Brevet FR2755290A1 — publié le 19980430

PROCEDE ET SYSTEME DE DEMANTELEMENT D'UN ASSEMBLAGE D'ELEMENTS COMBUSTIBLES IRRADIES DESCRIPTION Domaine de l'invention La présente invention concerne le démantèlement d'assemblages de pastilles de combustibles irradiés et, plus particulièrement d'assemblages constitués d'éléments combustibles du type " caramel ", c'est-à-dire des petites plaquettes rectangulaires assemblées en plaques parallèles et empilées pour constituer une poutre constituant l'assemblage. Ce dernier est utilisé, entre autres, dans des réacteurs expérimentaux. Art antérieur et problème posé Dans le cadre du démantèlement d'installations nucléaires et du retraitement des différents matériaux, il est indispensable de procéder au retraitement d'éléments combustibles sans emploi ou irradiés. C'est le cas de certains assemblages de combustibles utilisés dans des réacteurs expérimentaux. La mise en oeuvre de leur démantèlement implique alors la mise au point de nouveaux matériels de démantèlement, particulièrement adaptés à ce type d'assemblage. Entre autres, il est nécessaire d'isoler les plaques de combustibles, de les fractionner, afin de libérer la matière nucléaire pour opérer à la dissolution ou à l'extraction de cette dernière. Le but de l'invention est d'aboutir à un tel résultat avec un de ces assemblages de combustibles irradiés utilisés dans des réacteurs expérimentaux. B 12482.3 JB. Résumé de l'invention Un premier objet principal de l'invention est un procédé de démantèlement d'un assemblage d'éléments combustibles irradiés, maintenu par deux plaques latérales soudées sur les éléments de combustible empilés par des soudures latérales effectuées par bombardement d'électrons. Selon l'invention, le procédé comprend les phases suivantes: - usinage des soudures latérales pour libérer les deux plaques latérales de l'assemblage; et - fractionnement des éléments combustibles de l'assemblage. De préférence, le fractionnement des éléments de combustibles est effectué par poinçonnage et l'usinage est un fraisage. Par ailleurs, il est préférable, pour des raisons de fabrication d'utiliser des poinçons cylindriques qui, dans le cadre de l'invention, sont décalés en hauteur pour découper des lunules de l'assemblage. De préférence, lorsque la structure de l'élément combustible irradié est un matériau pyrophorique, le procédé s'effectue sous gaz neutre. Ces opérations sont effectuées à sec pour des raisons de criticité. De préférence, on effectue en premier lieu une reconnaissance et un contrôle de la géométrie de l'assemblage par palpage. De plus, cette opération permet de calculer les trajectoires. Un deuxième objet principal de l'invention est un système de démantèlement d'un assemblage d'éléments combustibles irradiés maintenu par deux B 12482.3 JB. plaques latérales soudées sur les éléments combustibles par deux soudures latérales. Selon l'invention, le système comprend principalement: - une fraiseuse à broches horizontales opposées; et - une poinçonneuse. De préférence, la fraiseuse comprend deux têtes d'usinage et un boîtier de confinement alimenté en gaz inerte placé au-dessus de la table porte-outil pour que l'assemblage soit maintenu sous gaz inerte pendant le fraisage. Pour effectuer une reconnaissance et un contrôle des formes, on équipe la fraiseuse de palpeurs de type dimensionnel aptes à reconnaître chaque face de l'assemblage après en avoir contrôlé au moins trois points sur chaque face. Dans sa réalisation préférentielle, la poinçonneuse a un système d'entraînement mécanique du poinçon du type à genouillère. Les poinçons sont de préférence cylindriques et décalés en hauteur, dans le but de découper des lunules et de répartir l'effort dans le temps. Le matériau dans lequel est réalisée la partie active des poinçons est le carbure de tungstène. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement: B 12482.3 JB. - figure 1, un assemblage d'éléments combustibles irradiés traité par le procédé et le système selon l'invention; - figure 2, en vue éclatée, une plaque de combustible de l'assemblage; - figure 3, la fraiseuse utilisée dans le système selon l'invention; - figure 4, la poinçonneuse utilisée dans le système selon l'invention; et - figure 5, un détail de la poinçonneuse de la figure 4. Description détaillée d'une réalisation de l'invention La figure 1 montre un assemblage standard d'éléments combustibles constitué de dix sept plaques 4 de combustible, empilées parallèlement les unes au-dessus des autres. Chacune de ces plaques 4 contient cent trente-six pastilles ou " caramels " de combustible. L'assemblage est maintenu par deux plaques latérales 1 soudées sur l'empilement de plaques 4 par des soudures 10 effectuées de préférence par bombardement d'électrons. Ces soudures 10 sont perpendiculaires à l'axe longitudinal de cet assemblage. Une poignée d'accrochage 2 peut être montée dans la partie supérieure de l'assemblage entre les deux plaques latérales 1. Des pieds 3 peuvent compléter cet assemblage dans sa partie inférieure. Ils sont de préférence en alliage d'aluminium. En référence à la figure 2, chaque plaque de combustible, référencée 4 sur la figure 1, est composée de plusieurs éléments qui constituent un boîtier. Ce dernier se compose de deux feuilles de B 12482.3 JB. zircaloy 6 entre lesquelles est placée une grille 8 en zircaloy. Cette dernière est destinée à délimiter des alvéoles, réparties en quatre colonnes de trente quatre emplacements pour y maintenir les plaquettes de combustible 5, en l'occurrence du dioxyde d'uranium. On signale que les pastilles de dioxyde d'uranium, dénommées communément " caramels ", sont fabriquées par frittage d'une poudre de dioxyde d'uranium, sous hydrogène, à une température proche de 1 600 C. Elles sont recouvertes d'une couche de chrome déposée par pulvérisation cathodique, de manière à constituer une barrière antidiffusion. On ajoute que des assemblages de commande sont également réalisés de manière analogue, à l'aide des quatorze plaques de constitution similaire à celle de l'assemblage standard, chacune comportant simplement quatre vingt dix-neuf plaquettes de combustible en trois colonnes de trente trois emplacements. Le principe d'assemblage de ces plaques est identique. Chaque alvéole est étanche par rapport aux autres. Les deux feuilles de zircaloy 6 recouvrent donc ces plaquettes 5 ainsi enfermées et sont soudées sur la grille 8 par diffusion sous vide en température et sous forte pression. La grille 8 est entourée à sa périphérie de réglettes longitudinales 7a et d'embouts latéraux 7b, tous en zircaloy. Une plaquette de nickel 9 peut être rajoutée aux extrémités de chaque grille 8 pour remplacer une éventuelle dernière rangée de pastilles dans le but d'abaisser la valeur du flux neutronique en bout de chaque plaque, supprimant ainsi le point chaud qui pourrait s'y produire. Un écarteur 7C peut être placé entre chaque plaquette de nickel 9 et la grille 8. B 12482.3 JB. En revenant à la figure 1, un tel empilage de plaques de combustibles est maintenu entre les deux plaques latérales 1, dans des rainures parallèles de ces dernières. Une dizaine de cordons de soudure 10 réalisés par bombardement d'électrons, perpendiculaires à l'axe longitudinal des plaques, permet de maintenir l'ensemble. Dans le cadre du développement du procédé du système selon l'invention, il est impératif de disposer d'équipements permettant d'assurer les différentes opérations mécaniques, de façon industrielle, avec un fonctionnement fiable, en limitant le risque de dispersion de matière. De plus, il est impératif de maîtriser totalement la sécurité vis-à-vis des risques d'incendie et d'explosion pouvant être engendrés par des particules de zircaloy qui est une matière pyrophorique. Pour minimiser ces risques, les différentes opérations mécaniques de démantèlement par usinage sont effectuées dans des volumes restreints, confinés par un gaz neutre par balayage. De plus, pour éviter le risque de criticité des plaquettes de combustibles, l'ensemble de ces opérations est réalisé à sec, c'est-à-dire sans lubrifiant. En référence à la figure 3, la première des deux étapes principales du démantèlement est un usinage qui s'effectue, de préférence, au moyen d'une fraiseuse trois axes pour un fraisage transversal par rapport à l'axe longitudinal de l'assemblage. Les trois axes sont représentés par les trois flèches. La fraiseuse est de préférence à commande numérique et permet donc de recevoir un outillage de bridage qui est un étau spécial destiné à recevoir un assemblage de combustibles à usiner. Elle est entièrement télémanipulable et est gérée par un programme intégrant B 12482.3 JB. les contrôles de sécurité avant de lancer le cycle d'usinage en automatique. Il permet également de procéder à la reconnaissance du type d'assemblage, au contrôle des déformations et d'adapter la profondeur de passe. En effet, avant de lancer le cycle d'usinage de l'assemblage, on réalise, afin d'intégrer ses déformations éventuelles, un contrôle de géométrie. Ce contrôle est effectué à l'aide de deux palpeurs dimensionnels 16, chacun étant solidaire d'une des deux têtes de fraisage. On registre les cotes sur des génératrices verticales de l'assemblage en plusieurs positions (trois dans notre cas). Le programme fait une interpolation linéaire, ce qui permet d'assurer une profondeur de passe constante lors du cycle d'usinage malgré les déformations de l'assemblage. De plus, pour des mesures de sécurité, il est prévu un réservoir de poudre d'extinction capable de combattre efficacement les risques d'incendie dus à la pyrophoricité du matériau usiné. La fraiseuse comprend principalement un socle 10, un bâti 11, deux broches de fraisage 12, une table porte-outil 13, un boîtier de confinement 14 et des coffrets de raccordement électrique 15. La table porte-outil 13 est montée mobile en hauteur et selon l'axe longitudinal, représenté par la flèche de gauche. Elle est apte à recevoir l'outillage de bridage. Les deux broches 12 sont horizontales et se font face. Elles sont montées mobiles en translation horizontales selon la flèche du haut. L'usinage est éventuellement surveillé par des caméras nucléarisées résistant aux rayonnements, ainsi que par un microphone d'ambiance. B 12482.3 JB. Une fois l'usinage réalisé, l'étau contenant l'assemblage usiné est transféré sur une table de tri, non représentée, o il est ouvert. Les plaques sont alors récupérées, les déchets de structure de l'assemblage sont conditionnés dans un conteneur qui est ensuite évacué vers d'autres installations pour un entreposage de désactivation. L'usinage est réalisé sans lubrifiant, c'est-à-dire à sec. Ceci permet d'éviter l'entraînement de poudre de matière nucléaire dans les lubrifiants. Les copeaux en fin de cycle d'usinage et après refroidissement sont aspirés pour être récupérés. On signale que le procédé selon l'invention a été testé durant des essais sur des matériaux de simulation, du zircaloy non irradié et irradié. Les paramètres d'usinage, d'affûtage, les matériaux et les conditions de traitement ont été testés préalablement. En référence à la figure 4, la deuxième partie principale du système selon l'invention est une poinçonneuse spéciale utilisée pour découper des matériaux sandwiches. Elle comprend principalement une base 20, un bâti 21 portant, d'une part un magasin 23 et un poussoir 22 et, d'autre part un système de poinçonnage comprenant un vérin 24 actionnant un module de poinçonnage 25 portant lui-même un support de poinçon 26 positionné au-dessus d'une matrice 27 fixée sur le bâti 21. Les plaques de l'assemblage sont empilées dans le magasin de chargement 23 de la poinçonneuse, puis poussées au moyen du poussoir 22 de façon unitaire à l'intérieur du module de poinçonnage 25, o elles sont découpées en lunules. B 12482.3 JB. La figure 5 représente en détail le module de poinçonnage 25 utilisé pour effectuer le fractionnement. On y distingue également, en traits interrompus, le vérin 24 placé verticalement et agissant sur un levier 28 monté pivotant horizontalement autour d'un axe horizontal 28A, fixé dans le corps du module de poinçonnage 25. L'autre extrémité du levier 28 est montée articulée sur une bielle 29, elle-même montée par son autre extrémité pivotante sur le support de poinçon 26. Cet ensemble constitue un système mécanique du type à genouillère. Il permet d'éviter l'utilisation d'ensembles hydrauliques exposés à de nombreux problèmes de fuites. De plus, l'effort développé par ce type de poinçonnage est progressif sur une petite course. Des poinçons 30 cylindriques sont fixés en dessous du support de poinçonnage 26, de manière décalée en hauteur, dans le but de répartir l'effort sur toute la durée d'une course. Les décalages ont été optimisés lors des essais sur des plaquettes en acier. Les poinçons 30 sont réalisés en carbure de tungstène. En effet, la partie active de coupe sur les poinçons 30 doit résister, à la fois à l'abrasion, avec une dureté du grain élémentaire supérieure à celle du matériau découpé le plus dur (UO2 irradié) et à la fois aux chocs et à la fatigue occasionnés par les efforts de coupe et la cadence du poinçonnage. Le carbure de tungstène avec 9 % de liant réduisant la fragilité, assure un compromis acceptable. Ce choix a été validé par les essais d'endurance. Les angles de coupe sur les poinçons 30 varient de 15 à 20 en fonction de leur position, ceci afin de lisser l'effort de coupe et de réduire les chocs. B 12482.3 JB. Une grille 8 de plaquettes a été représentée en dessous du support de poinçonnage 26 et au-dessus de la matrice 27. Un pot de réception 31 a été placé en dessous du module de poinçonnage 25 pour recevoir les lunules 32 résultant du poinçonnage de la grille 8 et de ses plaquettes. Les matières et lunules recueillies dans le pot de réception 31 sont enfermées dans un étui d'aluminium. Le module de poinçonnage 25 est enfermé dans un boîtier de confinement, non représenté, de manière à effectuer ce poinçonnage sous gaz inerte. B 12482.3 JB. il REVENDICATIONS 1. Procédé de démantèlement d'un assemblage d'éléments combustibles irradiés maintenus par deux plaques latérales (1) soudées sur les éléments combustibles empilés par des soudures latérales (10) effectuées par bombardement d'électrons, le procédé comportant les étapes suivantes: usinage des soudures latérales (10) pour libérer les deux plaques (1) de l'assemblage; et - fractionnement de l'assemblage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'usinage est un fraisage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fractionnement est un poinçonnage. 4. Procédé selon la revendication 1, les plaquettes de combustibles irradiés (5) étant pyrophoriques, caractérisé en ce que le procédé se déroule sous gaz inerte. 5. Procédé de démantèlement selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'usinage et le fractionnement se déroulent à sec. 6. Procédé de démantèlement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser plusieurs poinçons (30) décalés en hauteur pour couper des lunules (32) de l'assemblage, en répartissant les efforts de poinçonnage. 7. Procédé de démantèlement selon la revendication 1, caractérisé en ce que on effectue une reconnaissance et un contrôle de la géométrie de l'assemblage par palpage en première étape. 8. Système de démantèlement d'éléments combustibles irradiés maintenus par deux plaques latérales (1) soudées sur les éléments combustibles B 12482.3 JB. empilés par des soudures latérales (10) effectuées par bombardement d'électrons et comprenant successivement: - une fraiseuse (12) à broches horizontales opposées; et - une poinçonneuse verticale. 9. Système de démantèlement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fraiseuse (12) a deux têtes d'usinage. 10. Système de démantèlement selon la revendication 9, caractérisé en ce que la fraiseuse possède des capteurs tridimensionnels placés sur chaque tête d'usinage aptes à reconnaître chaque face de l'assemblage. 11. Système de démantèlement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fraiseuse comporte un boîtier de confinement (14) alimenté en gaz inerte et placé au-dessus de la table porte-outil (13) pour que l'assemblage soit maintenu sous gaz inerte pendant le fraisage. 12. Système de démantèlement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la poinçonneuse a un module de poinçonnage (25) qui a un système d'entraînement mécanique des poinçons (30), du type à genouillère. 13. Système de démantèlement selon la revendication 12, caractérisé en ce que les.poinçons (30) sont décalés en hauteur. 14. Système de démantèlement selon la revendication 13, caractérisé en ce que la partie active des poinçons (30) est en carbure de tungstène. 15. Système de démantèlement selon la revendication 12, caractérisé en ce que la poinçonneuse comprend un boîtier de confinement. B 12482.3 JB. 16. Système de démantèlement selon la revendication 12, caractérisé en ce que les poinçons (30) sont cylindriques. B 12482.3 JB.