Brevet FR2083489A1 — publié le 19711217

i 2083489 La présente invention concerne la produet ion de pièces contenant du combustible nucléaire. Une façon déjà proposée pour utiliser dans un réacteur nucléaire du combustible nucléaire retenant les produits de fission consiste à utiliser une charge de particules de combustible nucléaire retenant les produits de fission, ces particules étant formées par des noyaux de combustibles portant un revêtement retenant les produits de fission, et à appliquer sur chaque particule un revêtement extérieur adhérent mais déformable, par exemple formé à partir d'une résine synthétique polymérisable et de la poudre de graphite» Une masse de ces particules portant ce revêtement extérieur est ensuite placée dans un moule pour être comprimée afin d'obtenir une pièce ou élément cohérent contenant le combustible pouvant être facilement manipulé comme constituant combustible,, Bien que des particules de dimensions égales avec des revêtements extérieurs uniformes puissent apparemment avoir après compression une distribution uniforme des particules dans la masse, dans la pratique la compression engendre des pressions non uniformes et un écoulement asymétrique de la matière du revêtement extérieur (qui forme finalement ïa matrice), entraînant le risque de contact entre particules pouvant conduire à la rupture des revêtements» Même si le contact entre particules n'a pas lieu, il peut cependant en résulter une distribution irrégulière des particules de combustible dans l'aggloméré. Il est évident qu'une distribution irrégulière du combustible dans le produit final est indésirable non seulement en raison du risque d ' endommageaient des particules, mais aussi du point de vue du transfert de chaleur et des caractéristiques physiques pour le réacteur» - - L'invention a pour objet line pièce comprimée contenant du combustible nucléaire et constituée par une masse cohérente de -particules de combustible nucléaire retenant les produits de fission recouverte d'un revêtement extérieur ou supplémentaire au moins en-deux couches, la couche la plus extérieure étant formée, -par une^mâtière plus déformable que celle- formant- la "couche-plus^voisine de la particule combustible,-la.matière de 71 07963 2 2083489 la couche extérieure remplissant pratiquement du fait de la compression, les interstices entre les particules et les particules portant le revêtement retenant 1® produits de fission étant séparées par la couche intérieure du revêtement supplé-5 mentaire ou extérieur„ Les couches de revêtement extérieur ou supplémentaire sont telles qu'elles présentent des caractéristiques différentes pendant la compression afin qu'elles aient les fonctions suivantes„ 10 La couche intérieure du revêtement extérieur ou supplémentaire est une couche suffisamment ferme qui empêche que les particules retenant les produits de fission ne viennent en contact„ La couche la plus extérieure du revêtement extérieur a de préférence line épaisseur suffisante pour qu'elle puisse 15 remplir les vides existant normalement entre les particules de la masse, c'est-à-dire qu'elle représente approximativement au moins 35 % du volume final prévu de la pièce, et sa viscosité est telle que du fait des pressions exercées pendant la compression, la matière de cette couche s'écoule dans les vides ou 20 Interstices de la masse. L'invention a aussi pour objet un procédé pour former une pièce contenant du combustible nucléaire du type considéré ci-dessus, ce procédé comportant l'application d'au moins deux couches d'une matière de revêtement extérieur sur les parti-25 cules de combustible nucléaire retenant les produits de fission, les caractéristiques rhéologiques cfe Jacouche la plus voisine de la particule combustible étant différentes de celles de la couche extérieure afin que la couche extérieure se déforme d'une façon plus importante que la couche intérieure, l'intro-30 duction d'une charge de ces particules dans une cavité de moule pour les comprimer afin que la matière de la couche extérieure remplisse pratiquement les intervalles entre les particules, les particules étant cependant maintenues séparées par la couche plus intérieure moins déformable de la matière formant le 35 revêtement extérieur. Une différence convenable entre les caractéristiques rhéologiques des couches de matière formant le revêtement extérieur peut être obtenue^ de différentes façons. Par exemple, 71 07963 3 2083489 les matières utilisées pour les deux couches peuvent avoir des compositions différentes (exemple 2)s les produits formant les deux couches peuvent être les mêmes mais avec des proportions différentes {exemple 1)^ les couches peuvent être soumises après 5 leur formation à des traitements physiques différents pendant une étape intermédiaire entre les deux étapes de revêtement (exemple 3)* ou les sources de matières devant former les couches peuvent être différentes, ou encore ces sources peuvent être formées d'une matière ayant des dimensions différentes 10 de grains afin que les caractéristiques rhéologiques soient différentes (exemple 4). L'invention est illustrée plus particulièrement parles exemples suivants : 15 Exemple 1„ Des noyaux sensiblement sphériques formés de grains de Uû.-, et de stéarate d'aluminium comme liant sont d'abord revêtus successivement de trois couches de carbone pyrolytique^ de carbure de silicium et de carbone pyrolytique pour obtenir 20 des particules de combustible nucléaire retenant les produits de fission» Ces particules sont ensuite triées pour obtenir des lots de particules revêtues de diamètre global sensiblement uniforme pour chaque lot» Ces particules sont ensuite traitées pour la formation d'un revêtement extérieur ou supplémentaire 25 par application de deux couches de matière de revêtement extérieur de la façon suivante„ 1. Préparation de la matière pour le revêtement extérieur Du coke de pétrole calciné est d'abord broyé et tamisé 30 pour obtenir une fraction en particules de dimensions inférieures à 50 micronsj, après quoi les particules sont graphitisées par chauffage à 2 600°Co Après refroidissement les particules graphitisées sont mélangées avec une solution contenant une quantité prédéterminée de résine phénol-formaldéhyde„ Le solvant est 35 ensuite évaporé et le produit est broyé pour obtenir une fraction de graphite en grains de dinensions inférieures à 80 microns contenant la résine» La quantité de résine est d'environ 12 % en poids de la poudre. Ce produit est appelé matière de revêtement 71 07963 4 2083489 extérieur à 12 % de résine polymérisable„ Une autre quantité de coke de pétrole calciné broyé est traitée de façon similaire.» mais avec une teneur finale de résine de 25 % en poids des grains portant le revêtement. Ce 5 produit est appelé matière de revêtement extérieur à 25 % de résine polymérisable, 2. Application de la matière de revêtement extérieur. Une charge de particules de combustible retenant les 10 produits de fission est placée dans un tambour ayant une extrémité ouverte et un diamètre de 610 mm. Le tambour est monté pour que son axe soit incliné de 15° par rapport à l'horizontale, et il est entraîné à une vitesse d'environ 30 tours par minute» De Is matière pour revêtement extérieur- à 12 $ de .résine **??-3 5 ver se i par gravita dans le camocur avec pulvérisation su;:' les graii;^ ce façon intermittence d'al^ocl a brûler., qui est. un fra lï. r-^slne pendant L'entrie les grains ca.zrs le tembou,-, La formant le liant, pour les graiiiô est ainsi ramollie» et par- :-uite les grains adhèrent aux particules eulcutanfc 20 dans ce tamccur; L•opération est poursuivie jusqu'à, la formation a'une couche de revêtement extérieur de 50 microns. Le tambour ainsi que l'alimentation en matière de revêtement extérieur à 12 % de résine sont alors arrêtés. Si cela est nécessaire, les particules portant le 25 revateiiienc extérieur partiel peuvent être tami.tées à ce moment pour assurer un diamètre uniforme,, après quoi c:s particules sont î-afl-icées dans le tambour... L'opération de revêtement extérieur esc ensuite reprise en remplaçant la matière de revêtement supplément air-e précédente par de la matière de rervtement suppleman-30 taire à 25 '% de résine. La seconds couche de ,r-evêtement tupplé-mentaire est établie d'une façon similaire à la formation de la première, Quand une nouvelle couche âà 50 r.-.icr-ons est formées le traitement est arrêté et les particules sent enlevées du tambour. 35 La oh?r-ge de partielles portant le revêtement extérieur en deux couches eit ensuite placée dans la cavité cylindrique d'une moule* et les particules sont chauffées à la température à. laquelle la résine du revêtement extérieur- est ramollie tout BAD original y 71 07963 5 2083489 en ne subissant pas une polymérisation trop rapide* c'est-à-dire qu'elles sont chauffées dans ce cas à une température d'environ 80°C à 90°Co Une pression d'environ JO kg/cm^ est ensuite exercée avec un poinçon en forme de piston sur les particules pour que la masse prenne une forme correspondant à celle de la cavité du moule» Dans ces conditions, la matière formant la couche extérieure du revêtement extérieur s1 écoule pour remplir pratiquement les interstices entre les particules, tandis que la couche intérieure (ou les couches intérieures) ne sont pratiquement pas déformées, ce qui assure que les surfaces de revêtement retenant les produits de fission des particules voisines soient maintenues séparées par me épaisseur de matrice égale environ au double de l'épaisseur de la couche intérieure moins déformable du revêtement extérieur» Suivant cet essai, quand la pression complète a été établie et que les déplacements du poinçon et du contenu du moule ont cessé, la température du moule est élevée à 180°C pour provoquer la polymérisation de la résine dans toute la masse de la pièce. La pièce est ensuite éjectée et est chauffée à 800°C pendant plusieurs heures dans une atmosphère inerte pour provoquer la carbonisation de la résine» A l'examen, il est constaté que la pièce est formée d'une masse cohérente de particules de combustible dispersées à peu près uniformément dans une matrice de graphite » Exemple 2. Les opérations de l'exemple 1 sont répétées, mais en utilisant comme matière de revêtement extérieur pour les deux couches une matière ayant la même teneur en résine mais avec incorporation dans la matière pour la couche extérieure d'une certaine quantité de lubrifiant-plastifiant, par exemple de l'acide stéarique (il sera noté que l'acide stéarique fond à 69=C et que par suite il se liquéfie et assure la lubrification à la température de moulage sous pression), pour favoriser la déformation préférentielle de la couche extérieure pendant le moulage sous pression» Par ailleurs, les conditions de traitement sont identiques à celles de l'exemple 1» 71 07963 6 2083489 Suivant ce exemple les matières utilisées pour les deux couches du revêtement extérieur ont. la même composition. Cependant, à la fin de la formation de la première couche, la 5 température de la charge est augmentée pour provoquer la polymérisation partielle ou complète de la résine formant la première couche, après quoi la seconde couche est appliquée» La polymérisation peut avoir lieu dans le tambour ou dans un autre récipient. La compression est effectuée comme dans les cas précédents, 10 la couche extérieure non polymérisée étant seule pratiquement déformée, La polymérisation complète des deux couches est ensuite provoquée sous pression comme dans les cas précédents. Suivant une variante de l'exemple 3* la polymérisation partielle ou complète de la couche intérieure du revêtement 15 extérieur peut être provoquée par mise en contact des particules avec un agent de polymérisation entre les deux étapes de revêtement . Exemple 4. 20 II a été constaté que des poudres de graphite ayant des distributions différentes des dimensions des grains ont des caractéristiques rhéologiques très différentes pendant le moulage sous pression si elles sont imprégnées avec des quantités identiques de résine. 25 Suivant le présent exemple, les aptitudes différentes de déformation des couches du revêtement extérieur sont obtenues en utilisant deux poudres de graphite d'origines différentes ou ayant des distributions différentes de dimensions de particules, les deux poudres étant imprégnées avec la même quantité de 30 résine et avec des quantités semblables de plastifiant ou de lubrifiant. Par exemple, l'utilisation d'une poudre obtenue par broyage de graphite obtenu en partant de gilsonite et imprégnée de 12 % de résine pour la couche intérieure forme une couche 35 de revêtement intérieure moins déformable pendant le moulage sous pression que la couche extérieure formée de poudre en aiguilles graphitisés avec le même pourcentage de résine„ 71 07963 7 2083489 Suivant une autre variante, du graphite d'une origine similaire peut être utilisé pour les deux couches, mais en utilisant deux poudres ayant des particules de dimensions différentes avec des distributions différentes des dimensions des particules de façon à obtenir une plus grande aptitude à la déformation pour la couche extérieure. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 71 07963 2083489 REVENDICATIONS 1. Procédé pour former une pièce contenant du combustible nucléaire caractérisé par l'application d'au moins deux couches d'une matière de revêtement extérieur sur des particules de combustible nucléaire retenant les produits de fission afin que les carac-^ téristiques rhéologiques de la couche la plus voisine de la particule de combustible diffèrent de celles de laoaxhe otbâieue afin que la couche atbé-rieure puisse être déformée d'une façon plus importante que la couche intérieure, l'introduction d'une charge de ces particules portant le revêtement extérieur supplémentaire dans la cavité d'un moule et la compression des particules de façon que la matière de la couche extérieure remplisse pratiquement les Interstices entre les particules mais que les particules restent séparées par la couche Intérieure moins déformable de matière de revêtement extérieur, 2„ Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce ]_p, que la différence des caractéristiques rhéologiques est ootenue en utilisant des proportions variables d'ingrédients pour les deux couches du revêtement extérieur, 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière formant les couches du revêtement extérieur est 20 constituée par cë la poudre de graphite imprégnée d'une résine polyme-risable., la matière pour la couche extérieure contenait une proportion plus élevée de résine que la matière pour la couche intérieure. 4„ Procédé selon la revendication \ caractérisé en ce que la différence entre les caractéristiques rhéologiques est obtenue 25 en utilisant des compositions différentes pour les matières pour les deux couches du revêtement extérieur, 5o Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière pour la couche extérieure contient un lubrifiant-plastifiant pour le moulage sous pression, 3Ô 60 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence des caractéristiques rhéologiques est obtenue en utilisant des Ingrédients différents et des proportions différentes d'ingrédients pour les couches. 7- Procédé selon la revendication 1/ caractérisé en ce que 35 la différence des caractéristiques rhéologiques est obtenue en soumettant les couches à des traitements physiques différents» BAD ORIGINAL A 71 07963 9 2083489 8. Procédé selon la revendication J, caractérisé en ce que la matière pour les deux couches contient une résine polymérisable, la couche intérieure étant polymérisée au moins partiellement avant l'application de la couche extérieure. ^ 9„ Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le revêtement des particules retenant les produits de fission avec une couche intérieure de revêtement extérieur en poudre de graphite avec une résine polymérisable, cette couche intérieure étant polymérisée au moins partiellement avant l'application de la seconde couche en matière similaire de revêtement extérieur., les particules étant comprimées pendant que la couche extérieure est à l'état non polymérisé, et le produit résultant étant ensuite chauffé en maintenant la pression jusqu'à polymérisation complète de l'ensemble. ^ 10„ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matières pour le revêtement extérieur sont formées de graphite en poudre et de résine polymérisable, les caractéristiques rhéologiques différentes pour les deux couches étant obtenues par le choix des sources de graphite. 20 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matière pour la couche intérieure de revêtement extérieur est formée de poudre de graphite obtenue à partir de gilsonite et de résine polymérisable et la matière pour la couche extérieure du revêtement extérieur est formée de poudre de graphite obtenue 25 à partir de coke en aiguilles et de résine polymérisable. x 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matières pour former la couche intérieure et la couche extérieure du revêtement extérieur sont des poudres de graphite d'origine similaire mais avec des dimensions de grains différents. -jq 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3, '7, 8, 9 et 11 caractérisé en ce que la matière pour la couche extérieure contient une proportion plus élevée de lubrifiant pour moulage sais pression que la matière pour la coushe extérieure durevetemsnt extérieur. 14. Procédé pour former une pièce comprimée formée d'une masse de particule? de combustible nucléaire retenant les produits de fission dispersées dans une matrice de matière graphitique caractérisé par l'application sur chaque particule d'une couche intérieure de revêtement extérieur formée de graphite en poudre 71 07963 10 2083489 et d'une résine polymérisable, l'application d'une seconde couche similaire mais plus facilement déformable sous pression que la première couche, l'introduction des particules formant le revêtement extérieur dans la cavité d'un moule, le chauffage 5 et la compression des particules pour le ramollissement des particules de la résine, et, après la déformation de la couche exté- -rieure du revêtement extérieur par compression, la polymérisation de la totalité de la résine pendant le maintien de la pression. 15= Pièce de combustible nucléaire comprimé, caractérisé 10 par une masse cohérente de particules de combustible nucléaire retenant les produits de fission distribuées de façon sensiblement uniforme dans une matrice de graphite et de résine polymérisée et carbonisée, les revêtements retenant les produits de fission étant espacés par des couches de matière formant la matrice et 15 préalablement appliqués sur le revêtement retenant les produits de fission, et les espaces entre les particules portant ces revêtements étant occupés par le mélange de graphite et de résine polymérisée et carbonisée.