Brevet FR2123283A1 — publié le 19720908

t. 2123283 l'invention se rapporte à un procédé de fabrication de blocs d'éléments de combustibles, destinés à des réacteurs de puissance fonctionnant à température élevée et refroidis au gaz. l'on connaît sont, par exemple, des prismes hexagonaux en graphite ayant une largeur sur plats de 360 mm et une hauteur de 793 mm^. A l'intérieur du prisme se trouvent, en disposition hexagonale, environ 320 trous parallèles à son axe longitudinal., 10 Deux tiers de ces trous servent au logement de cylindres contenant du combustible; le reste sert de canaux de circulation du gaz hélium de refroidissement. les cylindres de combustible sont ' constitués par une matrice de carbone, dans laquelle sont incorporées la matière combustible et la matière de surrégénération, 15 sous la forme de particules enrobées. Les particules enrobées sont des noyaux sphériques d^oxydes ou de carbures de métaux lourds, dé quelques centaines de de diamètre, qui sont, de préférence, plusieurs fois enrobés de carbone déposé par voie py-rolytique. En général, on prend comme combustible CJ 235, U 233 20 et des isotopes fissiles du plutonium. Comme matière de surrégé— nération, on se sert de thorium ou de ïï 238. L'enrobage a pour but de retenir dans une large mesure les produits de fission qui se forment dans le noyau des particules. Le volume total du bloc d'élément combustible est de 89 litres, Là-dessus, 18,5 % en vo-25 lume reviennent aux canaux de refrodissement, 23,5 f° en volume aux trous destinés au combustible et 58 f° en volume au bloc de graphite formant la structure de l'élément combustible. (2) On connaît encore, par exemplev ' des blocs d'éléments combustibles ayant une largeur sur plats 30 de 383 mm et une hauteur de 1050 mm. L'élément combustible prismatique ne possède que 18 trous pour le combustible, disposés hexagonalement, et ayant un diamètre,de 63 à 70 mm, et dans lesquels sont disposés, les uns au-dessus des autres, 36 récipients de graphite (deux par trou). Entre les trous et les récipients 35 de graphite, il reste un espace annulaire de 5 on de largeur, destiné à la circulation du gaz hélium» Ls récipient en graphite est un tube de 500 mm de long, dans lequel sont empilées, les unes au-dessus des autres, dix pièces composites annulaires contenant du combustible. Les pièces composites sont constituées 40 par une matrice en graphite, faite de particules de combustible 5 Les blocs d'éléments combustibles que BAD ORIGINAL COPY 71 46545 2.- 2123283 enduites et pressées ensemble. Sur un volume total de 133 litres d'élément combustible, 18,5 % en volume reviennent aux canaux de refroidissement par le gaz hélium, 11 % en volume aux pièces composites, et 70,5 % en volume au graphite de structure. Cette ré-5 partition montre clairement que l'on ne peut remplir de combustible que 23,5 ou 11 du volume de l'élément combustible. Par contre, c'est la structure en graphite qui réclame la plus grande partie du volume, soit 58 ou 70,5 f°• Pour mieux utiliser le volume de 1'é-(3) 10 lément combustible, on a proposé v ' des blocs d'éléments de combustible comprimé. Contrairement aux blocs d'éléments combustibles cités ci-dessus, le bloc d'élément combustible comprimé est tua prisme compact, pourvu intérieurement de canaux de refroidissement, et qui n'est constitué que d'une matrice en graphite d'-15 seul tenant avec des particules de combustibles enrobées, l'essentiel est ici que la matrice en graphite, dans laquelle sont pressées les particules enrobées, forme, en même temps, la structure de l'élément combustible. Par suite, les particules de combustible disposent proportionnelle-20 ment d'un volume beaucoup plus important de l'élément combustible. En outre, on peut se dispenser des fentes agissant comme barrière à l'écoulement de la chaleur entre la zone de combustible et la structure en graphite. De ce fait, pour line même charge en élément combustible, la densité de puissance dans la 25 zone du combustible est fortement réduite, l'évacuation de la chaleur est considérablement améliorée, et, en conséquence, sont fortement diminués le gradient de température, et, de ce fait, les tensions thermiques et celles que crée le rayonnement. D'autre part, les faibles tensions et la meilleure utilisation du vo-30 lume du prisme permettent d'augmenter de plusieurs fois la teneur en combustible et en matière surrégénératrice" dans l'élément combustible, ce grâce à quoi le dessin des canaux de refroidissement (volume et surface) peut être adapté à des conditions optimales pour le refroidissement du réacteur, sans restric-35 tion de la part de l'élément combustible. l'augmentation de la charge de combustible diminue considérablement les coûts de far-brication de 1'élément combustible, et conduit en même temps à une densité de puissance plus élevée dans le noyau du réacteur, ce qui autorise des investissements moindres 40 La possibilité de dessiner les canaux 71 46545 3.- 2123283 de refroidissement sans restriction réduit la perte de charge de l'hélium dans le noyau du réacteur, e+ par conséquent, la puissance de pompage nécessaire à la circulation de cet hélium, ce qui abaisse encore les coûts de production du courant» 5 En outre, la matrice de graphite sert de modérateur, de conducteur de la chaleur, de barrière secondaire pour les produits de la fission, et elle protège les particules enrobées contre une corrosion dommageable par des impuretés qui se trouvent sous forme de traces dans le gaz hélium de re— 10 froidissement• la matrice de graphite est soumise à toute une série d'exigences : 1.- Bon comportement au rayonnement, jusqu'à des températures de 1400°C et jusqu'à une dose de neu-15 trons rapide (E 0,1 MeV) d'environ 7 x 1021 nvt. Cette exigence "suppose une matrice en graphite de haute cristallinité, et aussi isotrope que possible. 2m— Une bonne conductibilité calorifique, et un coefficient de dilatation thermique aussi faible que 20 possible, afin d'éviter l'apparition de contraites thermiques inadmissibles dans le bloc d'élément combustible. 3m- Bonnes caractéristiques de solidité, 4.- Bonne résistance à la corrosion. 25 En outre, il est nécessaire, lors de la fabrication, d'obtenir un pressage impeccable des particules de combustible enrobées dans la matrice de graphite. La présente invention a pour but d'éluder les difficultés technologiques des procédés connus, et 30 de permettre la fabrication d'un élément combustible de taille et de foime quelconques, et satisfaisant à toutes ces exigences. Suivant l'invention, on prépare, tout d'abord, à partir de poudre à mouler, un granulat de graphite isotrope de haute densité et ayant une certaine porosité définie; 35 on comprime ensuite à chaud, à basse pression, par exemple à seulement 60 kg/cm2 environ, ce granulat isotrope avec des particules de combustible enrobées, pour donner un élément combustible isotrope; la poudre à mouler destinée à la préparation du granulat étant constituée d'un mélange de graphite naturel et 40 d'une résine de liaison, de graphite artificiel et de résine de 71 46545 4.- 2123283 liaison, ou bien d'un mélange des deux poudres de graphite avec la résine de liaison. Suivant l'invention, pour préparer 1'-isogranulat, dans une première étape, on presse de façon isotro-5 pe à haute pression, une fine poudre de graphite de haute cris-tallinité avec un additif liant (de préférence une résine de phénol-formaldéhyde) dans des moules de caoutchouc, pour en faire des billes. Les billes sont ensuite broyées en un granulat ayant une granulométrie moyenne d'environ 1 mm. On choisit la 10 finesse de la poudre de graphite de départ de façon que chaque granule soit constitué d'environ 1 000 000 de grains de graphite, disposés de façon isotrope. Pour la préparation de la poudre à mouler, tous les graphites de haute cristallinité, par exemple la poudre de graphite naturelle, la poudre de graphite artificiel-15 le, ou un mélange des deux, conviennent, quelle que soit la forme des grains. Dans la deuxième étape, les particules de graphite enrobées sont revêtues dans un tambour tournant, suivant une sorte de procédé de dragéification, par de la poudre à mouler de même composition, puis pressées en blocs, avec l'isogranulat, à 20 une température dans le domaine de plasticité de la résine liante. La température du pressage dépend du point de ramollissement de la résine. Si l'on utilise une résine de phénol-formaldéhyde, cette température est d'environ 130°C. Pour la cokéfaction du liant, les corps moulés sont alors chauffés en atmosphère inerte 25 à 800°C, et ensuite sous vide à 1800°C. Cette calcination purifie la matrice de graphite, et la débarrasse de son hydrogène. Cela fait de plus passer le coke de liaison d'une structure désordonnée à une structure de carbone hautement ordonnée. Ainsi, surtout s'améliorent considérablement la résistance à l'oxyda-30 tion et la conductibilité calorifique de la matrice. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples non limitatifs suivants s EXEMPLE 1 - Fabrication d'un cylindre en isogra- 35 nulat sans combustible : A partir d'un mélange de 60 % en poids de graphite naturel "FP", 20 ^ en poids d'une poudre de coke de pétrole graphitée et de 20 % en poids de "résine liante 1949», on prépare la poudre à mouler par pétrissage, séchage et 40 broyage. La poudre "FP" est un graphite de pureté nucléaire ayant 71 46545 5.- 2123283 une teneur en cendres de 200 ppm; une granulometrie moyenne de 20 U, , et une cristallinité élevée (taille des cristallites ° L = 1 000 A). La poudre de pétrole graphitée est un coke gra-c phité à 3 000°C, ayant une teneur en cendres extrêmement faible 5 (cendres 10 ppm). une granulométrie moyenne de 20 U. et une 0 taille de cristallites L de 500 A. Le "liant 1949" est une ré- v sine artificielle de phénol-formaldéhyde ayant un degré de condensation élevé (point de ramollissement 100°C ou poids moléculaire 700), qui reste stable pendant le moulage à 150°C, et ne 10 subit pas de modifications de ses propriétés. A partir de la poudre à mouler, on moule à la température ordinaire et sous une pression de 3 kbars, dans des moules en caoutchouc, des billes de 62 mm de diamètre, ayant une densité de 1,9 g/cm^. Le moulage dans les moules en 15 caoutchouc utilisés ici- permet tm compactage isotrope malgré la forme lamellaire des grains de la poudre de graphite naturel. Le coefficiént d'anisotropie de la dilatation thermique mesuré sur ces billes n'est que de c*ij_ j=1,1. L'isogranulat utilisé, ayant une gra-20 nulométrie de 3,15 Js, d V, 0,315 mm, est obtenu par broyage des billes de graphite suivi d'un tamisage. Avec l'isogranulat, on . moule des cylindres à 150°C dans des matrices en acier. Pour une densité initiale de 1 ,8 bars, la pression de moulage nécessaire n'est que de 60 bars. Les corps moulés sont transformés en coke 25 dans un courant de gaz inerte, et enfin calcinés sous vide à 1800°C. Le tableau ci-dessous confronte les propriétés de la matrice préparée à partir d'isogranulat avec les propriétés de la matrice moulée à partir de poudre. 30 Matrice de graphite de l'isogra- de la poudre à nulat mouler Densité (g/cm?) 1,76 1,65 Résistance électr.spécif. // 1,39 1,18 (en ohm x cm x 10~^ ) J. 1,97 3,40 35 Résistance à la flexion // 160 300 (en bars ) J. 120 150 Conductibilité calorifique // 0,16 0,18 à 20°C (cal/cm/s/°C) 0,13 0,07 Dilatation thermique // 2,15 1,6 40 linéaire (10"6/°C) 5»21 5>6 71 46545 6.- 2123283 matrice de graphite de l'isogranulat de la poudre à mouler j&eteur d'anisotropie de la dilatation thermique 1,49 3,5 5 // = parallèle à l'orientation du grain / =,perpendiculaire à l'orientation du grain Ce tableau montre clairement que, suivant l'invention, toutes les propriétés de la matrice de graphite sont, en ce qui concerne l'isotropie, considérablement amé-10 liorées. Ceci ressort le plus clairement du facteur d'anisotropie de la dilatation thermique, qui est ramené de 3,5 à 1,49. Ainsi, suivant l'invention, on peut même mouler une poudre de graphite naturel, dont l'avantage réside dans une cristallinité élevée, mais ayant des grains en lamellaires extrêmement défavo-15 rables, pour obtenir des cylindres ou des prismes quasi isotropes, et homogènes. EXEMPLE 2 - 20 l'exemple 1. Par broyage des billes suivi d'un tamisage, il apparaît environ 30 % en poids de grains fins (d 0,21 mm), que l'on repasse avec la poudre à mouler, et le mélange est de nouveau moulé en billes. A partir de l'isogranulat, on prémoule, à 70°C et à une pression d'environ 30 bars, un cylindre ayant un 25 diamètre de 240 mm et une hauteur de 450 mm. A l'intérieur du cylindre, parallèlement à son axe, on incorpore au moment du moulage, en disposition hexagonale, 19 tubes métalliques de 26 mm de diamètre. En enlevant 18 de ces tubes, on obtient des canaux de logement du combustible. Les particules de combustible utilisées 30 ici sont des grains d'oxyde de thorium, et d'uranium, de 500 JJl. de diamètre, enduits de carbone pyrolytique et comportant une couche intermédiaire de carbure de silicium. tes dans tin tambour tournant, par une espèce de procédé de dra-35 géification, de poudre à mouler, de telle sorte que leur poids augmente du facteur 1,8. A partir de ces particules de combustible enveloppées, on prémoule à une température d'environ 70°C et sous tme pression d'environ 30 bars, des cylindres de 25,5 mm de diamètre. Après remplissage des 18 Canaux par des cylindres 40 de combustible, le bloc entier est chauffé à environ 150°C, et Fabrication de l1élément en bloc L'isogranulat est préparé comme dans Les articules enrobées sont recouver- 71 46545 7- 2123283 ' son moulage est terminé h une pression d'environ 60 bars. Après le pressage, la densité de la matrice est de 1,8 g/ca.3 avec une proportion volumétrique de 35 de particules enrobées dans les zones du combustible. Ensuite, pour des raisons de simplicité, 5 on perfore autour des colonnes de combustible 54 canaux de refroidissement en disposition hexagonale. Un tel bloc d'élément combustible est représenté sur la figure 1. Ce bloc est constitué par un prisme 10 hexagonallou par du graphite et possède 18 zones (2) de combustible, fait d'un mélange de graphite et de particules enrobées. On a, en outre, prévu 54 canaux (3) de refroidissement et un canal central (4) de chargement. les canaux de refroidissement peuvent 15 être moulés simultanément avec le moulage du bloc d'élément combustible, afin qu'à la cokéfaction on évite, à l'intérieur du bloc, une accumulation inadmissible de la pression des produits du craquage. Pour cela, on incorpore, au moment du moulage, des barreaux métalliques correspondants, et on les enlève après le 20 moulage. Pour la cokéfaction du liant, l'élément combustible est calciné dans un courant d'azote à 800°C. Pour faire coïncider les unes avec les autres les variations de dimensions s de la zone contenant du combustible et de celle qui n'en contient pas, on élève le degré de condensation de la résine de formaldéhyde 25 utilisée pour l'enveloppement. Ceci se fait par une faible addition d'hexaméthylène-tétramine à la résine liante. Parallèlement à ceci, on moule, dans les mêmes conditions de préparation, des cylindres ayant une charge de particules dans la zone combustible de 35 en volume 30 et, après traitement final, à la chaleur, on recherche si les particules de combustible ont été encommagées. la matrice de graphite des échantillons est détruite par électrolyse (oxydation anodique) et on recherche, dans 1'électrolyte (acide nitrique dilué), l'uranium libre. La quantité totale d'uranium ain-35 si trouvée n'est que de 13 microgrammes, ce qui ne correspond qu'à un tiers de la quantité d'uranium d'une particule de com— bustile. Ce résultat montre clairement que, suivant l'invention, les particules enduites restent parfaitement inaltérées» Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits à partir 40 desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention» 71 46545 8.- 2123283 REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de blocs d'éléments combustibles moulés, ayant une structure isotrope, et destinés à des réacteurs de puissance fonctionnant à tempéra-5 ture élevée et refroidis au gaz, caractérisé en ce que l'on prépare tout d'abord, à partir de poudre à mouler, un granulat de graphite isotrope de haute densité ayant une porosité définie et qu'ensuite ce granulat isotrope est, en même temps que des particules de combustible enduites, pressé à chaud à basse pression 10 pour donner un élément combustible isotrope, la poudre à mouler destinée à la préparation du granulat étant constituée d'un mélange de graphite naturel et-d'une résine liante; de graphite artificiel et de résine liante; ou d'un mélange des deux poudres de graphite avec la résine liante. 15 2.- Procédé suivant la revendication 1t caractérisé en ce que le granulat possède une granulométrie moyenne de 1 mm environ, et la poudre une granulométrie moyenne d'environ 20 . 3.- Procédé suivant l'une quelconque 20 des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, à partir d'une poudre à mouler convenable, on moule des billes de façon isotrope, à la température ambiante et sous une pression élevée, dans des moules en caoutchouc et en ce qu'ensuite oh les broie en un granulat ayant la granulométrie souhaitée. 25 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour la préparation du granulat, on utilise une poudre de graphite de cristal-linité élevée. 5.- Procédé suivant l'une quelconque 30 des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans la préparation du granulat, les grains fins passant au tamis sont mélangés à la poudre à mouler et de nouveau utilisés à la préparation des billes. 6.- Procédé suivant l'une quelconque 35 des revendications 1 à 5» caractérisé en ce que chaque granule est en moyenne constitué par quelques centaines de milliers de grains de graphite primaires, disposés de façon isotrope. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la composition 40 de la matrice de graphite est identique dans les zones contenant 71 46545 9.- 2123283 du combustible et dans les zones exemptes de combustible. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le degré de condensation ou le poids moléculaire du liant9 dans la zone contenait 5 du combustible, est relevé par rapport à la zone exempte de combustible, autant qu'il le faut pour que, lors de la cokéfaction, l'on évite des différences dans le comportement à la rétraction ou à la dilatation des deux zones» 9.- Procédé suivant l'une quelconque 10 des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le bloc d'élément combustible est, avant le traitement à la chaleur, pourvu de canaux de refroidissement» 10.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9» caractérisé en ce que la matrice de 15 graphite qui se forme lors du perçage des canaux de refroidissement est recyclée dans le mélange à pétrir, et réutilisée à la préparation de la poudre à mouler.