Brevet FR2096732A1 — publié le 19720225

La présente invention concerne un combustible partieulâire (comme celui utilisé dans des réacteurs nucléaires fonctionnant à haute température) du type dans lequel la matière combustible est recouverte de carbone pyrolytique- imperméable 5 aux produits gazeux de fission et noyé dans une gangue de graphite, et elle visé plus particulièrement la vérification de telles particules de combustible pour déterminer la nature ' cohérente'du revêtement à 1'encontre d'une fuite de gaz de fission. 10 En examinant le problème posé par la vérification dé telles particules de combustibleil faut tenir compte du fait que ces particules sont très petites et qu'il faut un nombre beaucoup plus grand de particules de combustible dans un réacteur fonc-. .tionnant à haute température, utilisant de telles particules 15 de combustible recouvertes de carbone en comparaison du nombre des gaines utilisées dans les types antérieurs de réacteurs refroidis par un gaz et ralentis au graphite fonctionnant à des températures plus basses comme le réacteur "Magnox" ou autres réacteurs connus. Une charge/combustible d'un réacteur peut 20 comporter par exemple 10^ particules pour un réacteur fonctionnant à haute température et le niveau de défaut qui doit être 4 6 mesuré est compris entre une pour 10 et une pour 10 particules entièrement défectueuses. la présente invention géiotâtament pour objet un procédé de 25 vérification de telles particules qui est directement fonction du dégagement des gaz de fission dans le réacteur et de cette norme. L'une des conditions est que la vérification soit effectuée avant que les particules soient irradiées dans le réacteur. Avec les très nombreuses particules, il n'est pas possible de 30 les charger dans le réacteur et de vérifier et d'enlever les éléments défectueux après irradiation. Toutefois, pour la vérification avant irradiation, les particules combustibles recouvertes de carbone présentent une autre difficulté du fait que, bien que le revêtement interne 35 de carbone pyrolytique soit destiné k contenir efficacement les produits gazeux de fission à basse température, la gangue 71 13816 2 2096732 de graphite contient aussi efficacement de tels produits, bien qu'ils se diffusent à travers la gangue de graphite à des températures plus élevées. Selon la présente invention, dans la fabrication de particules 5 combustibles destinées à un réacteur nucléaire_.contenant un combustible recouvert d'un enduit.de carbone pyrolytique entouré . t d'une gangue externe de graphite, on utilise un procédé de vérification jie la cohérence .de l'enduit de carbone pyrolytique, qui consiste .à incorporer du radium 226 dans le combustible 10 et à chauffer la particule à une température d'au moins 800°C, tout en faisant circuler un gaz inerte sur les parti&ules et en examinant le gaz qui est passé sur lesdites particules, quant à sa teneur en radon 222. Cette vérification peut être effectuée à la. fin de -la fabrication, mais le chauffage destiné à la véri-15 fication peut être très commodément une phase de chauffage de la fabrication des particules. Par exemple, il peut s'agir du chauffage effectué pendant la phase de carbonisation finale de la production des particules combustibles, phase qui est normalement réalisée à une température comprise entre 800° et 20 900°C. Toutefois, après cette carbonisation, les particules • sont normalement dégazées sous vide, à une température par exemple de l'ordre de 1800°C et il peut être plus commode d'effectuer la vérification en chauffant à cette température de dégazage et, après avoir.effectué l'essai, à effectuer le 25 dégazage sous vide des particules à cette température. Les phases de carbonisation et de dégazage peuvent être combinées en faisant passer les particules-dans un four comportant deux zones de chauffage maintenues aux températures convenables , par-exemple la première à 900°C et la seconde à 1600°C, le 30 dégazage étant effectué dans un courant de gaz ; comme précédemment, l'a vérification peut être effectuée en déterminant la présence du radon dans le courant gazeux. La diffusion du radon 222 dans la gangue de graphite est d'autant plus rapide que la température est plus élevée. Si 35 l'on utilise une température relativement basse, par exemple • de 800°CJafin de réduire le retard jusqu'au processus de vérifi- COPV J 71 13816 3 2096732 cation dû au. temps nécessaire pour que le. radon se diffuse hors des grains du combustible du noyau de la particule, il peut être préférable de s'assurer que le radium soit appliqué à la surface de ces grains du combustible du noyau de la particule, 5 par exemple en incorporant ledit radium dans'le liant utilisé pour lier les grains pendant la production du noyau et le processus 'de frittage; A titre d'exemple de liants convenables,' on - * ' t ' . peut avoir recours à une paraffine ou une cétone, mais on utilise • de préférence'un mélange de stéarate de radium et de stéarate 10 d'aluminium comme liant» La quantité de radium qu'il faut incorporer dans les particules est très faible. Il a été réalisé des installations pour détecter des quantités de radon aussi faibles que 10"^ Curies (qui ne donnent qu'une ou deux désintégrations par heure). En conséquence, la quantité de radium à 15 ajouter au combustible n'est pas déterminée par les limites des techniques de.détection, mais par le temps pendant lequel il faut effectuer la vérification et les limites des techniques de détection commodes. La quantité de radium nécessaire est 8 très faible, par exemple inférieure à une partie pour 10 parties 20 d'uranium (en poids) et ne doit pas présenter de difficulté au cours du processus de fabrication si une ventilation est nécessaire. En outre,l'invention concerne une particule combustible pour réacteur nucléaire, du type dans lequel le combustible est re-25 couvert d'un enduit de carbone pyrolytique et d'une gangue externe de graphite, une faible quantité de radium 226 étant incorporée dans ledit combustible. Pour un combustible d'uranium, le radium " 8 correspond à moins de -une partie pour 10 parties (en poids) d'uranium. Le radium peut être appliqué aux grains du combustible 25 ou incorporé dans un liant des grains du combustible. Le combustible des particules est par exemple de l'oxyde d'uranium ou un mélange d'oxydes d'uranium et de thorium. Toutefois, on peut utiliser d'autres matières, par exemple le carbure d'uranium. 50 lia présente invention concerne également un appareil destiné à vérifier des particules de combustible pour réacteur nucléaire, du type décrit ci-dessus, dans lesquelles le combus 71 13816 4 2096732 tible présente un revêtement de carbone pyrolytique, est noyé dans une gangue de graphite et contient du radium 226, appareil qui comporte un dispositif pour chauffer les particules combustibles dans un four hermétique à une température d'au moins 800°C, 5 un dispositif pour faire circuler un gaz inerte dans le four et dans une chambre de décroissance ayant à sa sortie un filtre destiné à recueillir les descendants radioactifs solides du radon, et un dispositif pour vérifier la présence de toute matière radioactive sur le filtre. Cette vérification est effectuée, 10 de préférence, au moyen d'un compteur comptant toute particule alpha émise par la matière recueillie sur le filtre. Il est souhaitable de vérifier la quantité de radium incorporée dans le combustible avant de déterminer le dégagement de radon. lie râdiùm contenu dans le combustible peut être mesuré 15 par spectroscopie aux rayons gamma. Cependant, pour éviter d'attendre que le radon soit en équilibre avec le radium (le radon 222 ayant une période radioactive de 3 à 6 jours), on peut vérifier la quantité de descendants du radon contenue dans le combustible par spectroscopie aux rayons gamma avant de dé-20 terminer le dégagement du radon. A des fins d'e calibrage, on peut utiliser une boucle seconr-daire contenant une source connue de radon, le gaz étant mis en circulation à travers la source de radon et la chambre de décroissance. Commodément, la source est une solution d'une quan-25 tité connue de ohlorure de radium dans de l'acide chlorhydrique, de manière que son pH soit d'environ 2, le gaz barbotant dans la solution pour dégager le radron. Le procédé et l'appareil décrits ci-dessus permettent de mettre en oeuvre une technique d'essai non destructive pour 30 vérifier la nature cohérente des revêtements des particules à 1'encontre d'un dégagement de produits de fission gazeux, et cette technique a l'avantage particulier de permettre d'effectuer l'essai si on le désire après tassement des particules. On va donner ci-après une description d'un procédé et d'un 35 appareil destinés à vérifier la nature cohérente de l'enduit de carbone pyrolytique de particules de combustible nucléaire applicables à ce contrôle de fabrication. 71 13816 5 2096732 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement .forme limitatif, une/de réalisation de l'invention. Sur ce dessin : la figure unique représente schématiquement une forme d'appareil destiné à vérifier des masses compactes de particules combustibles. 71 13816 6 2096732 Le mode de production des particules combustibles destinées à des réacteurs refroidis par un gaz fonctionnant à haute température est bien connu et on ne décrira ci-après que les caractéristiques importantes concernant la vérification de l'intégrité de l'enduit, 5 Les particules comportent un noyau interne d'une matière combustible en poudre tassée, habituellement de l'oxyde d'uranium, bien qu'on puisse utiliser d'autres matières telles que le carbure d'uranium ou des oxydes ou carbures mixtes. Les grains de la matière sont liés ensemble par un liant et il est préférable, aux fins de la 10 présente invention, d'utiliser un mélange de stéarate de radium et de stéarate d'aluminium. Il est souhaitable que le noyau soit poreux et on peut l'obtenir en réalisant le noyau de U^Og et en le réduisant ensuite en U02 après avoir lié les grains ensemble au moyen du liant. Par cette technique, la surface des grains présente 15 un enduit contenant du radium. Le noyau est entouré d'une couche de carbone pyrolytique qui est destinée à contenir efficacement les m produits gazeux de fission aux températures de fonctionnement du réacteur. A l'extérieur de la couche de carbone pyrolytique, éventuellement sur une couche intermédiaire, est prévu un enduit externe 20 d'une gangue de graphite qui est formé par un processus de carbonisation à une température de 800° à 900°C. Au cours de la fabrication des particules, elles sont chauffées, après cette carbonisation, à une température, par exemple^de 1800°C et sont dégazées sous vide. L'appareil de vérification représenté sur le dessin annexé 25 est destiné à vérifier des masses tassées 10 comportant un four tubulaire hermétiquement fermé 11 qui est celui destiné soit à ■ chauffer les masses tassées pour le processus de carbonisation, soit celui destiné à chauffer les particules avant le dégazage. Un gaz inerte est mis en circulation par une pompe 12 dans une 30 conduite 15 à l'intérieur du four et hors de ce dernier par une conduite 14 vers une chambre de décroissance 15. Ce gaz inerte (qui peut être tout gaz ne réagissant pas avec les particules ou la matière de l'installation) entraîne tout radon 222 qui s'échappe des particules de combustible pendant le chauffage. Ce radon subit 55 une décroissance dans la chambre 15 et les descendants radio-actifs solides du radon sont filtrés à la sortie de la chambre au moyen d'un filtre 16 (commodément un filtre en acétate de cellulose du 71 '13816 2096732 type à diaphragme) et leur présence sur le filtre est détectée par un compteur 17 de particules alpha (par exemple un détecteur à l'état solide à barrage dont la surface est en silicium) qui . compte les particules alpha émises par la matière rècueillie sur 5 le filtre, le comptage étant indiqué par un dispositif d'affichage 18. l'échappement de radon indique des défauts dans le revêtement de carbone pyrolytique et,par.suite, l'indication du compteur donne • une. mesure de la proportion des revêtements défectueux des particules vérifiées. 10 A des fins de calibrage, on utilise une source connue de radon comprenant une enceinte 20 contenant une quantité connue de chlorure de radium en solution aqueuse avec suffisamment d'acide chlorhydrique pour que le pH soit d'environ 2 ; l'acide chlorhydrique est destiné à maintenir le chlorure de radium en solution. On peut 15 détourner le courant gazeux au moyen de vannes 21 pour le faire barboter dans la solution de chlorure de radium afin de dégager le radon. A des fins de calibrage, le gaz passe dans l'enceinte 20 et dans la chambre de décroissance 15 où. le radon subit une décroissance et est mesuré par le compteur 17. 20 II est souhaitable de vérifier la quantité de radium contenue dans les particules combustibles avant de déterminer le dégagement du radon. On peut le réaliser par spectroscopie aux rayons gamma. A titre de perfectionnement, la quantité des descendants du radon peut être également déterminée par spectroscopie aux rayons gamma? 25 cela évite la nécessité d'attendre jusqu'à ce que le radon soit en équilibre avec le radium. Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses, variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 71 13816 8 2096732 HEVEHDICmOHS 1. Dans la fabrication de particules combustibles pour un réacteur nucléaire comportant un combustible recouvert d'un revêtement de carbone pyrolytique entouré d'une gangue externe de graphite, 5 un procédé de vérification de l'intégrité du revêtement de carbone pyrolytique,caractérisé en ce qu'il consiste à incorporer du radium 226 dans le combustible et à chauffer les particules à.une température d'au moins 800°0 tout en faisant circuler un gaz inerte sur les particules et en déterminant la présence de radon.222 dans le 10 gaz qui est passé sur lesdites particules. 2. Procédé de vérification selon la revendication 1, caractérisé en ce que la présence de radon 222 est détectée en faisant passer le gaz dans une chambre de décroissance comportant un filtre à sa sortie pour recueillir les descendants radio-actifs solides du 15 radon et en comptant les particules alpha émises par la matière recueillie sur le filtre. 3. Procédé de vérification selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité de radium contenue dans le combustible est vérifiée par spectroscopie aux rayons gamma avant de déter- 20 miner le dégagement de radon. 4. Procédé de production de particules combustibles destinées à un réacteur nucléaire comportant un combustible recouvert d'un revêtement de carbone pyrolytique entouré d'une gangue externe de graphite, procédé caractérisé en ce que la carbonisation finale 25 est effectuée à une température de 800°C à 900°C et en ce que la vérification de l'intégrité du revêtement de carbone pyrolytique est effectuée pendant cette carbonisation finale par un procédé de vérification selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5. Procédé de production de particules combustibles destinées 30 à un réacteur nucléaire comportant un combustible recouvert d'un revêtement de carbone pyrolytique entouré d'une gangue externe de graphite, procédé caractérisé en ce qu'après leur carbonisation finale, les particules sont dégazées sous vide en les chauffant et en ce que l'intégrité du revêtement de carbone pyrolytique est 35 vérifiée après chauffage des particules à cette température de dégazage, mais avant d'effectuer le dégazage sous vide par le procédé de vérification selon l'une quelconque des revendications 1 à 3« 71 13816 9 2096732 6. Combustible pour réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il est produit par un procédé selon la revendication 4 ou 5» 7. Particules combustibles pour réacteur nucléaire du type dans lequel le combustible est recouvert d'un revêtement de carbone 5 pyrolytique entouré d'une gangue externe de graphite, particules combustibles caractérisées en ce qu'une faible quantité de radium 226 est incorporée dans le combustible. 8. Particules combustibles selon la revendication 7, caractérisées en ce que le combustible est l'uranium et en ce que le 8 10 radium 226 correspond à moins d'une partie pour 10 parties en poids d'uranium. 9. Particules combustibles selon la revendication 7 ou. 8, caractérisées en ce que le combustible est sous forme granulaire dans le noyau de la particule, les grains étant liés ensemble par 15 un liant, et en ce que le radium 226 est appliqué à la surface des grains du combustible par enduisage ou est incorporé dans le liant qui peut être, par exemple,un mélange de stéarate de radium et de stéarate d'aluminium. 10. Appareil destiné à vérifier des particules combustibles 20 pour réacteur nucléaire du type présentant un combustible recouvert d'un revêtement de carbone pyrolytique entouré d'une gangue externe de graphite et contenant du radium 226, appareil caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour chauffer les particules combustibles dans un four hermétique à une température d'au moins 800°C, 25 un dispositif pour faire circuler un gaz inerte dans le four, puis dans une chambre de décroissance, cette dernière ayant à sa sortie un filtre destiné à recueillir les descendants radio-actifs solides du radon, et un dispositif destiné à déterminer la présence de toute matière radio-active sur le filtre. 30 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte, à des fins de calibrage, une source de radon et un dispositif destiné à faire circuler le gaz à travers ladite source et la chambre de décroissance, cette source pouvant comporter du chlorure de radium en solution, le gaz barbotant dans ladite 35 solution. 12. Appareil selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le dispositif destiné à déterminer la présence de descendants fû 71 13,816 2096732 radio-actifs solides du radon sur le filtre eèt constitué par un compteur comptant les particules alpha émises par la matière radioactive recueillie sur le filtre, ledit appareil comportant également un dispositif spectroscopique aux rayons gamma pour mesurer la quantité de radium contenue dans le combustible et/ou pour mesurer la quantité de descendants du radon contenue dans le combustible.