Brevet FR2046798A1 — publié le 19710312

L'alliage uranium-silicium ÏÏ^Si en.phase Delta est en principe utilisable comme combustible dans un réacteur nucléaire, ■ais sa fabrication et sa mise en oeuvre sont difficiles, et il est sujet au gonflement lors de son irradiation. L'élément coa-5 bustible peut être dessiné de façon à atténuer la question du gonflement, sans avoir & sacrifier la résistance à la corrosion et sans que l'absorption des neutrons soit accrue. On a déjà découvert que des alliages uranium-silicium ayant de 3,4 à 4,0 % en poids de silicium, présentent une bonne 10 résistance à la corrosion par l'eau s'ils sont transformés en phase Delta U^Si pendant leur traitement thermique. Hais il est difficile d'obtenir une transformation complète en phase Delta s'il se trouve des dendrites de forte dimension dans la phase pri-toaire U^Sig♦ dans le produit résultant de la coulée. S'il reste 15 de 1*uranium résiduel libre dans la structure après le traitaient thermique, la résistance à la corrosion est notablement abaissée. Qû a essayé d'utiliser un alliage ternaire U-Si-11, ne contenant pas assez de silicium pour éviter la présence d'une phase uranium libre mais, après le recuit, la résistance à la corrosion 20 par l'eau à haute température (300°C environ et au dessus) est très inférieure à celle de l'alliage binaire équivalent complètement transformé. On a maintenant découvert que, si la quantité de silicium dans des alliages ternaires contenant de petites-quantités 25 d'aluminium (Jusqu'à 1,5 % en poids), est augmentée suffisamment pour que, lors du recuit destiné à former la phase Delta, il ne reste pas de phase uranium libre, la résistance à la corrosion par l'eau à haute température, la résistance au gonflement, et les autres propriétés favorables au moment de l'irradiation, sont 30 au moins égales à celles de l'alliage binaire U^Si en phase Delta. De plus, de façon inattendue, le temps nécessaire à la transformation totale en phase Delta ÏÏ^Si à la température de recuit, lorsque la structure à la coulée contient de larges dendrites de U^Sig, est moins long que dans le cas de l'alliage binaire. 35 Les alliages entrant dans le cadre de l'invention con tiennent de 3,5 à 3,7 % en poids de silicium, de 0,1 à 1,5 % en poids d'aluminium, le reste étant formé par de l'uranium, les impuretés mises à part. S'il y a moins de silicium, il reste de l'uranium libre, et la résistance à la corrosion à haute températu-40 re à l'eau est réduite. D'autre part, si la quantité de silicium 70 21973 2. 2046798 est plus élevée, 11 se forme un excès de dendrites cassan tes, qui ne peut pas être éliminé par un traitement thermique postérieur. Au dessous de 0,1 % d'aluminium,'les améliorations de fabrication et de facilité de recuit deviennent négligeables, et 5 au dessus de 1,5 % d'aluminium, le rendement neutronique et la résistance à la corrosion deviennent médiocres. Les limites préférées sont î de 3,53 à 3,58 % de silicium, et de 0,3 à 1,25 % d'aluminium. Le total du silicium et de l'aluminium doit être suffisant pour entrer en combinaison avec la totalité de la phase 10 uranium métal pendant le traitement thermique. Le traitement thermique des alliages ••t nécessaire pour obtenir la résistance maximale à la corrosion et la densité maximale du produit, par formation d'un squelette de phase Delta UjSi, une phase Ïï-Al uniformément dispersée, et tout au plus, de 15 fines particules isolées de U^Sig. La température doit être «m minimum de 800*C, mais ne pas dépasser 850*C. Le traitaient thermique est poursuivi jusqu'à transformation'sensiblement complète de l'association U-Si en phase Delta TJ^Si, ce qui demande habituellement de 72 à 144 heures. 20 L'invention est illustrée par les exemples suivants. ETnaiELE 1. On produit les alliages par fusion, par chauffage par induction, sous haute fréquence dans un four, sous une légère surpression d'argon (afin d'éviter le dégazage du produit fondu 25 et la formation de bulles importantes dans les coulées). Le silicium est introduit sous la forme de barreaux de U^Si, et l'aluminium à l'état de métal pur. Les creusets dans le four sont e* zircone, et le produit est coulé dans des moules en graphite, sous formes de barreaux de 15 mm de diamètre. La température de 30 fusion est d'environ 1500°. Les barreaux obtenus sont traités pendant 72 heures à 800°0, de façon à former la phase Delta UjSi. On étudie la résistance des alliages à la corrosion par l'eau à 300°0. Les résultats caractéristiques sont indiqués dans le Tableau I. 35 La résistance à la corrosion de l'alliage à 2,26 % de silicium, est très médiocre, mais tous les alliages à teneurs plus élevées sont comparables à ce point de vue à l'alliage binaire U^Si. La facilité de travail de ces alliages est bonne. Ils peuvent être extradés, travaillés à froid ou autrement sans rupture 40 par fragilité. L'étude métallographique confirme que la structure 70 21973 3. 2046798 ,comporte un squelette de U^Si en phase Delta, sans uranium libre pour les alliages contenant de 3,5 à 3,7 % cLe silicium. L'alliage à 2,26 % de silicium présente dans sa structure de larges zones d'uranium libre non transformé, après le traitement thermique. TABLEAU I. Phase V. : 96,29 U : . 95,22 U : 95,83 U : 96,12 Delta Si: 2,26 Si: 3,53 Si: 3,57 Si: 3,58 tLsi Al: 1,45 Al: 1,25 Al: : 0,60 Al: 0,30 72 h.à 800° 72 h.à 800° 72 h.à 800° 72 h.à 800° 10 Augmenta tion de - poids dans 11 eau à 1—2 711 1,3 2,3 300° 15 (en ag/ cm2/h) / exemple 2. Afin d'étudier l'influence du traitement thermique sur les alliages à 0,3 % et à 0,6 % d'aluminium cités dans l'exemple 20 1, ces alliages ont été refondus dans un four sous vide, et refroidis lentement de façon à donner des dendrites relativement grosses, d'environ 100 |am de largeur, en même temps qu'une phase uranium libre. A titre de contrôle, on a également refondu un alliage binaire à 3,67 % de silicium. Des échantillons des coulées 25 correspondantes ont été traités à 800°C pendant 1/2, 1, 3, 5, 7, 10 et 22 jours, et on a mesuré l'épaisseur de la lisière de TJ^Si en phase Delta. Les essais ont montré que les alliages ternaires de la présente invention sont transformés totalement en phase Delta au bout de 22 jours, tandis, que l'alliage binaire ne se 30 transforme qu'incomplètement. La transformation de l'alliage ternaire est complète en.10 à 15 Jours. EXEMPLE 3. On prépare un alliage à 3,6 % de silicium et 0,5 % d'aluminium et un alliage binaire à 4,0 % de silicium, et on les 35 transforme en U^Si en phase Delta, comme dans l'exemple 1. Les alliages sont ensuite irradiés dans un réacteur nucléaire à pleine charge pendant 60 jours. Il n'y a aucune différence de comportement entre les deux alliages après une combustion .de 2000 MW par jour et par tonne, ce qui montre, que 1 'alliage ..ternaire pré-4-0 sente des propriétés d'irradiation au moins aussi bonnes que cel- 70 21973 4. 2046798 les des alliages binaires. Des essais de corrosion dans la vapeur à 550°C, réali- • - ses sur l'alliage à % de silicium et à 0,5 % d'aluminium ont montré que la corrosion sur cet alliage est environ dix fois 5 moins forte que sur l'alliage binaire. Les avantages de l'invention sont obtenus sans augmentation appréciable de l'absorption des neutrons par les constituants de l'alliage. | 70 21973 s- 2046798 BEVEHDIGATIOKB. 1. Alliages d'uranium caractérisés en ce qu'ils contiennent principalement de 3,5 à 3,7 % de silicium, de 0,1 à 1,5# d'aluminium, et le reste en uranium. 5 2. Alliages suivant la revendication 1, caractérisés en ce que la teneur en silicium est comprise entre 3,53 % et 3,58 % en poids. / 3. Alliages suivant la revendication 1, caractérisés en ce que la teneur en aluminium est comprise entre 0,3 % et 1,25 % 10 en poids. 4. Alliages conformes à l'une au moins des revendications 1, 2 et 3, caractérisés en ce qu'ils sont constitués par t UjSi, une faible proportion de TJA^, et de petites particules i-solées de U^Sig. 15 5» Procédé pour conférer une résistance optimale à la corrosion aux alliages suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe l'alliage coulé à environ 800°C pendant un temps compris entre 72 et 144 heures environ, jusqu'à ce que la phase uranium-silicium soit, pratiquement en totalité, formée de 20 UjSi en phase Delta. s