Brevet FR2130546A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne un élément combustible pour un réacteur nucléaire rapide formé d'une matière fissile contenue dans une gaine en alliage d'acier. L'utilisation d'aciers inoxydables et d'alliages à base de nickel comme matériaux pour gainer des éléments combustibles destinés à des réacteurs rapides pose de graves problèmes métallurgiques. Une rupture à la limite des grains a été la cause de très faibles limites de déformation de la gaine. Cette rupture résulte de divers facteurs comprenant la condensation de lacunes et de vides micros- copiques engendrés par les neutrons rapides, la formation d'hélium et la transmutation provoquée par les neutrons rapides des éléments d'alliage et résiduels de l'acier inoxydable ou des alliages à base de nickel. Ces problèmes sont particuliers aux réacteurs rapides à cause des températures élevées de gaine qui règnent, à savoir de 5500C environ ou plus, en comparaison de températures de gaine d'environ 3500C dans les réacteurs thermiques du type sous pression et à eau bouillante. La présente invention a pour objet d'améliorer le gainage des éléments combustibles de réacteurs rapides de manière à augmenter la résistance de la limite des grains et à réduire l'endommageme*t de la gaine par les neutrons rapides. Selon la présente invention, ce problème est résolu en utilisant un alliage d'acier contenant de I à 1000 ppm de bore comme élément d'alliage de renforcement de la limite des grains. il s'est avéré qu'une augmentation de la teneur en bore des aciers modifie beaucoup la microstructure et réduit la tendance à une défaillance entre les grains aux températures élevées. Bien que le bore ait été ajouté aux gaines des éléments c.ombusti- bles de réacteurs nucléaires comme poison consommable, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 103 476, le bore a été introduit comme absorbeur de neutr an s et la température de fonctionnement de ces réacteurs (thermigues) est beaucoup plus basse que celle à laquelle la rupture aux limites des grains se produit. Dans les réacteurs rapides, l'hélium formé par combustion nucléaire de 10E (bore de masse 10) ne correspond qu'à une faible fraction de la totalité de lthélium engendré étant donné que la quantité de neutrons thermiques disponibles pour transformer 103 en hélium est faible. Des quantités importantes d'hélium sont engendrées par suite d'une transmutation par les neutrons rapides des élc'ments d'alliage et résiduels de l'acier inoxydable et des alliages à base de nickel. Toutefois, aussi bien dans les réacteurs thermiques que rapides, on a tendance à éliminer les traces ou quantités résiduelles de bore des alliages de gainage pour éviter autant que possible la formation d'hélium. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront de la description détaillée qui va suivre. Les éléments combustibles pour réacteurs nucléaires ont normalement la forme d'un combustible enfermé dans une gaine métallique. L'élément combustible type comprend un tube cylindrique en acier inoxydable ou autres alliages d'acier et de chrome et/ou de nickel contenant la matière fissile. La présente invention conce: ne ces matériaux de gainage pour des réacteurs rapides. Bien que les alliages d'acier et de chrome et/ou de nickel se comportent d'une manière satisfaisante aux températures maximales de gaine régnant dans les réacteurs thermiques, à savoir de 3500C environ, il n'en est pas de même dans les réacteurs rapides dans lesquels la température maximale de gaine peut atteindre 7000C ou 7600C. Comme précédemment indiqué, la combinaison de ces températures élevées et des produits d'une exposition neutronique est la cause d'une détérioration de la structure métallurgique et peut conduire à une défaillance de la gaine. Par conséquent, selon la présente invention, on ajoute du bore aux alliages de gainage dans le but d'augmenter la résistance à la limite des grains et de réduire la diminution de la ductilité résultant d'une irradiation aux températures régnant dans les réacteurs rapides. On l'effectue en introduisant de 1 à 1000 ppm de bore dans les alliages de gainage. Cela forme des borures complexes de chrome et de fer pendant la solidification de la masse fondue. Dès que ces borures sont formés, ils sont difficiles à dissoudre. La répartition du bore dans l'alliage n'est pas homogène à cause de la faible solubilité du bore et de l'affinité de ce dernier pour le carbone, ce qui se traduit par la formation de carbures contenant du bore principalement à la limite des grains. Le bore naturel contien-t environ 81,2 % de B et ne contient que 1S,8 ,0 environ de B. L'effet d'empoisonnement de 10E et l'hc'lium formC par combustion de 10E sont réduits au minimum à 10 cause du pourcentage relativement faible de 103 et du fait que les neutrons thermiques qui peuvent entre absorbés par 10E ne correspondent qu'à une faible fraction de la densité neutronique dans un réacteur rapide.Cependant, il peut être souhaitable, en particulier en présence de teneurs élevées en bore, de n'ajouter 11 Il que l'isotope B ou au moins du bore plus riche en B et moins riche en 10E que le bore naturel. Naturellement, ceci réduit la section efficace d'absorption des neutrons de la gaine contenant du bore. La présente invention a encore pour objet de renforcer la limite des grains en ajoutant du bore ainsi que d'autres éléments d'alliage tels qu'une quantité supplémentaire de carbone et/ou d'azote. Le carbone et le bore forment des carbures de boretandis que l'azote et le bore forment des nitrures de bore. Si l'on ajoute à la fois du carbone et de l'azote en présence de bore, il se forme des composés complexes qui sont des carbures-nitrures de bore. On ajoute le carbone et l'azote en une quantité calculée en fonction de la quantité de bore qui est ajoutée et du rapports désiré entre le bore et le carbone et/ou l'azote. Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. REVEï'T OLTI OFS 1. Elément combustible pour un réacteur rapide comprenant une matière fissile enfermée dans une gaine en alliage d'acier, élément combustible caractérisé en ce que l'alliage d'acier contient de 1 à 1000 ppm de bore comme élément d'alliage de renforcement de la limite des grains. 2. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bore est du bore naturel. 3. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bore contient moins de 18,8 % de 10B et plus de 81,2 % de 11B. 4. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'acier contient en outre de l'azote pour former des nitrures de bore. 5. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'acier contient en outre du carbone pour former des carbures de bore. 6. Elément combustible/selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alliage d'acier contient en outre à la fois de l'azote et du bore pour former des composés complexes qui sont des carburesnitrures de bore.