Brevet FR2266666A1 — publié le 19751031

La présente invention concerne un procédé et un appareil de réalisation de microsphères calibrées (sphères creuses de verre) destinées à constituer des récipients de combustible thermonucléaire. Plus précisément, l'invention concerne la réalisation de microsphères ayant une dimension et une épaisseur de paroi qui sont réglées par ajustement de la charge, -de la composition du verre, de la dimension d'une fritte et des conditions de propreté utilisées pour la mise en oeuvre du procédé0 On a consacré actuellement beaucoup de travail pour la réalisation dune réaction de fusion par exposition d'une quantité de combustible de fusion, par exemple de deutérium ou de deutérium-tritium à un faisceau laser pulsé. les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 9 378 446, 3 489-645, 3 624 239 et 3 762 992 décrivent un tel procédé de manière générale. les brevets précités décrivent l'utilisation d'une gouttelette de deutérium ou d'une boulette à une température cryogénique, si bien que la gouttelette peut être traitée zJ e matière solide. Ces brevets décrivent l'introduction de gouttes de combustible dans une chambre de réaction et la synchronisation ge l'impulsion laser de manière qu'elle ren- contre la gouttelette sensiblement au centre de la chambre de réaction.La we-5rde de brevet français n 74058779 déposée le 26 novembre 1974 par la Demanderesse sous le titre "Combustible thermonucléaire et son procédé de préparation" décrit une configuration de combustible sous forme d'une minuscule sphère creuse de verre remplie du combustible de fusion, par exemple de deutérium ou de deutérium-tritium, cette configuration étant obtenue par-mise en oeuvre des caractéristiques propres de perméabilité des parois de verre de la sphère et par traversée des parois vers l'intérieur de la sphère par le combustible sous forme gazeuse.Lorsque le combustible est chargé, les sphères peuvent entre conservées pendant de longues périodes dans des conditions convenables jusqu'à leur utilisation dans un procédé de fusion. Bien que des sphères creuses de verre soient disponibles en quantité industrielle, le défaut d'uniformité de la dimension et de l'épaisseur de parois les rend indésirables pour un procédé de fusion0 L'invention concerne un procédé et un appareil de realisation de sphères de verre de très petit diamètre, par exemple de 100 à 400 microns. Elle concerne aussi le réglage de la dimension particulaire de la sphère par réglage de la matière introduite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessinsannexés sur lesquels la figure 1 est un schéma d'un appareil utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; et la figure 2 est une courbe montrant la relation entre le diamètre externe des microsphères, porté en microns en ordonnées, et la dimension linéaire de la particule cubique de fritte, portée en microns en abscisses, pour diverses épaisseurs de parois des sphères de verre obtenues. les critères auxquels doivent satisfaire les microsphères sont les suivants4 TABLEAU Critères imposés au verre utilisé pour la réalisation de sphères minuscules Aptitude à supporter un cycle- thermique : 40K-6000K Résistance au cisaillement : > 7.108 Pa Résistance à la traction : > 7.109 Pa Résistance à l'abrasion : élevée Perméabilité à l'hydrogène à 6000K : 10L8 Perméabilité à l'hydrogène à 300 K : 10 17 Perméabilité à l'hydrogène à 77 K : 10-17 Facteur de réflexion de 10 à 50 microns : élevé Facteur de réflexion à 1,06 micron : faible Coefficient d'absorption à 1 ,06 micron : 'élevé Diamètre externe : 100 à 400 microns + 1 micron Epaisseur de parois : 1 à 4 ss du diamètre + 0,4 micron Uniformité de masse : + 2 % de la paroi moyenne Concentricité entre les diamètres interne et externe : + 1 % du diamètre externe Sphéricité : + 1 % du diamètre externe Etat de surface : rugosité quadratique moyenne 0,05 micron Densité : Composition chimique : - 70 % Si 2 25 ç Na20 NO % Fbx Oy fw O % BixOy ov 5 % CaO Sur les dessins, la partie principale de l'appareil de la figure 1 comprend une cheminée 20 en réfractaire coulé, comprenant une série d'éléments réfractaires cylindriques 22 reposant sur une base 24 avantageusement supportée de manière qu'elle laisse l'accès par la partie inférieure0 La cheminée 20 a un passage cylindrique interne 26 qui se raccorde à un orifice tronconique 28 disposé dans la base 24, la petite extrémité 28 de la partie tronconique se trouvant en bas.La dimension du passage 26 donne satisfaction lorsqu'elle est de l'ordre de 10 cm, l'orifice du fond de la base 24 étant de l'ordre de 3 cm. Une chambre 30 de détente, formée d'une matière en feuille et ayant un orifice convenable d'accès 32, est placée au-dessus de la cheminée 20 et entoure la partie supérieure du passage 26. Une cheminée 34 d'évacuation de gaz est disposée à la partie supérieure de la chambre 30. Un chalumeau 40 de pulvérisation à flamme est disposé au-dessous de la base 24 et comporte une buse 42 destinée à former une flamme, placée au niveau de l'orifice 28 et, à l'autre extrémité,une entrée 42' d'oxygène et une entrée 44 d'acétylène. Une chambre 46 d t alimentation en fritte de verre comporte une sortie inférieure 48 qui peut transmettre une fritte calibrée à une glissière 50 à laquelle est fixé un vibrateur 52. La glissière 50 débouche dans une trémie 54 qui parvient à un boitier récepteur 56 entourant le tube du chalumeau 40. Le bolier 56 comprend des orifices rejoignant le tube du chalumeau 40 de manière que la fritte soit aspirée dans le chalumeau et parvienne à la flamme puis soit évacuée dans le passage chauffé 26 de la cheminée, La partie supérieure 42 du chalumeau se trouve avantageusement à 6 mm environ au-dessous de l'orifice 28. la longueur totale de la cheminée est d'environ 100 cm. La cheminée est avantageusement chauffée pendant 30 mn environ par la flamme de manière qu'elle atteigne une température d' environ 13000C, dans une zone chaude de 70 cm de longueur. Lorsque la température a été atteinte, la fritte calibrée de verre qui est de préférence tiédie à 800C environ, est introduite par vibration dans le tube du chalumeau et dans la zone chaude. Lorsque les particules de fritte remontent dans la zone étant donné l'aspiration, la chaleur dilate la matière occluse (urée) du verre et provoque la détente ou dilatation sous forme de sphères creuses qui remontent en flottant dans la cheminée et tombent dans la chambre collectrice 30. Lorsque l'appareil a été refroidi (après arrêt du chalumeau), on récupère avec soin les sphères de la partie inférieure de la chambre 30 et on les fait flotter dans le méthanol. les sphères défectueuses tombent dans le méthanol et celles qui restent peuvent être séchées et soumises à un procédé analytique déterminant le diamètre externe, l'épaisseur de paroi, l'uniformité de la paroi et d'autres données. Lorsqu'on utilise des frittes de verre correspondant aux caractéristiques de la figure 2, on peut réaliser des sphères de verre ayant des diamètres externes et des épaisseurs de paroi satisfaisant aux critères.indiqués, les données obtenues empiriquement confirment la corrélation entre la théorie (comme indiqué sur la figure 2) et l'expérience, c'est-à-dire que le volume de la particule de fritte est pratiquement conservé, si bien que la particule parait une microsphère parfaite. lia quantité d'agent gonflant ou porophore (urée) dans une particule de fritte donnée détermine l'épaisseur finale de la paroi et le diamètre externe. La figure 2 représente la variation du diamètre externe, exprimé en microns, des sphères de verre obtenues à partir d'une fritte dont la dimension est indiquée en microns en abscisses. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées REVE! ATlONS 1. Appareil destiné à la formation de minuscules sphères de verre, caractérisé en ce qu'il comprend une cheminée verticale en matière réfractaire ayant un passage central, un tube de brflleur destiné à recevoir un gaz combustible et ayant une flamme qui débouche à la partie inférieure de la cavité de la cheminée et qui est dirigée dans cette cavité, un dispositif d'introduction d'une fritte de verre dans le tube, en un point distant de l'orifice de la partie inférieure de la cheminée, et un dispositif destiné à rassembler la fritte lorsqu'elle s'est dilatée en formant de petites sphères de verre, à la partie supérieure de la cheminée. 2, Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à rassembler la fritte comprend une chambre réceptrice places au-dessus de la cheminée et ayant une cavité de dimension nettement supérieure à celle du passage, cette cavité débouchant dans ce dernier. 39 Procédé de formation de minuscules sphères de verre, caractérisé en ce qu'il comprend le chauffage d'une cheminée résistant à la chaleur et comportant une cavité verticale, de manière que cette cavité atteigne une température d'environ 13000C, l'introduction d'un courant de fritte de verre contenant unagent porophores dans la cheminée, le déplacement de la fritte de manière qu'elle remonte dans la cheminée chauffée, dans un courant de gaz, et le rassemblement de la fritte sous forme de sphères creuses de verre, près de la partie supérieure de la cheminée