Brevet FR2667533A1 — publié le 19920410

PROCEDE POUR DECOUPER UN TUBE METALLIQUE PAR INDUCTION ET APPLICATION A LA SEPARATION DES COMBUSTIBLES IRRADIES DE LEUR GAINE METALLIQUE DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne, de manière générale, l'ouverture des tubes métalliques, et en particulier la séparation des barres ou des empilages de pastilles de combustibles nucléaires irradiés de la gaine métallique qui les entoure. ART ANTERIEUR Dans les réacteurs nucléaires, et en particulier, les réacteurs à neutrons rapides, la matière fissile se présente sous la forme de pastilles constituées le plus souvent par un oxyde mixte d'uranium (U02) et de plutonium (Pu02). Ces pastilles sont empilées à I'intérieur d'une gaine métallique pour former une aiguille de combustible nucléaire. Un grand nombre de ces aiguilles sont alors assemblées en faisceaux dans des fourreaux de section généralement hexagonale, pour former des assemblages de combustibles nucléaires. Une fois utilisé, le faisceau doit être démantelé et le combustible doit être retraité. La première étape du retraitement des combustibles irradiés provenant des réacteurs nucléaires consiste à séparer le combustible de sa gaine métallique. En effet, il est toujours préférable de séparer la matière combustible nucléaire de sa gaine protectrice avant de traiter le combustible nucléaire irradié, de manière à séparer les produits de fission de la matière combustible nucléaire. Plusieurs procédés sont actuellement utilisés. Il est de pratique courante, de cisailler mécaniquement les assemblages de combustibles en de courts tronçons et de provoquer ensuite la dissolution préférentielle de la matière combustible. Ce type de procédé nécessite une cisaille mécanique complexe et lente. De plus, sa maintenance est problématique car cette cisaille est exposée à des conditions radioactives et le cisaillage provoque un dégagement de poussière qui contamine la région entourant la cisaille et qui doit être éliminé. Il est également possible de mettre la gaine en contact avec un agent de fragilisation réagissant avec le métal de la gaine pour provoquer sa fragilisation, puis à désagréger la gaine. On peut également envisager d'enlever la gaine par fusion de la gaine métallique, mais la séparation entre le métal liquide et les pastilles de combustibles solides est très délicate. D'autre part, il est connu de découper des tales et tubes métalliques à l'aide d'un dispositif thermique, tel qu'un chalumeau. Ce genre d'appareil permet de provoquer une très forte et très locaLisée élévation de température de manière à fondre la pièce métallique. Le point de fusion étant ensuite déplacé, on provoque ainsi une découpe de la pièce. La flamme d'un chalumeau ne permet pas le découpage de gaine de combustibles nucléaires, car ces derniers sont presque en contact derrière la gaine. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de découpage d'un tube métallique, applicable au découpage d'une gaine métallique entourant un empilage de pastilles de combustibles nucléaires irradiés. RESUME DE L'INVENTION Un premier objet principal de l'invention est donc un procédé pour découper un tube métallique, du type consistant à découper par fusion le tube de manière très rapide et très localisée sur une ligne de découpe. La réalisation principale prévoit que la fusion du tube s'effectue en chauffant le tube par induction avec un courant suffisant pour que la densité de courant au point faible ou autour du point faible provoque, par une élévation très localisée de la température, la fusion du tube métallique au point faible ou autour du point faible, le reste du tube restant à une température très inférieure à la température de fusion. Le découpage se poursuit par déplacement du point de fusion le long de la ligne de découpe pour créer une fente. Selon un aspect de L'invention, on crée préalablement un point mécaniquement faible dans le tube avant son usage. L'induction est produite par un inducteur qui peut être, soit mobile pour déplacer le point de fusion sur le tube fixe, soit fixe. Le tube peut alors être mobile pour déplacer le point de fusion le long de la ligne de découpe sur le tube. Ce point de fusion peut également être deplacé par une progression naturelle des deux extrémités de la fente, grâce à l'accumulation de courants induits. Le point faible dans le tube peut être constitué d'un trou. Il peut également être constitué d'un petit morceau de métal de nature différente de celui du tube, pour former un alliage dont le point de fusion est plus bas que celui du métal du tube. Le traitement des combustibles irradiés fait l'objet des principales applications suivantes. Une première application consiste à utiliser le procédé précédemment résumé pour séparer une barre de combustible nucléaire de sa gaine métallique qui l'entoure. La deuxième application du procédé selon l'invention consiste à séparer toutes les barres d'un faisceau de combustibles nucléaires des gaines qui entourent chacune une barre. Dans ce cas, le procédé se poursuit en déplaçant tout le faisceau de barre dans le champ électromagnétique créé par un inducteur de grand diamètre, de manière à découper simultanément toutes les barres. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à La lecture de la description qui suit, annexée de plusieurs figures représentant respectivement - figure 1, un schéma explicatif relatif à la naissance d'un point de fusion créé par induction dans le procédé selon l'invention ; - figure 2, un schéma explicatif relatif au déplacement du point de fusion de la figure 1 ; - figure 3, un schéma explicatif relatif à un phénomène inductif de rebouclage pouvant se produire dans un tube métallique ; - figure 4, un schéma représentant un tube à découper, entouré sur toute sa longueur d'un inducteur ; - figure 5, un schéma représentant un tube à découper se déplaçant au milieu d'un inducteur court et fixe ; et - figure 6, un assemblage de combustible placé à l'intérieur d'un inducteur de grand diamètre. DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE REALISATION DE L'INVENTION Comme la découpe des tôles ou des tubes à l'aide d'un chalumeau, le procédé selon l'invention consiste à créer une fusion très rapide et très localisée sur le tube et à déplacer ce point de fusion selon la ligne de découpe choisie. En référence à la figure 1, la fusion est créée selon l'invention par induction. La première phase du procédé consiste à créer préalablement un point faible dans le tube à découper. Ce point faible peut être un trou, mais peut également être une fissure, ou un amincissement de l'épaisseur du tube. De manière générale, ce point doit provoquer une augmentation très localisée de la densité de courant pour pouvoi r entrer en fusion bien avant le reste du tube, lors d'une élévation de température. En effet, l'essentiel est de pouvoir exploiter pendant une durée déterminée le fait que le tube puisse avoir un endroit à l'état de fusion sans que le reste du tube ne fonde, de manière à initier la découpe par fusion. L'élévation de température du tube est provoquée par induction. L'inducteur 4 est placé autour du tube 10 à découper, de préférence de manière coaxiale. L'inducteur est réalisé de manière générale sous la forme d'un solénoïde 4, dont plusieurs spires entourent le tube 10. Lorsqu'il est parcouru par un courant suffisamment intense, l'inducteur 4 provoque la naissance de courant électrique à l'intérieur du tube 10. Les flèches horizontales tracées sur ce tube 10 indiquent la direction du courant, le sens de celui-ci dépendant du sens du courant à l'intérieur de l'inducteur 4. Dans le cas représenté sur la figure 1, le tube 10 et l'inducteur 4 ont été représentés dans une position verticale. Les courants induits parcourant le tube 10 sont donc horizontaux. La présence du trou 2 ou d'une fissure provoque une augmentation de la densité de courant autour du trou 2. Lorsque cette densité de courant est suffisante, on peut atteindre la température de fusion du métal du tube 10 dans deux zones très localisées autour du trou 2. En effet, les lignes de courant induit étant horizontales, les deux points opposés 6 et 8 du trou 2, disposés respectivement en haut et en bas de celui-ci subissent l'augmentation de densité de courant car le courant induit circulant horizontalement à la hauteur du trou 2 se trouve dévié par ce dernier et est obligé de passer soit en dessous, soit au dessus de celui-ci. Les deux points extrêmes supérieur 6 et inférieur 8 sont donc objet d'une accumulation de courants induits.Si ceux-ci sont suffisamment intenses, il se produit une fusion de ces deux points supérieur 6 et inférieur 8, alors que le reste du tube se maintient à une température inférieure. L'intensité du courant circulant dans l'inducteur 4 est donc déterminée pour que ces deux points supérieur 6 et inférieur 8 soient en fusion, alors que le reste du tube se maintient à une température inférieure à la température de fusion du métal constituant le tube 10. De plues, comme le représente la figure 2, si on provoque une circulation de courant induit à des hauteurs différentes du tube 10, et voisines du point de départ de la fusion, en L'occurrence le trou initial 2, les points supérieur 6 et inférieur 8 ont tendance à s'écarter du trou en montant et descendant respectivement, toujours à cause de l'accumulation des courants induits au dessus et en dessous du trou 2. Une fente verticale 12 apparat alors à la surface du tube 10. La présence de courant induit à différentes hauteurs du tube 10 peut être provoquée par un simple déplacement vertical de l'inducteur 4. Il est également possible de créer le départ de la découpe du tube 10 par le simple fait de chauffer ce dernier jusqu'à ce qu'un premier point du tube commence à fondre. Pour faciliter la fusion de ce premier point, il est possible de placer au contact du tube 10 un petit morceau de métal, de nature différente, formant avec le métaL du tube un alliage ayant un point de fusion plus bas que le point de fusion du métal constituant le tube. Ce petit morceau de métal peut être intégré dans le tube, lors de sa fabrication. Il est également possible de provoquer un amincissement local du tube 10 pour provoquer le point faible. La fréquence du courant alternatif induit doit être choisie de façon à ce que la profondeur de pénétration des courants induits dans le tube 10 soit juste supérieure ou égale à l'épaisseur du tube 10. En effet, une fréquence trop basse conduit à une profondeur de pénétration trop élevée et à un mauvais rendement électrique et thermique. Comme le montre la figure 3, une fréquence trop élevée conduit à une profondeur de pénétration trop faible. Il se produit alors un rebouclage des courants induits dans l'épaisseur même du tube 10. En d'autres termes, les courants induits forment un circuit fermé avec deux parcours en sens contraires 14 et 15 dans La même épaisseur du tube 10. Les courants induits ne font alors pas le tour de la circonférence du tube 10 et un trou 16 ou une brèche dans le tube 10 ne provoquera pas d'accumulation de densité de courant au bord de ce trou 16. Plusieurs manières de déplacer le point initial de fusion sont possibles pour obtenir une fente permettant de découper un tube. En effet, en référence à la figure 4, il est possible de placer le tube 10 à l'intérieur d'un inducteur 20 entourant de manière continue le tube 10 à découper. La progression du point de fusion se fait alors par le simple fait que les points supérieur et inférieur, repérés respectivement 6 et 8 sur la figure 1, provoquent par leur fusion le déplacement des lignes de courants induits, ceci le long de la génératrice sur laquelle se trouve le point initial de fusion. En plaçant donc le point faible, en l'occurrence un trou 2, en bas du tube 10, une fente 12 apparaitra donc à la fois en descendant et en montant par rapport au trou 2, le long de la génératrice du tube. Quel que soit l'emplacement du point de départ de la fusion, le tube 10 pourra toujours être découpé.L'évacuation du métal en fusion peut se faire par le fait que le tube peut être disposé horizontalement, les gouttes de métal fondu étant recueillies par un récipient ou un objet, placé à l'intérieur du tube dans le cas où la fente est sur la partie supérieure du tube, ou placé à l'extérieur de celui-ci dans le cas où la fente de découpe est placée dans la partie inférieure du tube. En référence à la figure 5, il est possible d'utiliser un inducteur 22 court. Dans ce cas, il est nécessaire de créer un déplacement relatif du tube 10 par rapport à l'inducteur 22 pour pouvoir faire progresser le point de fusion et de créer une fente 12 le long d'une génératrice du tube 10. Ce dernier peut donc être fixe et l'inducteur 22 mobile. Il est également possible de disposer d'un inducteur 22 fixe et de déplacer le tube 10 à l'intérieur de celui-ci, comme le schématise la figure 5. Les combustibles irradiés provenant des réacteurs nucléaires se présentent en général sous deux formes. La première est constituée de tubes isolés contenant les pastilles de combustibles. Les tubes isolés, comme ceux de la figure 5, peuvent être découpés par un simple défilement dans le champ électromagnétique créé par L'inducteur solénoidale 22, parcouru par un courant de fréquence choisie. On peut par exemple découper de cette manière un tube de zircaloy de 10 mm de diamètre par défilement à la vitesse de 10 cm/s dans un inducteur alimenté à une fréquence de 100 KHz, avec une puissance de 7 kW. Comme Le représente la figure 6, la deuxième est constituée d'un assemblage contenant plusieurs tubes séparés par des grilles espaceuses 34 et maintenues par des embouts de tête 36 et de pied 38. Il est possible d'ouvrir simultanément tous les tubes 30 de l'assemblage par un défilement de cet assemblage entier dans le champ créé par l'inducteur long 32 de diamètre très large. En effet, les tubes 30 placés à l'intérieur de l'assemblage sont aussi baignés par le champ électromagnétique créé par l'inducteur 32. Le fait que le champ soit un peu plus faible à L'intérieur entraîne simpLement un temps d'ouverture un peu plus long pour ces tubes placés à l'intérieur de l'assemblage.Les tubes placés en périphérie sont ouverts plus tôt, mais ne chauffent pas plus après leur ouverture, puisque les courants induits ne peuvent plus se reboucler du fait de la présence de la fente de découpage. Dans le cas de l'ouverture de tubes en alliage oxydable, en l'occurrence du zircaloy, l'ouverture doit être bien évidemment faite sous atmosphère neutre pour éviter l'oxydation des tubes. Dans le cadre d'une application au découpage des gaines en zircaloy de barres de combustibles nucléaires, la résistivité de cette gaine est égale à environ à 1.10-6 ohms x m, et l'épaisseur de la gaine est égale à 0,5 mm. La fréquence de chauffage est alors entre 60 et 120 KHz, l'intensité du courant dans l'inducteur étant de l'ordre de 1 000 A. Le procédé de découpage thermique qui vient d'être décrit permet donc l'ouverture de tube au moyen d'un mécanisme très simple, à une vitesse élevée. Dans le cas de l'ouverture de tubes de combustibles, la séparation entre la gaine et le combustible s'effectue ensuite par une dissolution classique du combustible dans l'acide nitrique. Le procédé de découpage selon L'invention peut être appliqué toutes les fois où l'on veut découper longitudinalement des tubes sans employer d'outils de découpe mécanique traditionnels. REVENDICATIONS 1. Procédé pour découper un tube métallique, du type découpage du tube par fusion très rapide et très localisée le long d'une ligne de découpe, caractérisé en ce qu'il consiste à - chauffer le tube (10, 30) par induction avec un courant suffisant pour que la densité de courant au point faible (2) ou autour du point faible (2) provoque, par une élévation très localisée de la température, la fusion du tube du ou autour du point faible (2), le reste du tube (10, 30) restant à une température très inférieure à la température de fusion du métal constituant le tube (10, 30) et - déplacer le point de fusion le long de la ligne de découpe constituee par une génératrice du tube (10, 30) pour créer une fente (12). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer préalablement un point mécaniquement faible (2) dans le tube (10, 30) avant son usage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'induction est créée par un inducteur mobile (4, 22) déplaçable le long du tube à découper (10). 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'induction est obtenue par un inducteur fixe (4, 20, 32), le tube étant déplacé à l'intérieur de L'inducteur (20). 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point faible est un trou (2). 6. Procédé selon la revendication 2, caractérise en ce que le point faible est un petit morceau de métal de nature différente de celle du tube (10) pour former un alliage dont le point de fusion est plus bas que celui du métal du tube (10). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inducteur (4, 20, 22, 32) est un solénoide. 8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'inducteur (20) fixe entoure le tube à découper (10) sur toute sa longueur, le point de fusion (2) se déplaçant le long de la génératrice sur laquelle il est placé, par augmentation de la température sur les deux extrémités de la fente (12), placées sur ladite génératrice. 9. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour séparer une barre de combustibles nucléaires de la gaine métallique qui l'entoure. 10. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, pour séparer les barres (30) d'un assemblage de combustibles nucléaires des gaines qui entourent chacune une barre.