Brevet FR2485515A1 — publié le 19811231

L'invention concerne un procédé pour la préparation de corps frittés à haute densité en U308, o les grains ont des dimensions définis, comme matière combustible pour la fabrication d'éléments combustibles en forme de plaques, destinées aux réacteurs d'essai de matériaux et de recherche à partir de poudre de U308 à granulation fine, obtenue selon des procédés connus, et encore apte au frittage. La plaque de combustible proprement dite contient ici le combustible U 308 incorporé dans une matrice en aluminium. L'élément combustible des réacteurs pour essais de matériaux (MTR) classiques est constitué par, des plaques de matière combustible planes ou courbes. Chaque plaque représente un corps stratifié o la matière combustible proprement dite est enrobée de toutes parts, de façon étanche, par de l'aluminium. Les plaques de matière combustible ont en général une épaisseur de 1,27 mm et une largeur d'environ 72 mm. La zone de matière combustible proprement dite, l'aliment ou "'meat" présente une épaisseur de 0,51 mm et une largeur d'environ 63 mm; la longueur active est par exemple de 600 mm. Les éléments MTR ayant ce type de constitution se distinguent par une grande surface de transmis- sion de la chaleur. La préparation des plaques de matière combustible s'effectue généralement par laminage, selon la technique dite des "cadres". Comme matière combustible, on a eu recours jusqu'à présent pour l'utilisation industrielle, à des alliages aluminium-uranium, et à des composés d'uranium dispersés dans une matrice d'aluminium. Comme composés d'uranium, il est surtout avantageux d'utiliser un a1llage U - AI et l'oxyde d'uranium sous la forme de U308. Ces dernières matières combustibles-se caractérisent en ce qu'elles peuvent être mises en oeuvre avec succès dans des réacteurs à densité de puissance élevée (2000 kwl 1, par exemple HFIR-Oak Ridge, IUSA); grâce à leur capacité de charge élevée, jusqu'à des taux de combustion élevés. En utili- sant U 0 et l'aluminide d'uranium, on obtient avec un maximum de puissance du noyau du réacteur des combustions de 2 x 10 fissions/cm3 de "meat" ce qui correspond, avec de l'uranium hautement enrichi (93 % U-235) à un taux de combustion d'environ % (JAEA guidebook, décembre 1979, ORNL - 4856). Ce n'est pas seulement parce qu'ici on peut atteindre une teneur élevée nécessaire en matière de fission avec des densités de matière combustible relativement faibles et de manière simple que l'emploi d'uranium à enrichis- sement élevé en isotope 235 U, comme matière combustible pour élément combustible MTR, s'est avéré intéressant de l'uranium à taux élevé d'enrichissement en 235U représente d'un autre côté une matière sensible, dont la propagation doit être bien contrôlée et limitée. Pour des raisons de prolifération, il est exigé que pour les réacteurs MTR, on puisse mettre en oeuvre également de l'uranium à faible enrichissement en 35U (maximum 20 % en poids). La conversion des réacteurs MTR à de plus faibles enrichissements en 235U implique que, pour compenser la perte accrue, en neutrons due à la teneur plus élevée en 235U, on doit augmenter la quantité de matière de fusion. Ceci, et la mise en oeuvre d'uranium faiblement enrichi exige, si l'on ne change pas la géométrie des plaques que les densités de matière combustible soient beaucoup plus élevées. A cet effet, parmi les matières combustibles pour réacteurs MTR, le U308 est particulièrement bien adapté en raison de sa densité en uranium relativement élevée de 7,1 g de U/cm3, et de sa compatibilité avec l'aluminium suffisamment bonne. Afin d'atteindre dans la "meatt" une densité d'uranium raktivement élevée de plus de 2,6 g de U/cm3, on doit se montrer très exigeant en ce qui concerne la granulation de la matière combustible. Les grains de matière combustible doivent présenter une solidité élevée, afin qu'il ne se produise aucune ségrégation lors du laminage des plaques. La porosité ouverte des grains doit être aussi basse que possible, afin que les produits de fission gazeux soient retenus dans la matière combustible elle-même, et que les plaques ne soient soumioes à aucune pression d'une importance inadmissible. Il est nécessaire en outre que les grains de combustible soient bien incorporés dans la matrice en aluminium. Ceci implique que les grains de matière combus- tible se présentent avec des dimensions définies, avec des limites étroites de tolérance. -2485515 Avec les procédés connus jusqu'à présent pour la préparation de matière combustible en poudre de U308 pour réacteurs MTR, les exigences mentionnées ne pouvaient être satisfaites dans une proportion suffisante. Les grains de matière combustible préparés selon les procédés antérieurs connus, ont une macrostructure constituée par des particules individuelles agglomérées. Les particules de matière combustible ainsi structurées sont détruites au cours du laminage et il se produit une ségrégation indésirable, qui entraînent un défaut d'homogénéité de la- répartition de la matière combustible. De plus, il n'est pas assuré que la matière combustible Èera incorporée d'une façon suffisamment étancheiet ainsi l'intégrité mécanique de la plaque de matière combustible n'est pas assurée. L'invention a pour objectif de proposer un procédé pour la préparation de corps frittés à haute densité en U308, o les grains ont des dimensions définies, comme matière combustible pour la fabrication d'éléments combustibles en forme de plaques, destinées aux réacteurs d'essai de matériaux, et de recherche, à partir de poudre de U 08 à granulation fine, obtenue selon des procédés connus, et encore apte au frittages qui conduise à une matière combustible de densité et de solidité élevées, avec une faible porosité ouverte, une capacité de rétention élevée pour les gaz de fission formés-au cours de l'irradiation, et qui se prête à la transformation ultérieure par laminage. A cet effet, l'invention propose un procédé caractérisé en ce que la poudre de U 0 est d'abord 3 8 compactée par voie mécanique, en corps de formes variées, puis transformée en un granulat de dimensions 'inférieures à 200 >, et ensuite on transforme ce granulat par frittage en.particules de densité élevée. Ces particules présentent une solidité élevée et une faible porosité ouverte. De préférence, le frittage des granu- lés s'effectue à l'air à des températures inférieures-à 15000, en particulier de 1370 + 500 C. Les grains trop gros obtenus lors du broyage des corps moulés compactes par la voie mécanique sont de préférence broyés à nouveau. L'opération de frittage est avantageusement conduite, par le choix des températures et de la durée de frittage, de façon que la densité du grain fritté de U308soit supérieure à 7,98 g/cm3, c'est-à-dire à 95 % de la densité théorique. En particulier, la densité des grains de 3 8 doit se monter à 8,32 + 0,04 g/cm3. On obtient de parti- culièrement bons résultats lorsque l'opération de frittage est conduite de sorte que le rapport entre la surface BET et la surface géométrique du corps fritté en U308 soit inférieur à 10. A partir de corps frittés en U308, préparés selon l'invention, on peut préparer des plaques de matière combustible ayant une densité relativement élevée en uranium dans la "meat", par laminage selon des procédés connus. Les plaques produites se caractérisent par une bonne homogénéité de la répartition de l'uranium, une bonne incorpo- ration des grains individuels de matière combustible dans la matière d'aluminium, sans qu'il se produise de ségrégation, et par une intégrité mécanique élevée. La répartition d'uranium, mesurée par absorption, sur des plaques de matière combustible laminée avec une densité d'uranium raltivement élevée de 3,2 g de U/cm3 dans la "meat", se situe dians des limites de tolérance de + 7 %, par rapport à la valeur théorique. Des essais métal- lographiques permettent de constater la régularité de l'incor- poration des grains de matière combustible dans la matrice d'alu- minium. Les éléments combustibles ainsi préparés présentent une capacité très élevée de rétention des gaz de fission produits par l'irradiation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple décrit ci-après Comme matière première, on dispose de U'308 en poudre, obtenu à partir de peroxyde d'uranium calciné à 6000 C. Cette poudre est transformée par compression, sur une presse à poudre mécanique, en comprimés cylindriques, de dimen- sions 9 x 10 mm2, avec une densité de la pièce pressée de ,5-g/cm, sous une pression spécifique de 700 MN/m2. Les pièces crues sont alors broyées dans un broyeur à percussion croisée, et le granulé est tamisé de façon à retenir des grains compris entre 63 et 125 /_. Les grains de dimensions supérieures obtenus sont recyclés dans le broyeur et y subissent un nouveau broyage. La séparation des grains de dimensions inférieures n'est pas absolument nécessaire, cependant ilstest souvent avéré utile de ne garder que les fractions de l'ordre de grandeur de 40 à 200>4,. 2485515 Le granulé tamisé (dimension 63 - 125>.) est fritté à l'air dans un four "Silitstab". Le frittage se déroule en deux étapes, la première de 4 h à 1350 C, la deuxième de 2 h à 1410 C. La poudre frittée est tamisée et les grains C 90y sont utilisés pour la transformation ultérieure. Le rendement est d'environ 90 %. La densité-toluène de la poudre est déterminée par picnométrie et se monte à 8,38 g/cm3. La surface BET est de 0,09 m2/g. La partie fine de la poudre (grains z 40) est inférieure à 5 % en poids. On soumet au pressage 69,35 g de U308 en poudre avec 21,67 d'aluminium en poudre de qualité AI 99,5, à sec, pour former des pièces de matière combustible de dimensions: ,2 x 61,35 x 3,0 (mm) Ces pièces de matière combustible sont ensuite laminées par un procédé connu, (technique dite des cadres) en plaques de matière combustible de 1,27 mm d'épaisseur totale et 0,51 mm d'épaisseur de "meat". La teneur en uranium dans le "meat" est de 3,2 g/cm3, ce qui est relativement élevé. Les plaques de matière combustible répondent aux exigences élevées des spécifications MTR. L'homogénéité de la répartition de l'uranium, mesurée par la méthode d'absorptionp, est située dans les limites de + 7 % de la valeur théorique. Pour une épaisseur nominale de "revêtement" de 0,38 mm, l'épaisseur minimale de "revêtement" est supérieure à 0,3 mm. L'effet de déformation par le laminage dit "dogboning" est pratiquement négligeable. Par micrographie métallographique on peut constater la bonne uniformité de l'incorporation des grains de matière combustible dans la matrice en aluminium. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la préparation de corps frittés à haute densité en U308, o les grains ont des dimensions définies, comme matière combustible pour la fabrica- tion d'éléments combustibles en forme de plaques, destinés aux réacteurs d'essai de matériaux et de recherche; à partir de poudre de U308 à granulation fine, obtenue selon des procédés connus, et encore apte au frittage, procédé caractérisé en ce que la poudre de U308 est d'abord compactée par voie mécanique, en corps de formes variées, puis transformée en un granulat de dimensions inférieures à 200, et ensuite on transforme. ce granulat par frittage en particules de densité élevée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le frittage du granulé s'effectue à l'air, à des températures inférieures à 1500 C. 3.- Procédé selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que la température maximale au cours du frittage se monte à 1370 C + 50 C. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3t caractérisé en ce que les grains de dimension supérieure sont à nouveau broyés. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'opération de frittage est conduite de telle façon, que la densité des grains de U308 fritté soit supérieure à 7,98 g/cm3. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la densité des grains de U308 est de 8,32 g/cm3 + 0,04 g/cm3. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'opération de frittage est conduite de telle façon que le rapport entre la surface BET et la surface géométrique des corps frittés en U308 soit inférieure à 10. 3.5