient mélangeur présentant une géométrie de sécurité à raison de 2 tours/min (vitesse circonférentielle maximum 0,5 m/sec). Le mélange terminé, 1in02 en poudre a été extrait du récipient mélangeur bloqué, pneumatiquement, par le dispositif d'évacuation. Du courant de poudre qui s' écoulait, on a prélevé à intervalles réguliers et en quantités déterminées, des échantillons de poudre dont on a examiné les propriétés. Les valeurs trouvées pour les différentes propriétés de la poudre se situaient toutes dans les limites de la précision de la détermination. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A 2 I O N 8 10) Dispositif destiné à mélanger et homogénéiser des combustibles nucléaires contenant de 1'U-235 ou du plutonium, en phase liquide ou en phase solide, caractérisé par un récipient rectangulaire plat, vertical, tournant sur son axe central horizontal, muni d'un dispositif filtrant intégré et des ouvertures appropriées pour le remplissage et la vidange,qui sert comme chambre mélangeuse. 20) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que- le récipient présente une section carrée. 30) Dispositif selon les revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif filtrant est en métal fritté poreux. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'axe de rotation du récipient est légèrement incliné par rapport à l'axe horizontal du centre de gravité. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du récipient est choisie de façon que soit obtenue une vitesse circonférentielle suffisante, nécessaire pour le mélange intime0 60) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé parun récipient mélangeur rectangulaire, vertical, fixe, comportant ,d'une part ,un fond en métal fritté poreux permettant le soufflage et divisé en chambres, d'autre part,un dispositif filtrant, ainsi que les ouvertures nécessaires pour le remplissage et la vidange. 70) Dispositif selon les revendications i ou 2, caractérisé en ce que les différentes chambres de soufflage sont parcourues par des quantités de gaz différentes, variables, déterminées à l'avance0