Brevet FR2541495A1 — publié le 19840824

COMBUSTIBLE NUCLEAIRE REVETU D'UN ABSORBEUR CONSOMMABLE La présente invention se rapporte d'une façon générale aux absorbeurs de neutrons consommables (appelés également des poisons consommables) pour des réacteurs nucléaires; plus particulièrement, l'invention concerne un revêtement absorbeur consommable pour du combustible nucléaire. Il est connu que le combustible nucléaire peut se présenter sous diverses formes comme des plaques, des colonnes et des pastilles combustibles disposées en appui bout à bout dans un tube ou une gaine en alliage de zirconium ou en acier inoxydable Les pastilles combustibles contiennent une matière fissible comme du bioxyde d'uranium, du bioxyde de thorium, du bioxide de plutonium ou leurs mélanges Les barreaux combustibles sont généralement groupés pour former un élément combustible Les éléments combustibles sont disposés ensemble de manière à constituer le coeur d'un réacteur nucléaire. Il est bien connu que le processus de fission nucléaire implique la désintégration de la substance combustible nucléaire fissible en deux ou plusieurs produits de fission de numéro atomique plus bas Entre autre chose, ce processus produit également des neutrons qui sont la base de la réaction en chaîne Lorsqu'un réacteur a fonctionné pendant une certaine période, l'élément combustible avec la matière fissible doit 2 2541495 finalement être remplacé en raison de son épuisement. Etant donné que le processus de remplacement est long et coûteux, il est souhaitable de prolonger la longévité d'un élément combustible donné aussi longtemps que cela est faisable en pratique Pour cette raison, des additions délibérées au combustible du réacteur d'éléments de capture des neutrons parasites, en petites quantités, calculées, peut conduire à des effets hautement avantageux sur le réacteur thermique Ces éléments de capture de neutrons sont généralement appelés des "absorbeurs" consommables car ils sont également épuisés après un certain temps de sorte qu'il se produit une compensation avec la réduction concomittante de matière fissible. La longévité d'un élément combustible peut être prolongée en combinant une quantité initialement plus importante de matières fissibles avec une quantité calculée d'un absorbeur consommable Pendant les premières phases de fonctionnement de cet ensemble combustible, les neutrons en excès sont absorbés par l'absorbeur consommable qui subit une transformation en des éléments de plus faible section d'absorption des neutrons, n'affectant pas substan- tiellement la réactivité de l'élément combustible dans la dernière période de sa vie, quand la disponibilité de matière fissible est plus faible Par conséquent, avec un élément combustible contenant à la fois un combustible et un absorbeur consommable, en quantités soigneusement proportionnées, une longévité prolongée de l'élément combustible peut être obtenue avec une production de neutrons et une réactivité relativement constantes. Les absorbeurs consommables qui peuvent être utilisés comprennent le bore, le gadolinium, le samarium, l'europium et autres Des absorbeurs consommables sont utilisés soit mélangés uniformément avec le combustible (c'est-à-dire un absorbeur distribué), soit placés dis- crètement comme des éléments séparés dans le réacteur, agencés pour être consommés ou être épuisés à peu près à la même vitesse que le combustible Ainsi, la réactivité globale du coeur est maintenue relativement constante pendant toute la vie active du coeur. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 427 222 décrit une pastille combustible de bioxyde d'uranium revêtue avec un mélange de bioxyde d'uranium et d'un poison consommable comme du dichlorure de zirconium appliqué par une technique de pulvérisation au plasma (voir colonne 4, exemple "I") Ce brevet décrit également une pastille combustible de bioxyde d'uranium revêtue avec le bore comme poison consommable, appliqué par dépôt de vapeur chimique Il faut noter que la vitesse de dépôt était lente aux basses températures tandis que le revêtement n'adhérait pas aux températures élevées (voir colonne 5, exemple "III"). Il est connu qu'un combustible nucléaire enfermé dans de l'aluminium peut être revêtu d'une couche de niobium pour éviter que le combustible ne réagisse avec l'enveloppe (brevet britannique 850 206, page 1, lignes 1230) Il est également connu que de petites particules de combustible nucléaire, comme des particules de bioxyde d'uranium, peuvent être revêtues avec une seule couche ou plusieurs couches de la même matière ou de matières différentes non absorbantes, comprenant le niobium, dans le but de protéger le combustible contre la corrosion et pour aider à retenir les produits de fission Les revêtements peuvent être appliqués par diverses techniques, comme par dépôt à partir d'une vapeur de la substance de revêtement, le dépôt à partir d'une vapeur en décomposition et par galvanoplastie (brevet britannique 933 500). Dans Dispersion Fuel Elements, une monographie AEC par A N Holden publiée en 1967 par Gordon and Breach de New York, mentionne le revêtement de particules combus- tibles dans des dispersions de combustibles pour éviter la réaction des particules dans la matrice et pour retenir les produits de fission (page 30) Du bioxyde d'uranium revêtu avec du niobium par réduction en phase vapeur est décrit (page 48) Est également décrit du bioxyde d'uranium revêtu de chrome, par réduction en phase vapeur en utilisant du bichlorure de chrome qui a été déposé sur une sous-couche de niobium (page 48). Les inventeurs ont connaissance d'un travail antérieur documenté décrit dans une demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique intitulée "Coating a Uranium Dioxide Nuclear Fuel With a Zirconium Diboride Burnable Poison", par Walston Chubb, déposée le jour même, selon lequel les problèmes de broyage avec un dépôt de vapeur chimique de diborure de zirconium sur du bioxyde d'uranium ont été résolus-par un premier dépôt (par pulvérisation, dépôt de vapeur chimique, etc)d'une mince sous-couche de niobium (entre environ 3 Nom et environ 6 Nom d'épaisseur) sur le bioxyde d'uranium, puis par un dépôt de vapeur chimique de diborure de-zirconium sur la couche de niobium. Des pastilles combustibles revêtues avec un absorbeur consommable contenant du bore, comme le bore élémentaire, l'isotope de bore 10 (l'isotope du bore élémentaire possédant la propriété d'absorbeur consommable), le diborure de zirconium, le carbure de bore, le nitrure de bore et autres présentent l'inconvénient de différents degrés d'absorption d'humidité Par exemple, des pastilles combustibles de bioxyde d'uranium revêtues de diborure de zirconium, doivent, après fabrication, être séchées au four en une opération longue pour être ensuite chargées dans les barreaux combustibles dans une boite à gants à faible teneur d'humidité Il en est ainsi car le diborure de zirconium, étant hygroscopique, se couvre d'une mince couche d'humidité (adsorption d'humidité) provenant de l'air lui-même La longue phase de séchage supplémentaire (généralement de l'ordre de 1 à 3 heures à des températures de 200 à 600 'C dans un vide inférieur ou égal à 1 torr) et l'environnement d'humidité contrôlée pour le chargement des pastilles augmentent le temps, la complexité et le coût de la ligne de traitement de combustible nucléaire. L'humidité doit être évitée dans le combustible nucléaire car un excès d'hydrogène dans les pastilles, apparaissant le plus souvent comme humidité, entraine une hydratation de la gaine en Zircalloy du barreau combustible, pouvant entraîner une rupture de cette gaine. L'objet essentiel de l'invention est de proposer des éléments combustibles comprenant des pastilles revêtues d'une matière absorbant les neutrons, qui ne sont pas sujettes à une absorption d'humidité de sorte qu'elles peuvent être emmagasinées puis introduites dans les éléments combustibles sans préparation longue et coûteuse. Compte tenu de cet objet, l'invention concerne donc un corps combustible nucléaire revêtu d'un absorbeur de neutrons consommable, comprenant un substrat combustible nucléaire contenant une matière fissible et une couche contenant un absorbeur consommable couvrant au moins une partie du substrat, une couche de revêtement contenant une matière hydrophobe, compatible avec le réacteur, couvrant généralement la couche d'absorbeur de neutrons consommable et fixée directement sur elle. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une coupe longitudinale d'un barreau combustible contenant des pastilles combustibles revêtues d'un absorbeur consommable, avec une couche extérieure non-hygroscopique selon l'invention, La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II- Il de la figure 1, La figure 3 représente en plus une sous-couche sur les pastilles combustibles du barreau de la figure 1, et La figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 3. Le combustible nucléaire comporte de l'uranium sous la forme de pastilles de bioxyde d'uranium (ou de bioxyde de thorium, de bioxyde de plutonium ou de leurs mélanges) ayant chacune une forme cylindrique avec un diamètre d'environ 8 mm et une longueur d'environ 12 mm. Des épaisseurs souhaitables de revêtement d'absorbeur consommable de diborure de zirconium sur les pastilles combustibles comprennent une épaisseur entre 8 et 16 gm environ (et de préférence entre 9 et 10 Nom environ, corres- pondant à une charge voulue de bore-10 d'environ 0,6 mg/cm linéaire). Le degré d'absorption d'humidité dépend de la technique utilisée pour déposer la couche de diborure de zirconium Il est apparu que la pulvérisation produit un revêtement relativement poreux qui contribue à l'adsorption d'humidité tandis que le dépôt de vapeur chimique semble poser moins de problèmes d'adsorption d'humidité. Comme le montrent les figures 1 et 2, un barreau combustible 10 destiné à un élément combustible de réacteur nucléaire comporte un tube 12 avec un bouchon 14 d'extrémité supérieure et un bouchon 16 d'extrémité inférieure formant une chambre 18 dans laquelle sont placées plusieurs pastilles combustibles fissibles 20, poussées en appui contre le bouchon d'extrémité inférieure 16 par un ressort 22 Le diamètre des pastilles 20 est légèrement inférieur à celui du tube 12 de manière à laisser un jeu 24 Le ressort 22 et le jeu 24 absorbent toute dilatation thermique des pastilles 20 pendant le fonctionnement. De préférence, le corps ou substrat fissible 26 de la pastille combustible 20 consiste essentiellement en bioxyde d'uranium bien que d'autres formes d'uranium ainsi que de plutonium ou de thorium puissent convenir. En outre, la couche 30 d'absorbeur consommable couvrant au moins une partie du substrat 26 consiste essentiellement en du bore élémentaire ou du diborure de zirconium bien que d'autres formes de bore, ainsi que de gadolinium, de samarium, d'europium et similaires puissent convenir. Pour rendre non-hygroscopique (hydrophobe) la pastille 20 de combustible nucléaire revêtue d'absorbeur consommable, la couche 30 d'absorbeur consommable est revêtue d'une couche extérieure 32 qui lui est fixée directement La couche extérieure 32 contient une matière hydrophobe, compatible avec le réacteur De préférence, la couche extérieure 32 a une épaisseur comprise entre environ 2 et environ 6 Nom La couche extérieure 32 peut être appliquée avant que la couche 30 d'absorbeur consomma- ble soit exposée à l'air pour éviter l'absorption d'humi- dité (absorbé par l'absorbeur consommable) dans la pastille combustible 20 Les facteurs de-compatibilité avec le réacteur et qui doivent être considérés pour cette couche extérieure comprennent le prix, la section d'absorp- tion des neutrons, la compatibilité avec l'absorbeur consommable, la compatibilité avec le tube dans le groupe suivant: niobium, zirconium, magnésium,. aluminium, silicium, carbone, titane, chrome, fer, nickel, cuivre, yttrium, molybdène, bar 4 um et cerium. Dans un premier mode de réalisation, le bore élémentaire est utilisé pour la couche 30 d'absorbeur consommable et il est appliqué directement sur le substrat 26 qui est du bioxyde d'uranium tandis que la couche extérieure 32 consiste essentiellement en niobium. Dans un exemple, des pastilles combustibles de bioxyde d'uranium ont été revêtues par un dépôt conventionnel de vapeur, chimique (CVD) d'abord avec du bore élémentaire, puis avec du niobium en utilisant un tube vertical entourant verticalement des pastilles combustibles empilées. Le revêtement de bore 30 a été préparé par la pyrolyse de B 2 H 6 et le revêtement de niobium 32 a été préparé par réduction à l'hydrogène de pentachlorure de niobium (Nb Cl 5) Ces précurseurs CVD gazeux ont été introduits en bas du tube et les sous-produits ont été éliminés par le haut du tube Les substrats 26 des pastilles combustibles ont été nettoyés par sablage léger, nettoyage répété aux ultrasons dans l'eau distillée et séchage sous vide Des thermocouples ont été montés sur les parois du tube. Les substrats des pastilles 26 ont été chauffés jusqu'à une température prédéterminée de paroi, mesurée par thermocouples, par un four supérieur, pendant que les gaz précurseurs étaient préchauffés avec une température de paroi prédéterminée mesurée par thermocouple, par un four inférieur Des revêtements satisfaisants ont été obtenus dans les différentes conditions résumées dans le tableau 1. Dans un seconde mode de réalisation, représenté sur les figures 3 et 4, du diborure de zirconium est utilisé pour la couche 30 d'absorbeur consommable et il est appliqué par dépôt de vapeur chimique sur une souscouche 28 de niobium, cette dernière étant appliquée par dépôt de vapeur chimique sur le substrat 26 qui est de bioxyde d'uranium La couche extérieure 32 consiste essentiellement en niobium déposé par vapeur chimique. La nécessité d'une sous-couche de niobium (ou autre) pour le dépôt de diborure de zirconium par dépôt de vapeur chimique (CVD) sur le biocyde d'uranium a déjà été mentionnée. De préférence, la sous-couche 28 a une épaisseur comprise entre environ 3 Nom et environ 6 Nom La technique est similaire à celle décrite dans le premier mode de réalisation. çtle ot 9 OGI? 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Nh 2 f 1 b zr 1 il lit) 3 Nb z rl),z Nb 4 Nb Z r-ll,% Nb NI) Z KIZ Nb 6 NI) z 1 02 Nb 7 ni) z ri 3 z Nb 8 Nb z r 8 z Nb 9 Nb Zrui Nb ) Nb Zroi. Nb 1 1 Nb Zr 8 j Nb Il ry 6 ( 111 g 6 u a 1 -;a 0.1 n 220 o.082 0.220 0.220 0. 220 0.082 o.220 0.082 0.220 o 114 0.279 0 i 8-7 o;-79 11, o.279 o I-79 o. 1110 o; 7,9 o i 4-0 o;,79 0 i;o 99 907 0.234 99 498 99 915 99 9112 0.2011 99 298 99 932 99 9111 0.204 99 298 99 938 99 959 0.204 99 298 99.9115 99.811 0.234 99 544 99.870 99,920 0.204 99 290 99.922 99 936 0.234 99 5113 99.946 99 949 0.204 99,298 99.934 99 956 0.105 99 6910 99.956 0 093 ci 085 0.059 o; 6-8 0.059 0.062 0.0111 0.055 0.189 o.130 0.080 -;a 0.0 0.064 0.0514 0.052 o.066 0.( 144 0; 4-4 F m us -Pb 110. ta Le précurseur de dépôt de vapeur chimique pour le diborure de zirconium était du tétrachlorure de zirconium et du trichlorure de bore Le chlorure de zirconium gazeux a été préparé en faisant réagir H Cl et du zirconium et en entraîna t les produits de réaction dans un courant d'hydrogène Des revêtements satisfaisants ont été obtenus dans diverses conditions résumées dans le tableau 2. L'invention est appliquée typiquement pour entourer circonférentiellement (c'est-à-dire ne revêtir que la paroi cylindrique) le substrat 26 de pastille combustible avec une couche 30 d'absorbeur' consommable et la couche de revêtement 32 (et la sous-couche 28 si nécessaire). Cependant, dans certaines applications, il peut être souhaitable de revêtir la totalité du substrat 26 de pastille de combustible, y compris les surfaces-de dessus et de dessous Dans d'autres applications, il peut être avantageux de ne revêtir qu'une partie de substrat de combustible nucléaire avec la couche d'absorbeur consommable et de recouvrir ensuite généralement ou partiellement la couche d'absorbeur consommable avec la couche extérieure En outre, quand les substrats, les couches d'absorbeur consommable, les revêtements extérieurs et les sous-couches peuvent contenir du bioxyde d'uranium, du diborure de zirconium et du niobium respectivement, il est préférable qu'elles consistent essentiellement en bioxyde d'uranium, en diborure de zirconium et en niobium. REVENDICATIONS 1 Corps combustible nucléaire ( 20) revêtu d'un absorbeur de neutrons consommable, comprenant un substrat ( 26) de combustible nucléaire contenant une matière fissible et une couche ( 30) contenant un absorbeur consommable couvrant au moins une partie dudit substrat ( 26), caractérisé en ce qu'il comporte une couche extérieure ( 32) contenant une matière hydrophobe, compa- tible avec le réacteur, couvrant généralement ladite couche ( 30) d'absorbeur de neutrons consommable et fixée directement sur elle. 2 Corps combustible nucléaire selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que ledit substrat de pas- tille ( 26) consiste essentiellement en du bioxyde d'uranium et ladite couche ( 30) d'absorbeur consommable consiste en une matière contenant du bore. 3 Corps combustible nucléaire selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite couche ( 30) d'absorbeur consommable consiste essentiellement en du bore et est fixée directement sur ledit substrat de pastille* ( 26). 4 Corps combustible nucléaire selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une sous- couche ( 28) contenant du niobium disposéeentre ledit susbstrat de pastille ( 26) et ladite couche ( 30) d'absor- beur de neutrons consommable et fixéedirectement sur eux, ladite couche ( 30) d'absorbeur de neutrons consommable consistant essentiellement en du diborure de zirconium. Corps combustible nucléaire selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que ladite sous-couche ( 28) consiste essentiellement en du niobium. 6 Corps combustible nucléaire selon la reven- dication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite sous-couche ( 28) a une épaisseur comprise entre 3 gm et 6 am. 7 Corps combustible nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite couche extérieure ( 32) consiste essentiellement en du niobium. 8 Corps combustible-nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit substrat de pastille ( 28) a une forme générale cylindrique ayant un diamètre d'environ 8 mm et une longueur d'environ 12 mm, la couche ( 30) d'absorbeur consommable ayant une épaisseur de 8 "m à 16 im et ladite couche extérieure ( 32) ayant une épaisseur de 2 Dam à 6 mam. 9 Elément combustible de réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comporte des barreaux combusti- bles comprenant des corps combustibles nucléaires revêtus d'un absorbeur de neutrons consommable, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. Procédé de revêtement d'un corps combustible nucléaire contenant du bioxyde d'uranium avec un poison consommable contenant du diborure de zirconium, carac- térisé en ce qu'une couche contenant du niobium est d'abord déposée pour adhérer sur une au moins des parties dudit corps combustible nucléaire, et qu'une couche dudit poison consommable est ensuite déposée pour adhérer, par dépôt de vapeur chimique, sur au moins une partie de ladite couche contenant du niobium. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite couche contenant du niobium consiste essentiellement en du niobium qui a été déposé par dépôt de vapeur chimique. 12 Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que ladite couche de poison consommable consiste essentiellement en du diborure de zirconium.