Brevet FR2817386A1 — publié le 20020531

PROCEDE DE FABRICATION DE PASTILLES DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE OXYDE L'invention concerne les pastilles de combustible nucléaire utilisées dans les réacteurs refroidis et modérés par de l'eau et notamment dans les réacteurs à eau légère. Le combustible nucléaire se présente généralement sous forme de pastilles frittées de forme cylindrique, constituées d'oxyde d'uranium enrichi en isotope 235 et/ou en plutonium et pouvant également contenir des poisons neutroniques. On a également déjà proposé d'introduire des dopants favorisant le grossissement des grains, tels que Ti, AI et Cr ou leurs oxydes (WO-A-9429874). Des pastilles sont empilées dans des gaines en alliage à base de zirconium pour constituer des crayons de combustibles. Pour assurer un bon transfert thermique entre les pastilles et la gaine, le jeu radial entre les pastilles et la gaine doit être aussi réduit et régulier que possible. Pour éviter des sollicitations mécaniques dues à l'interaction pastilles-gaine, il est nécessaire que la surface externe des pastilles, initialement et après une durée importante de présence en réacteur, soit aussi cylindrique que possible afin d'éviter qu'il y ait des contraintes mécaniques locales de la gaine provoquées par des pastilles et/ou localement des jeux importants, néfastes au transfert thermique. A l'heure actuelle, on utilise de façon quasi universelle des pastilles ayant une hauteur H supérieure à leur diamètre D, dont la surface latérale est généralement rectifiée de façon à leur donner un diamètre constant et bien défini. En effet, les procédés actuels de fabrication de telles pastilles par compression de poudre ou de granulés dans la chambre cylindrique d'une matrice, à l'aide de deux poinçons agissant en sens opposés et soumis à des efforts égaux, puis par frittage des comprimés ainsi obtenus ne permettent pas d'obtenir des pastilles directement utilisables, du fait de leur cylindricité insuffisante. L'un des motifs est le fait que les modes de compression utilisés à l'heure actuelle ne fournissent pas un comprimé ayant une densité à vert homogène sur toute la hauteur. La transmission incomplète des contraintes de pression par la poudre ou les granulés et les frottements des granulés sur la surface de la matrice se traduisent par un gradient axial de densité ; cette densité est plus faible à mi- hauteur des pastilles. Le frittage provoque une densification qui aboutit à des pastilles de densité quasi-homogène, au prix d'un retrait plus important dans la zone médiane. Les pastilles prennent une forme de diabolo, d'autant plus marquée que le rapport H/D est élevé. Cette déformation en diabolo est bien connue. On a proposé diverses solutions pour l'écarter. On a notamment tenté de réduire le gradient de densité à vert en utilisant des granulés ayant une meilleure coulabilité de façon à augmenter la transmission des contraintes mécaniques ou en utilisant des lubrifiants plus efficaces. On a augmenté la densité à vert ou diminué la densité frittée pour réduire l'écart entre ces deux densités. On a proposé enfin de superposer plusieurs couches de poudres de caractéristiques différentes dans la matrice. Ces solutions ne donnent que des résultats peu significatifs, dégradent d'autres caractéristiques et/ou compliquent la fabrication. La présente invention vise à fournir un procédé permettant de réduire de façon significative l'effet de diabolo en maîtrisant le gradient de densité plutôt qu'en cherchant à l'éviter par des mesures peu efficaces. L'invention propose dans ce but un procédé de fabrication de pastilles dites "à vert"suivant lequel on comprime une poudre à base de dioxyde d'uranium, comportant éventuellement une fraction de dioxyde de plutonium et/ou une faible teneur de U308, dans une matrice dont la zone de compression possède au moins une fraction évasée, entre deux poinçons ayant des surfaces d'appui différentes et exerçant des pressions différentes, la pression exercée par le poinçon ayant la plus faible surface d'appui étant plus élevée, les conditions de pressage étant prévues pour que la pastille à vert ait un rapport H/D, entre la hauteur et le diamètre, ne dépassant pas 0,6. Pour un rapport H/D de 0,4 à 0,5, le rapport entre les pressions exercées par les deux poinçons sera avantageusement compris entre 1,2 à 1, 8. La différence entre les diamètres des surfaces d'appui sera généralement compris entre 0,2 et 0,3 mm pour les valeurs habituelles de D. Pour des pastilles plus hautes, le rapport des pressions sera accru. Un tel procédé permet notamment de constituer des pastilles telles que décrites dans la demande de brevet français de ce jour ayant pour titre "Pastille de combustible nucléaire oxyde et crayon comportant un empilement de telles pastilles". La zone de compression a une fraction évasée qui peut avoir une conicité unique. Elle peut être en totalité tronconique. Dans certains cas il sera préférable d'avoir plusieurs conicités (quatre par exemple) différentes, voire même une partie cylindrique, ou même un profil à variation de pente continue. En plus du dioxyde d'uranium, ou plus généralement de l'oxyde d'uranium pouvant avoir une teneur en oxygène légèrement différente de la stochiométrie, et de l'oxyde de plutonium, les pastilles peuvent contenir, comme indiqué plus haut, - un ou des poisons neutroniques, tels que l'oxyde de gadolinium, destiné à réduire la réactivité dans une phase initiale d'utilisation du combustible en réacteur, et/ou - un agent dopant destiné à favoriser le grossissement des grains sous irradiation et à réduire le relâchement de gaz de fission, tels que Cr (à l'état métallique ou d'oxyde), AI et Ti, - une faible teneur en lubrifiant et/ou en produit porogène. Avantageusement la poudre ou les granulés contiennent de 0,1 à 1 % en poids de chrome, à l'état métallique ou d'oxyde Grâce à l'ensemble des caractéristiques ci-dessus, on peut obtenir, après frittage, des pastilles qui tout à la fois ne présentent qu'une très faible conicité (c'est-à-dire un très faible angle de la génératrice par rapport à l'axe) et un très faible effet diabolo (c'est-à-dire un écart faible entre le diamètre minimum et le diamètre maximum). En particulier, il a été constaté qu'une conicité moyenne de la zone de compression comprise entre 20 minutes et 1 degré était généralement satisfaisante. Une conicité moyenne de 40 minutes d'angle sur au moins 80 % de la longueur de la zone de compression, là où la compression se termine, a donné de bons résultats dans le cas de pastilles destinées à constituer des pastilles frittées de 4 à 5 mm de hauteur ayant un diamètre nominal compris entre 8 et 8,5 mm qui est courant à l'heure actuelle. La très faible conicité à l'issue du frittage et le faible effet de diabolo permettent quelquefois d'utiliser les pastilles ainsi fabriquées sans rectification ultérieure, d'où une réduction extrêmement sensible du coût de fabrication. Il a par ailleurs été constaté que l'utilisation des pastilles frittées courtes obtenues réduit considérablement les contraintes sur la gaine provoquées par les interactions pastilles-gaine. Les inventeurs ont également constaté qu'il était possible d'effectuer le frittage de telles pastilles en vrac dans des nacelles, plutôt qu'à l'état rangé, et cela sans effet défavorable sur la régularité du frittage. Ils ont même constaté qu'un tel frittage en vrac donnait des résultats favorables du point de vue de l'homogénéité des densités, la taille des grains et la stabilité thermique des pastilles frittées n'étant pas affectées. L'invention propose également, en conséquence, une pastille frittée de combustible nucléaire comprenant de l'oxyde d'uranium enrichi présentant un rapport H/D entre la hauteur et le diamètre compris entre 0,4 et 0,6 et ayant des évidements sur les faces terminales de profondeur comprise entre 0,1 et 0,2 mm, avec un écart entre les diamètres maximum et minimum de 0,02 % 0,05 %. Il a été également constaté que, contrairement à ce que l'on pouvait craindre, le chargement de pastilles de faible hauteur dans une gaine ne soulève pas de problèmes particuliers et notamment pas de coincements par mise en biais, aussi longtemps que le rapport H/D entre la hauteur et le diamètre dépasse 0,4 environ. Il a également été constaté que la réduction de la hauteur ne se traduisait pas par une fragilisation augmentant le taux de rebuts. Enfin, les contraintes circonférentielles imposées à la gaine du fait de l'interaction pastilles-gaine sont considérablement réduites, pour une même valeur du jeu radial initial entre les pastilles et la gaine, du fait de la réduction de la hauteur des pastilles. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1, où l'échelle n'est pas respectée pour plus de clarté, est une vue en coupe montrant les composants essentiels d'une presse de fabrication de pastilles à vert présentant une chambre de compression tronconique, - les figures 2A-2D montrent quatre étapes successives du pressage, - la figure 3, où l'échelle n'est de nouveau pas respectée, est une vue en coupe faisant apparaître les paramètres dimensionnels d'une pastille de combustible nucléaire, à vert (en tirets) et après frittage (en traits pleins). Les pastilles 10 qui ont fait l'objet des essais sont constituées du même matériau que les pastilles habituelles, à savoir d'oxyde d'uranium faiblement enrichi. Elles sont destinées à être introduites dans des gaines habituelles en alliage à base de zirconium ayant une épaisseur de 0, 6 mm environ. En règle générale, on presse les pastilles de façon qu'elles présentent, après frittage, des évidements terminaux en forme de calotte sphérique de faible profondeur. Les pastilles étudiées présentent, à l'état fritté, de tels évidements, ayant par exemple le même diamètre nominal de 5,50 mm et une profondeur comprise entre 0,1 et 0,2 mm. Diverses hauteurs de pastilles ont été fabriquées et un optimum a été obtenu pour une hauteur H comprise entre 4 et 5 mm, pour un diamètre nominal de pastilles frittées de 8,2 mm. Une hauteur H de 4,1 mm a donné de bons résultats. Les pastilles ont été fabriquées dans une presse dont les organes intervenant sur les pastilles avaient la constitution montrée en figure 1. La matrice est constituée d'un corps 12 et d'un coeur 14 délimitant la chambre de compression. Cette chambre 16, de forme tronconique, communique avec les fonds du coeur 14 vers le haut par un passage cylindrique 18 présentant un chanfrein d'introduction et vers le bas par un passage cylindrique 20 présentant également un chanfrein. Un poinçon inférieur 24 présente une longueur suffisante pour traverser la totalité du coeur 14 et chasser une pastille comprimée vers le haut hors de la matrice. Un poinçon supérieur 22 intervient d'abord pour fermer la chambre de compression, puis comme appui pour la compression de la poudre en pastilles. Une conicité moyenne de 40'de la chambre 16 constituant une zone de compression donnait dans ce cas de bons résultats, à condition de doser de façon précise la quantité de poudre ou de granulés introduite dans la chambre 16 et de respecter, entre les pressions exercées par les poinçons inférieur 24 et supérieur 22 un rapport approprié. Ce rapport sera d'autant plus élevé que les pastilles sont longues. Pour un rapport H/D moyen des pastilles à vert d'environ 0,5, un rapport des pressions exercées par les poinçons 24 et 22 de 1,4 0, 1 a donné des résultats satisfaisants. La différence entre les pressions exercées par les poinçons peut être obtenue de façon simple, soit en utilisant une presse hydraulique avec des pistons de surfaces différentes et soumis à la même pression hydraulique pour actionner les poinçons, soit par des actions mécaniques différenciées. A titre d'exemple, on a utilisé une poudre de dioxyde d'uranium contenant quelques pour cent d'oxyde U308. Le mélange ainsi constitué a été précompacté en comprimés sous une pression de 50 bars, puis granulé. Du stéarate de zinc a été ajouté en tant que lubrifiant. Les comprimés, destinés à constituer des pastilles présentant, après frittage, un diamètre nominal de 8,190 mm et une hauteur nominale de 5 mm, ont été réalisés dans une matrice ayant une chambre tronconique de compression 16 ayant une longueur L de 5,2 mm, un diamètre maximum de 9,75 mm et une différence de 60 um entre les diamètres inférieur et supérieur, ce qui correspond à une conicité de 40'. Le rapport entre les pressions exercées par les poinçons 24 et 22 était de 1,4 et ces pressions étaient choisies pour donner des pastilles ou comprimés 3 ayant une densité en cru comprise entre 6 et 6, 10 g/cm3. Les figures 2A à 2D montrent, schématiquement une séquence de compression de pastilles. Initialement, le poinçon 24 est relevé de façon à fermer le conduit constitué par le passage 18, la chambre 16 et le passage 20 (figure 2A) et une quantité dosée de poudre 30 est déversée dans la matrice. Le poinçon 22 est alors descendu de façon à exercer une précompression qui amène la surface supérieure de la poudre à l'entrée de la chambre de compression 16. Le poinçon 24 étant alors immobilisé, il est possible d'ajuster la pression exercée par le poinçon 22 (figure 2B). Au cours de l'étape suivante (figure 2C) une force est exercée sur le poinçon 24 pour comprimer la poudre et la pression exercée par le poinçon 22 est maintenue. Les forces exercées sur les deux poinçons sont alors telles que la pression subie par la face supérieure de la poudre est intérieure à celle subie par la face inférieure. Généralement, ces forces seront telles que la compression amène la poudre à n'occuper qu'une fraction ou la totalité de la chambre de compression 16. Toutefois dans certains cas les pressions seront telles que le piston 24 n'atteigne pas l'extrémité inférieure de la chambre de compression 16. La zone de compression doit alors être considérée comme comportant non seulement la chambre de compression, mais une fraction du passage 20. Enfin, la pastille ainsi constituée 32 est chassée de la matrice vers le haut par le poinçon 24, simplement en supprimant la force qui s'exerce sur le poinçon 22. La forme très légèrement conique de la pastille 32 facilite la sortie. Comme il a été indiqué plus haut, la chambre de compression 16 peut avoir une forme composite, avec des conicités variables à différents niveaux. Les pastilles ainsi constituées ont été ensuite frittées en vrac. Pour cela, elles ont été placées dans des nacelles et soumises à une durée d'au moins quatre heures, à une température allant jusqu'à 1750 , en atmosphère d'hydrogène humide. Dans d'autres cas on pourra effectuer le frittage à température plus basse en atmosphère d'hydrogène et d'anhydride carbonique. Les mesures effectuées sur les pastilles frittées ont révélé une densification conduisant à une très faible dispersion sur les densités, ne dépassant pas 0,1 g/cm3. L'écart diamétral entre les deux extrémités ne dépassait pas 1 um en moyenne. L'effet de diabolo résiduel était en moyenne de 10 um. Des essais comparatifs ont été effectués sur des pastilles frittées conformes à l'invention et sur des pastilles du type utilisé à l'heure actuelle de façon habituelle dans les crayons de combustible, ayant un rapport H/D de 1,6 et des cuvettes ou évidements de 0,36 mm de profondeur sur les faces terminales. Les essais ont porté sur des pastilles ayant déjà subi deux cycles d'irradiation et dans des conditions représentatives d'une rampe de puissance appelée sur le réacteur. Les contraintes C relevées sur les gaines ont été les suivantes : H/D 0,5 0,5 1,6 Profondeur (mm) 0, 32 0, 10 0, 36 C (MPa) 410 403 464 On constate le gain considérable apporté par des pastilles courtes obtenues en mettant en oeuvre l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pastilles à base d'oxyde d'uranium à vert, suivant lequel on comprime une poudre à base de dioxyde d'uranium, comportant éventuellement une fraction de dioxyde de plutonium et une faible teneur de U308, dans une matrice dont la zone de compression possède au moins une fraction évasée, entre deux poinçons ayant des surfaces d'appui différentes et exerçant des pressions différentes, la pression exercée par le poinçon ayant la plus faible surface d'appui étant plus élevée, les conditions de pressage étant prévues pour que la pastille à vert ait un rapport H/D, entre la hauteur et le diamètre, ne dépassant pas 0,6. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le rapport H/D étant compris entre 0,4 et 0,5, le rapport entre les pressions exercées par les deux poinçons est compris entre 1,2 et 1, 8. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour un rapport H/D moyen des pastilles à vert d'environ 0,5, on utilise un rapport des pressions exercées par les poinçons (24) et (22) de 1,4 0, 1. 4. Procédé selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé en ce que la conicité de la zone de compression dans la matrice est de 40'd'angle environ. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les poinçons sont prévus pour donner aux faces terminales des évidements de profondeur comprise entre 0,1 et 0,2 mm. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la poudre ou les granulés contiennent également de 0,1 à 1 % en poids de chrome, à l'état métallique ou d'oxyde. 7. Procédé de fabrication de pastilles frittées, caractérisé en ce qu'on soumet des pastilles en vert obtenues par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 à un frittage en vrac. 8. Pastille frittée de combustible nucléaire comprenant de l'oxyde d'uranium enrichi présentant un rapport H/D entre la hauteur et le diamètre compris entre 0,4 et 0,6 et ayant des évidements sur les faces terminales de profondeur comprise entre 0,1 et 0,2 mm, avec un écart entre les diamètres maximum et minimum de 0, 02 % i 0, 05%.