Brevet FR2532778A1 — publié le 19840309

= 1 L'invention concerne un procédé pour fabriquer des combustibles nucléaires du type MX, o M représente un actinide métallique (métal de la série des actinides) et X représente l'azote et/ou le carbone. Pour les surrégénérateurs rapides, on attache générale- ment une grande importance au combustible du type MX (les carbures uranium-plutonium par exemple) en raison du taux de conversion plus élevé et de la période de doublement plus courte comparativement au combustible du type oxyde Les carbonitrures mixtes sont également envisageables. La technologie de fabrication consiste principalement en une réduction carbothermique de mélanges d'oxyde d'uranium, d'oxyde de plutonium et de carbone Ces mélanges pulvérulents d'oxydes et de carbone sont comprimés en pastilles, disques, etc, qui sont chauffés sous vide, gaz neutre ou azote pendant plusieurs heures à des températures de l'ordre de 1 400 à 1 800 C On obtient ainsi des pièces frittées de la composition chimique désirée et présentant une densité de 40 60 % de la densité ou masse volumique théorique (DT). Or, les pastilles à utiliser dans le réacteur doivent avoir une densité > à 80 % de la DT Pour cette raison, les pièces frittées, à 40 60 % de la DT sont fractionnées et broyées (broyeurs V marteaux, broyeurs à boulets; broyeurs vibrants et ainsi de suite). Le broyage agrandit la surface des grains de poudre, ce qui agmente la réactivité des poudres Celles-ci sont ensuite comprimées sous la forme désirée puis frittées Les densités des pastilles ainsi obtenues sont comprises entre 80 et 97 % de la DT,, L'opération qui consiste à fractionner et à broyer les pièces frittées dont la compacité est insuffisante demande un appa- reillage et du temps et a surtout l'inconvénient de dégager beaucoup de poussière àl'intérieur de l'espace de travail venant en contact avec le matériau (appareils munis de boites à gants) La forte pro- portion du matériau réduit en poussière à l'intérieur de l'espace de travail entraîne d'une part une exposition considérable du per- sonnel au rayonnement et présente d'autre part des risques du fait que les poudres fines de combustibles du type MX sont pyrophores. De plus, en raison de la forte affinité despoudres produites vis-à-vis de l'oxygène, cette opération doit être effectuée sous atmosphère de gaz neutre avec de très faibles teneurs rési- duelles en 02 et H 20 (généralement inférieures à 50 ppm). La plupart des procédés susceptibles d'entrer en ligne de compte sur le plan de la technologie utilisent le principe de la réduction carbothermique d'oxydes et sont basés sur la technique de la compression suivie du frittage (mélange de M O + Cv compression; réduction carbothermique; concassage-broyage du produit de la réaction MX; compression; frittage). La demanderesse a trouvé que l'on peut soumettre le produit de réaction directement à une postcompression, donc sans le fractionner et broyerau préalable, puis de le soumettre à un traitement thermique à haute température, à 1400-1800 'C par exemple. Ce "procédé de compression directe" est basé, comme la plupart des procédés de fabrication de combustibles nucléaires du type MX, sur la réduction carbothermique des oxydes ou de leurs mélanges Les mélanges d'oxydes et de carbone sont comprimés sous une forme déterminée qui est adaptée à la forme désirée du produit final et les comprimés sout soumis à un traitement thermique (à 1300-1800 'C, sous vide, un gaz neutre, azote ou un mélange d'azote et de gaz neutre) Après le traitement thermique, le produit de réaction se présente avec la composition chimique désirée sous la forme de pastilles ayant des dimensions préfixées et une densité de 40 60 % Les pastilles sont directement chargées et post- comprimées dans une presse à froid normale, donc sans fractionne- ment et broyage préalables comme dans le procédé habituel Les comprimés ainsi obtenus sont ensuite amenés à la densité et aux dimensions désirées par un postfrittage à 1400-1800 'C, s'effectuant sous vide, gaz neutre, azote ou un mélange de gaz neutre et d'azote. Le procédé selon l'invention supprime par conséquent l'opération "fractionnement-broyage" (voir le tableau à la fin de la description) qui est utilisée dans le procédé appliqué jusqu'à présent. Comparativement au procédé de fabrication utilisé jusqu'à présent, l'invention apporte ainsi les avantages suivants les appareillages et le temps nécessaires sont réduits; la manipulation de poudre de type MX de grande affinité vis-à-vis de l'oxygène est supprimée; la production de poussière est pratiquement ramenée à zéro. Les deux derniers points se traduisent par une moindre dépense pour l'atmosphère gazeuse protectrice nécessaire à la mani- pulation (l'affinité vis-à-vis de l'oxygène des combustibles MX dépend de leur surface spécifique) Le risque que la poudre ou la poussière s'enflamme spontanément est évité L'exposition du per- sonnel au rayonnement est nettement réduit et le contrôle du flux du matériau fissile est rendu plus facile. De plus, les matrices des presses peuvent être chargées en comprimés au lieu de poudre, ce qui revient à dire que le chargement des matrices est plus simple et-plus rapide; le flux du matériau est plus simple et peut être contrôlé conve- nablement; les matrices sont plus courtes et moins cofteuses du fait que le taux de compression est plus faible; les impuretés métalliques produites lors du fractionnement et du broyage appliqués jusqu'à présent sont supprimées; et -de grandes possibilités de variation sont offertes en ce qui concerne la structure du combustible (la grandeur des pores et le comportement après le frittage par exemple) par le choix de matériaux de départ ayant les propriétés adéquates. Le procédé selon l'invention a déjà été appliqué à titre expérimental dans la pratique Par exemple, des combustibles sous forme de carbures d'uranium-plutonium à différentes densités et teneurs résiduelles en oxygène ont été Fabriqués et caractérisés. La densité des pastilles obtenues était de 78-86 2 de la DT Il y a mxme des échantillons avec une densité de 90 % de la DT La teneur en oxygène était comprise entre coupes céramographiques des combustibles ont été conservées. 2532778 ' TABLEAU des oxydes. Procédé de l'art antérieur Procédé selon l'invention oxyde d'uranium carbone MELANGE oxyde de plutonium ,, COMPRESSION presse à froid pastilles, disques REDUCTION vide, gaz neutre CARBOTHER N 2 ou gaz neutre/N 2 1 SIQUE 1300 1800 C _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ I,__ _ _ _ _ _ _ _ _ FRACTIONNE}ENT broyeur à marteaux BROYAGE broyeur à boulets broyeur vibrant OMPRESSION presse à froid pastilles FRITTAGE vide, gaz neutre N 2 ou gaz neutre/N 2 1400 18000 C COMPRESSION presse à froid pastilles ___ __ _ _i _ _ _ _ _ _- REDUCTION vide, gaz neutre CARBOTHER N 2 ou gaz neutre/N MIQUE 1300 18000 C POST presse à froid COMPRESSION pastilles POST vide, gaz neutre FRITTAGE N 2 ou gaz neutre/N 2 1400 1800 O C r.irr-loAu élai-n Tnhil Qt-4 hlo-Q MY nn-e REVENDICATIONS 1 Procédé pour fabriquer des combustibles nucléaires du type MX, o M représente un actinide métallique (métal de la série des actinides) et X représente l'azote et/ou le carbone, selon lequel on mélange l'oxyde de l'actinide métallique ou les oxydes des actinides métalliques avec du carbone, on transforme le mélange en comprimés et on soumet les comprimés à une réduction carbothermique, caractérisée en ce que l'on soumet le produit de la réaction directement à une postcompression puis à un traitement thermique à température élevées 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique s'effectue à 1400-1800 GC.