Brevet FR2777688A1 — publié le 19991022

POUDRES D'ALLIAGE D'URANIUM ET PROCEDE DE FABRICATION DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE A L'AIDE DE TELLES POUDRES La présente invention a pour objet un combustible pour réactions nucléaires en dispersion de haute densité renfermant des particules sphériques rapidement solidifiées par un procédé d'atomisation. Elle se rapporte tout particulièrement à une méthode noble de fabrication d'un tel combustible en dispersion. Classiquement, la poudre de combustible nucléaire en dispersion s'obtient par alliage et fragmentation. Des métaux d'alliage sont alliés en lingots par chauffage par induction ou à l'arc sous une atmosphère évacuée. Les lingots tels que coulés sont traités thermiquement sous vide pendant 100 heures à 900"C pour assurer une homogénéité de composition, puis trempés pour donner une phase gamma métastable. On usine les lingots en copeaux et on les broie sous argon liquide en utilisant un broyeur en acier trempé pour obtenir la dimension particulaire appropriée. Les copeaux d'alliage d'uranium sont très pyrophores du fait de ses caractéristiques oxydatives élevées. Donc, il est nécessaire d'effectuer l'usinage sous une quantité de fluide de coupe suffisante pour empêcher pratiquement l'oxydation. La poudre de combustible est contaminée par le fluide de coupe. Des opérations de rinçage à l'aide de solvants organiques tels que l'acétone, etc. et séchage sous atmosphère évacuée à haute température sont nécessaires. En outre, au cours du broyage, il s'introduit de petites particules contenant des impuretés ferreuses résultant de l'usure des organes de broyage de la machine. Un examen attentif de la surface des particules révèle de nombreuses taches foncées à leur surface et que la spectroscopie dispersive d'énergie a permis de déterminer comme étant riche en fer. La plupart des particules contenant des composants ferreux sont éliminées par séparation magnétique. Comme il est difficile de pulvériser des lingots d'alliage d'uranium du fait de ses propriétés mécaniques, le rendement en alliage d'uranium par un procédé de pulvérisation mécanique, qui consiste en de nombreuses étapes de réduction en copeaux, broyage, rinçage et séchage, est extrêmement faible, de l'ordre de 5 à 20 %. En outre, au cours de la séparation magnétique, on perd environ 30 % de la poudre de combustible du fait que la poudre séparée contient une quantité considérable de particules de combustible. Dans le cas de la préparation directe de la poudre à partir de lingots d'alliage en utilisant un tour à haute vitesse équipé d'une lime rotative, la productivité en poudre utilisable est très faible, car elle s'élève à 12 grammes par heure. Le rendement en poudre inférieur à 212 Xum de taille, représente 32 à 63 % environ de la poudre totale, selon la composition de l'alliage. On obtient la poudre en rognant les lingots à l'aide d'un outil en carbure de tungstène/tantale tournant à environ 2500 tours par minute. Ce procédé présente l'inconvénient de contaminer les poudres par les carbures et les nitrures provenant de l'usure de la lime tournante. Le degré de contamination est compris entre 0,1 et environ 7,6 % et est généralement plus élevé pour les alliages d'uranium à plus forte teneur en alliage. Les particules pulvérisées de forme allongée et irrégulière, disposées selon la direction de laminage ou d'extrusion perpendiculaire à l'écoulement thermique, empêchent la conduction thermique dans la masse du combustible. La grande surface spécifique des particules irrégulières augmente l'interaction entre les particules de combustible et la matrice d'aluminium pour donner des aluminures d'uranium (UAlx) de basse densité à la périphérie des particules d'alliage d'uranium et induit un gonflement thermique des particules de combustible nucléaire. La présente invention se rapporte à des poudres d'alliage U-(A)Q et U-(A)Q-(B)X sphériques, dispersées, servant de combustible de haute densité (Q: Mo, Nb, Zr élémentaire; X: Mo, Nb, Zr, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta, etc. élément d'addition secondaires; Q X X; (A) = 4 à environ 9 % en poids, (B) = 0,1 à environ 4 % en poids), ayant une phase métastable y U (cubique centrée) en un pourcentage volumique de 30 à 55 %, et qui sont obtenues à partir de la masse fondue par un procédé d'atomisation. La présente invention se rapporte également à des procédés de fabrication de combustible en dispersion de haute densité comprenant de telles poudres sphériques atomisées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante en référence aux figures en annexes, dans lesquelles - la figure 1 est une représentation schématique d'un atomiseur centrifuge ; et - la figure 2 est un schéma de principe de la présente invention. * La nomenclature des éléments principaux de ce dessin est la suivantes (1) Creuset (2) Générateur haute fréquence (3) Chambre (4) Système de pompe à vide (5) Valve d'alimentation en gaz (6) Valve de purge (7) Disque tournant (8) Récipient récepteur (9) Cyclone (10) Gaz de refroidissement (11) Orifice (13) Bouchon (31) Buse d'injection de gaz (32) Paroi de la chambre (71) Moteur électrique (100) Atomiseur centrifuge La présente invention se rapporte à des combustibles nucléaires de haute densité en dispersion comprenant des particules sphériques atomisées et les procédés de fabrication du combustible. Par rapport à la méthode classique, le procédé de l'invention présente de nombreux avantages pour l'obtention directe d'une phase y U métastable, la simplification du procédé, la minimalisation de l'espace nécessaire pour la fabrication, des améliorations du rendement de production, de productivité en combustible, de pureté de poudre et de mise en forme du combustible, une meilleure conductivité thermique dans le sens de l'écoulement thermique vrais, la diminution de la porosité à l'état tel que fabriqué et un moindre gonflement thermique. On charge l'uranium et les métaux d'alliage dans un creuset réfractaire muni d'un bouchon et d'un petit orifice. On met la chambre d'atomisation sous vide à un degré d'évacuation supérieur à 10-3 Torr en utilisant des pompes à vide. On fond l'uranium et les métaux d'alliage introduits dans le creuset par induction sous vide ou chauffage à l'arc. On charge la masse fondue d'alliage par l'intermédiaire d'une buse sur un disque tournant. Il se forme alors des gouttelettes de masse fondue qui sont dispersées par la force centrifuge du disque tournant. Les gouttelettes fines volantes se refroidissent rapidement (une vitesse de refroidissement supérieure à 1040/seconde) sous atmosphère inerte d'argon ou d'hélium gazeux du fait de leur grande surface spécifique. La figure 1 représente un diagramme schématique d'un atomiseur centrifuge et la figure 2 représente un schéma de principe de la présente invention. Le dispositif de la présente invention comprend: un creuset réfractaire 1 muni d'un bouchon et d'un orifice 11, un générateur haute fréquence 2 pour le chauffage du creuset, un système de pompe à vide 4 pour la mise en dépression ou sous vide d'une chambre 3 à un degré de vide approprié, une valve d'introduction de gaz 5 permettant d'introduire un gaz de refroidissement 10 dans la chambre 3, une valve de purge 6 pour décharger la surpression de gaz à l'extérieur de la chambre, un disque tournant 7, un réceptacle 8 pour recueillir la poudre obtenue et par cyclone 9 pour recueillir la poudre très fine. Le creuset 1 est placé dans la chambre et entouré par la bobine d'induction. Les métaux d'alliage sont introduits dans le creuset. La chambre est mise sous un vide d'environ 10-3 Torr à l'aide d'un système de pompe à vide. Le creuset est chauffé par la méthode d'induction. On fournit le courant électrique haute fréquence à la bobinc à partir d'un générateur. On décharge la masse fondue en soulevant le bouchon et on la fait tomber par l'orifice sur le disque tournant. En même temps, on amène le gaz de refroidissement Ar ou He dans une direction descendante à partir des buses vers le milieu de la chambre. Le débit de gaz de refroidissement est régulé par des valves de réglage. La masse fondue se disperse en formant des gouttelettes sous l'effet de la force centrifuge du disque tournant. Les gouttelettes de masse fondue volantes se solidifient rapidement sous l'effet du gaz de refroidissement du fait de leur grande surface spécifique. Les particules solidifiées glissent le long des parois inclinées dc la chambre 3 dans le réceptacle à poudre 8 au fond de la chambre 3. La valve de purge 6 disposée entre le cyclone et la chambre permet la décharge des gaz dc refroidissement usés 10 grâce à la surpression de la chambre. La présente invention sera décrite par l'exemple suivant (I). Si on prépare une poudre d'alliage U-8 % en poids de Mo, on pèse l'uranium et le molybdène métallique en proportion de la composition d'alliage et on les introduit dans le creuset. I,e creuset (1) et le système d'isolation sont convenablement assemblés. On évacue la chambre d'atomisation à environ i 10-3 Torr en utilisant un dispositif à vide. Ensuite. on chauffe le creuset en mettant en marche le générateur. Lorsque la température du creuset atteint 200"C de plus que le point de fusion, on met le disque 7 en rotation à environ 30 000 tours/minute en utilisant un moteur électrique 31. En soulevant le bouchon, on verse la masse fondue sur le disque tournant par un orifice. La masse fondue se répartit sur le disque tournant sous l'effet de la force centrifuge pour former de fines gouttelettes qui s'envolent sous l'effet du gaz de refroidissement injecté vers le bas en direction des parois de la chambre. Les fines gouttelettes sc solidifient rapidement en une phase y U métastable à une vitesse de refroidissement d'environ 104 "C/seconde. On recueille la poudre atomisée dans le réceptacle 8 au fond de la chambre 3. La dimension particulaire médiane est d'environ 65 pm et la fraction de poudre inférieure à 125 pm de dimension particulaire représente environ 95 %. Ensuite, on mélange la poudre atomisée avec de la poudre d'aluminium et on les compacte en granules. On préchauffe les granules à 420"C et on les extrude en saumons de combustible sous atmosphère inerte. Un autre exemple (II) est le suivant ; on peut appliquer la présente invention au combustible en dispersion d'alliage d'uranium d'alliages U-(A)-(B)X comprenant de l'alliage U-(A)Q (ici, Q : Mo, Nb, Zr; X: Mo, Nb, Zr, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta, etc. ; Q w X; (A) = 4 à 9 % en poids, (B) = 0,1 à 4 % en poids). Si on prépare une poudre d'alliage de U-5 % en poids de Mo-2 % en poids de Ir en poudre, on pèse U, Mo et Ir élémentaires en proportion de la composition d'alliage et on les introduit dans un creuset en céramique. Ensuite, on met la chambre d'atomisation sous un vide supérieur à 10-3 Torr en utilisant un système de pompe à vide de la même façon que pour le procédé d'atomisation de l'alliage U-8 /O en poids Mo. Après avoir surchauffé la masse fondue d'alliage à environ 200"C au-dessus du point de fusion, on lance la rotation du disque et on la porte à environ 30 000 tours par minute. Les particules de combustible sont obtenues par un effet de solidification rapide (vitesse de refroidissement supérieure à 104 OC/seconde) sous atmosphère inerte (10). On mélange une poudre d'alliage sphérique U-(A)Q-(B)X (ici, Q: Mo, Nb, Zr; X: Mo, Nb, Zr, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta, etc. ; Q W X ; (A) = 4 à 9 % environ en poids, (B) = 0,1 à 4 % environ en poids), à raison de 30 à 55 % environ en pourcentage volumique avec de la poudre d'aluminium puis on compacte en billettes. On préchauffe les billettes à 370"C et on les extrude sous atmosphère inerte en saumons de combustible. Dans la présente invention, on obtient directement des poudres d'alliages d'aluminium d'alliages U-Mo, etc., à partir de la masse fondue. Voici les avantages obtenus grâce à cette technologie Primo, la fabrication de la poudre par la méthode d'atomisation est excellente en matière de rendement et de productivité. Les procédés de fabrication tels que la pulvérisation mécanique de lingots, le rinçage et le séchage de copeaux pour l'élimination des constituants du fluide de coupe et la séparation magnétique peuvent être évités Secondo, on obtient directement la phase gamma de l'alliage d'uranium à partir de la masse fondue grâce à l'effet de refroidissement rapide Tertio, les particules atomisées présentent une forme sphérique qui apporte de nombreux avantages bénéfiques en matière de performances du combustible tels que : un plus faible gonflement par interaction entre les particules de combustible et la matrice, une meilleure conductivité thermique dans le sens de circulation de la chaleur vrai, et une amélioration de l'usinabilité des saumons de combustible Quarto, la qualité de la poudre est pure car il n'y a aucun risque de contamination par le fluide de coupe ni par les outils de broyage. REVENDICATIONS poudres d'alliage U-(A)Q et U-(A)Q-(B)X sphériques, dispersées, servant de combustible de haute densité pour réacteurs nucléaires (Q : Mo, Nb, Zr élément; X: Mo, Nb, Zr, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta, etc. élément d'addition secondaire; Q # X ; (A) = 4 à 9 % environ en poids, (B) = 0,1 à 4 % environ en poids), ayant une phase métastable y U (cubique centrée) en un pourcentage volumique de 30 à 55 % et qui sont obtenues à partir de la masse fondue par un procédé d'atomisation. 2.- Procédé de fabrication de combustibles pour réacteurs nucléaires en disper sion de haute densité comprenant les poudres sphériques atomisées selon la revendi- cation 1.