Brevet FR2476368A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne un procécé ce récupération du combustible nucléaire à partir d'éléments combustibles nucléaires irradiés, lorsque le combustible nucléaire est contenu dans une gaine métallique protec- trice et, en particulier, l'invention concerne la récupé- ration du combustible nucléaire à partir d'éléments combustibles nucléaires lorsque la gaine métallique protectrice est réalisée en acier inoxydable austénitique ou en un alliage de nickel cubique à faces centrées. Avant de traiter le combustible nucléaire irradié pour en séparer les produits de fission, il est habituel de séparer le combustible nucléaire de sa gaine protec- trice,et la pratique actuelle consiste à cisailler ou sectionner mécaniquement en de courtes longueurs les éléments combustibles puis à en extraire, par dissolution préférentielle, la matière combustible. Cependant, l'entretien d'un appareillage de sectionnement mécanique exposé à un environnement radioactif est difficile, et l'opération de sectionnement engendre de la poussière fine, qui contamine la zone immédiate entourant la machine à sectionner et qui doit être maitrisée. Après dissolution du-combustible nucléaire, la solution obtenue est encore traitée pour séparer les produits de fission du combustible nucléaire réutilisable (uranium et plutonium) que l'on récupère et qui peut servir à fabriquer d'autres éléments combustibles destinés à un réacteur nucléaire. Les procédés de séparation sont bien connus en pratique et ils comprennent des procédés d'extraction au solvant en utilisant du phosphate de tributyle comme agent d'ex- traction. Selon la présente invention, un procédé de récupération du combustible nucléaire à partir d'un élé- ment combustible nucléaire irradié, procédé selon lequel le combustible nucléaire est contenu dans une gaine métallique protectrice en acier inoxydable austénitique ou en alliage de nickel cubique à faces centrées, comprend les étapes consistant à mettre la gaine en contact avec un agent de nitruration qui introduit des atomes d'azote dans le métal de la gaine pour provoquer la fragilisation de la couche superficielle externe de cette gaine, puis à briser cette gaine en la soumettant à une contrainte de flexion suivie d'une flexion inverse ou d'une action de cisaillement. Par "fragilisation",on n'entend pas désigner tout simplement une diminution de la ductilité mais une perte de ductilité telle qu'une rupture se produit sans déformation plastique appréciable. Une faible quantité de déformation plastique est tolérable. On peut conférer la contrainte de flexion suivie d'une flexion inverse éu d'une section -e cisaille4lent en faisant passer, après la nitruration, le combustible nucléaire gainé dans une machine à dresserà rouleaux ou cylindres, cette machine comprenant une cage à plusieurs cylindres comportant un certain nombre de cylindres supé- rieurs et de cylindres inférieurs dont chacun est décalé de la moitié du diamètre d'un cylindre dans le sens du passage de dressage 'de sorte que le premier cylindre supérieur est disposé à mi-chemin entre les premier et second cylindres inférieurs). De telles machines sont plus couramment utilisées pour le finissage de métaux. La nitruration ou l'introduction d'atomes d'azote dans l'acier en passant par la surface du métal constitue un procédé couramment utilisé pour le traite- ment des aciers ferritiques afin d'en augmenter la dureté superficielle, et ce procédé peut être appliqué de même à des aciers austénitiques. Le procédé repose sur la dissolution de l'azote dans le réseau de l'acier et sur la formation de précipités de nitrures métalliques formés à la fois avec le fer de l'acier et avec des éléments d'alliage,comme le chrome,qui se trouvent en solution solide dans le réseau cristallin de l'acier. Ces phéno- mènes augmentent la dureté de l'acier et en diminuent la ductilité; ils vont habituellement jusqu'à leur terme à mesure que l'azote pénètre dans l'acier, et l'on peut donc, en réglant le temps de nitruration, nitrurer seulement la couche externe d'une gaine d'acier. Donc, la nitruration de la couche superficielle externe seulement d'une gaine en acier a pour effet de produire une matière composite formée de deux couches ayant des propriétés mécaniques tout-à-fait différentes. La couche externe, nitrurée et fragilisée, se craque facilement par com- pression en anneaux par exemple, mais la couche interne, encore non nitrurée, garde la ductilité de la matière de la gaine initiale. En soumettant la matière composite à une contrainte de flexion comme décrit ci-dessus, on peut cependant provoquer la propagation des craquelures tout autour de la gaine et jusqu'à la totalité de sa profondeur. Donc, en traitant des éléments combustibles nucléaires selon l'invention, on peut les briser nettement en de nombreux morceaux qui seront peu ou pas emprisonnés par de la matière de gaine déformée, ce qui permet une extraction facile par lixiviation de la matière combustible. Le taux de nitruration dépend d'un certain nombre de facteurs. On peut commodément le régler en limitant la température de nitruration et le temps d'exposition à l'agent de nitruration ainsi qu'en choisissant cet agent. Un agent préféré de nitruration provient de la dissociation thermique de l'ammoniac catalysée par des alliages à base de fer. La dissociation thermique peut être obtenue en chauffant l'ammoniac ou un mélange d'ammoniac et d'hydro- gène à des températures comprises entre 5000 et 900'C, de préférence entre 6000 et 8000C. Ainsi, il a été montré expérimentalement que, par exposition à de l'ammoniac à 6000 à 8000C, de la tubulure réalisée en un acier inoxy- dable austénitique de type 316 se nitrure progressivement à partir de la surface externe et que la limite entre la matière nitrurée et celle non nitrurée, qui est habituel- lement nette, s'éloigne de la surface à une vitesse indépendante de la température entre 600 et 8000C. Cepen- dant, si l'agent de nitruration est un mélange d'hydrogène et d'ammoniac au lieu d'ammoniac seul, le potentiel de l'azote ne sera pas assez élevé pour que du nitrure de fer se forme comme du nitrure de chrome, et il a été observé que la vitesse de pénétration continue à augmenter avec la température au-dessus de 600'C. Par exemple, si on laisse la température atteindre 8500C, on peut obtenir en 24 heures une plus grande pénétration que dans le cas de l'utilisation de l'ammoniac pur. L'ajustement du rapport entre l'ammoniac et l'hydrogène dans le gaz de nitruration peut constituer un moyen supplémentaire de réglage du procédé et de la vitesse (et de l'étendue) de la pénétra- tion. Le procédé de l'invention sera maintenant illustré par la description suivante, présentée à titre d'exemple seulement, des étapes initiales de la récupération du combustible nucléaire à partir d'éléments combustibles nucléaires irradiés, lorsque les éléments combustibles sont des aiguilles contenant la matière combustible nucléaire au sein de gaines en acier austénitique et lorsqu'un faisceau de telles aiguilles est situé à l'inté- rieur d'une enveloppe en acier inoxydable pour former un sous-assemblage de combustible nucléaire dans lequel les aiguilles sont positionnées à l'aide de grilles d'écarte- ment, les gaines étant réalisées en un acier inoxydable austénitique de type 316 ayant typiquement une composition comportant la présence des éléments suivants: Cr 16 à 18 %; Ni 10 à 14 %; Mo 2 à 3 %; C 0,04 à 0,06 %, Mn 1,5 à 2 % et Si jusqu'à 0,75 %, le reste étant constitué par Fe et par des impuretés accidentelles et inhérentes provenant de la fabrication de l'acier. En variante, les gaines peuvent être réalisées en des alliages de marque "Nipionic" comme "Ninonic PE16", qui est un alliage de nickel cubique à faces centrées ayant la composision suivante: Ni 42 à %; Cr 15 à 18 %; Mo 2,5 à 4 %; Ti 1,1 à 1,5 %; Ai 1,1 à 1,5 %; C 0,05 à 0,1 % et B 0,005 0,01 %; le reste étant constitué par du fer et des impuretés acci- dentelles. Le sous-assemblage irradié est tout d'abord conservé pendant une période de refroidissement permettant la décroissance de la radioactivité ou la désintégration des produits de fission à courte durée d'existence, puis l'enveloppe du sous-assemblage est séparée des aiguilles de combustible qui sont placées dans un récipient et exposées à de l'ammoniac anhydre pur à une température comprise entre 6000C et 8000C. L'azote formé par la dissociation thermique catalytique de l'ammoniac pénètre dans la couche superficielle externe de l'acier inoxydable et en provoque la fragilisation, la nitruration se poursuivant jusqu'à ce que la couche fragilisée représente environ 35 % de l'épaisseur de la gaine d'acier, c'est-à- dire jusqu'à une épaisseur qui est typiquement de 130 mi- crons. La dureté de la couche nitrurée (fragilisée) se situe entre 700 et 800 VPN (indice de pénétration) alors que la dureté de la matière non nitrurée est voisine de 250 VPN. Les aiguilles nitrurées conservent l'intégrité de leur structure et elles sont introduites isolément ou en un ensemble plan dans une machine à dresser à rouleaux ou cylindres qui sera décrite ci-après. Dans cette machine, des aiguilles sont nettement brisées en de nombreux morceaux, ce qui permet de séparer la matière de la gaine d'avec le combustible nucléaire contenu dans cette gaine. Une machine typique à dresser est représentée schématiquement sur les dessins d'accompagnement sur les- quels la figure 1 est une vue en perspective et la figure 2 est une vue latérale. Telle qu'elle est représentée sur les dessins, la machine comprend une cage 1 comprenant uncertain nombre de rouleaux ou cylindres supérieurs 2 et - de rouleaux ou cylindres inférieurs 3, chacun décalé d'un demi-diamètre de cylindre dans le sens du déplacement de la matière à traiter, de sorte que le premier cylindre supérieur est disposé à michemin entre les premier et second cylindres inférieurs, et ainsi de suite. L'écarte- ment des cylindres supérieurs et inférieurs est ajusté de manière qu'une aiguille 4 puisse passer entre eux, mais cet écartement est légèrement inférieur au diamètre de l'aiguille, de sorte que l'aiguille est soumise à une contrainte de flexion s'exerçant alternativement en des sens opposés à mesure que l'aiguille passe entre les cylindres, de sorte qu'elle se casse en morceaux. Dans certaines conditions, la gaine et l'aiguille se cassent avant la flexion inverse, par une action de cisaillement lorsqu'elles se rapprochent d'un cylindre en étant inclinées par rapport a la ligne ou au plan de déplacement. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'in- vention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté. REVENDICAT IONS 1. Procédé pour récupérer, à partir d'un élément combustible nucléaire irradié, le combustible nucléaire contenu au sein d'une gaine métallique protectrice en acier inoxydable austénitique ou en un alliage de nickel cubique à faces centrées, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à mettre la gaine en contact avec un agent de nitruration qui intro- duit des atomes d'azote dans le métal de la gaine pour provoquer la fragilisation de la couche superficielle externe de cette gaine, et à briser ensuite la gaine en la soumettant à une contrainte de flexion suivie d'une flexion inverse ou d'une action de cisaillement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine est rompue par le passage du corbus- tible nucléaire gainé dans une machine à dresser comportant des cylindres. - 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'agent de nitruration est ou comprend de l'ammoniac.