Brevet FR2866978A1 — publié le 20050902

La présente invention a trait à un combustible nucléaire. Plus précisément, elle a trait à un procédé de préparation d'un combustible nucléaire et à un élément combustible nucléaire. Selon un premier aspect, la présente invention fournit un procédé de préparation d'un élément combustible nucléaire, procédé qui comprend les étapes consistant à : charger des particules de combustible et/ou une matière de matrice, dans laquelle les particules de combustible doivent être dispersées, dans au moins une cavité définie dans un corps; et réduire le volume de particules de combustible et/ou de matière de matrice chargé dans la cavité en soumettant au moins un élément parmi les particules de combustible, la matière de matrice et le corps à des vibrations ultrasonores. Les vibrations ultrasonores peuvent être obtenues au moyen d'ondes ultrasonores. L'étape consistant à réduire le volume de particules de combustible et/ou de matière de matrice chargé dans la cavité peut comporter l'étape consistant - 2 à soumettre au moins un élément parmi les particules de combustible, la matière de matrice et le corps à des vibrations obtenues au moyen de forces mécaniques. Les particules de combustible et/ou la matière de matrice peuvent être chargées dans la au moins une cavité définie dans le corps par écoulement pulsatoire. Le terme "écoulement pulsatoire" est désigné des paquets réguliers d'écoulement de particules et/ou de matière de matrice. Lorsque la au moins une cavité s'étend à travers le corps et présente des extrémités qui s'ouvrent à l'extérieur du corps, le présent procédé peut comprendre l'étape préliminaire consistant à fermer, au moins partiellement, une extrémité ouverte de la au moins une cavité pour empêcher que les particules de combustible et/ou la matière de matrice ne s'écoulent hors de la au moins une cavité. L'étape consistant à fermer, au moins partiellement, l'extrémité ouverte de la au moins une cavité peut comporter l'étape consistant à placer une matière fibreuse sur l'extrémité ouverte. L'ouverture de maille de la matière fibreuse sera généralement telle que les particules de combustible et/ou la matière de matrice ne pourront pas passer à travers la matière fibreuse. Selon un autre aspect, la présente invention fournit un procédé de préparation d'un élément combustible nucléaire, procédé qui consiste à charger simultanément des particules de combustible et une matière de matrice dans au moins une cavité définie dans un corps, dans au moins deux directions. - 3 2866978 Le corps peut être le corps d'un élément combustible. A l'inverse, le corps peut être le corps d'un moule pour pastilles de combustible à introduire dans un élément combustible. Les particules de combustible et la matière de matrice peuvent être chargées de façon indépendante dans la au moins une cavité. De préférence, les particules de combustible et la matière de matrice sont chargées dans la au moins une cavité dans des directions opposées. Les particules de combustible et la matière de matrice peuvent être chargées dans la au moins une cavité à différentes vitesses d'écoulement. Plus précisément, la vitesse d'écoulement des particules de combustible peut être supérieure à la vitesse d'écoulement de la matière de matrice. Les particules de combustible et/ou la matière de matrice peuvent être chargées dans la au moins une cavité par écoulement continu. A l'inverse, les particules de combustible et/ou la matière de matrice peuvent être chargées dans la au moins une cavité par écoulement pulsatoire. Le présent procédé peut comprendre l'étape consistant à réduire le volume de particules de combustible et/ou de matière de matrice chargé dans la au moins une cavité. Plus précisément, le volume de particules de combustible et/ou de matière de matrice chargé dans la au moins une cavité peut être réduit en soumettant au moins un élément parmi les particules de combustible et le corps à des vibrations. Les vibrations peuvent être obtenues au moyen d'ondes ultrasonores. A l'inverse ou de surcroît, les vibrations peuvent être obtenues au moyen de forces mécaniques. Selon encore un autre aspect, la présente invention fournit un élément combustible nucléaire préparé selon un procédé tel que celui décrit cidessus. Chacune des particules de combustible peut être constituée d'un noyau de matière fissile entouré d'un enrobage rétenteur de produits de fission. La matière de matrice peut être constituée d'un mélange de résine phénolique et de poudre de graphite. On décrit à présent l'invention, à titre d'exemple, en se référant à l'exemple suivant ainsi qu'au dessin schématique annexé qui est une vue en perspective en coupe partielle d'un élément combustible nucléaire selon la présente invention. Exemple 1 On charge des particules de combustible comprenant un noyau de dioxyde d'uranium entouré d'un enrobage rétenteur de produits de fission comprenant, par exemple, des couches de carbone pyrolytique et de carbure de silicium, dans une pluralité de passages tubulaires, formant des cavités, définis dans un corps en forme de bloc. Chaque passage/cavité s'étend à travers le corps et s'ouvre à l'extérieur de ses extrémités. On charge une matière de matrice constituée d'un mélange de résine phénolique et de graphite dans les passages tubulaires en même temps que les particules de combustible. Dans une forme de réalisation, le corps en forme de bloc, dont les cavités sont remplies de particules de combustible dispersées dans une matière de matrice, forme un élément combustible nucléaire destiné à faire partie du coeur d'un réacteur nucléaire. Dans une autre forme de réalisation, le corps forme un moule pour pastilles de combustible cylindriques à introduire dans un élément combustible. On soumet les particules de combustible et le corps à des vibrations obtenues par ondes ultrasonores pendant le chargement des particules de combustible et de la matière de matrice, de façon à obtenir le meilleur tassement possible des particules de combustible dans la matière de matrice et à réduire le volume de particules de combustible/matière de matrice chargé dans les cavités du corps. On charge les particules de combustible enrobées et la matière de matrice par écoulement pulsatoire, des paquets réguliers de particules de combustible et de matière de matrice alternant avec des périodes d'absence de chargement de particules de combustible et de matière de matrice. Dans une forme de réalisation, on soumet les particules de combustible et la matière de matrice à des vibrations obtenues au moyen de forces mécaniques, pendant leur chargement dans les passages tubulaires. Il faut comprendre qu'au lieu de soumettre les particules de combustible ainsi que le corps à des vibrations, on peut ne soumettre à des vibrations qu'un seul élément parmi les particules de combustible et le corps de l'élément combustible nucléaire. - 6 Dans une forme de réalisation de la présente invention, on charge respectivement les particules de combustible et la matière de matrice dans les passages tubulaires, dans des directions opposées, par les extrémités opposées des passages, les particules enrobées étant chargées dans les cavités à une vitesse d'écoulement supérieure à celle de la matière de matrice. Dans une autre forme de réalisation de la présente invention dans laquelle on charge les particules de combustible et la matière de matrice dans les passages tubulaires par une seule extrémité du passage, on ferme partiellement une extrémité opposée de chaque passage à l'aide d'un filet de matière fibreuse dont l'ouverture de maille est suffisamment petite pour bloquer l'écoulement de particules de combustible et de matière de matrice à travers celui-ci. Sur la figure 1, le numéro de référence 10 désigne généralement un élément combustible nucléaire selon la présente invention. L'élément combustible nucléaire 10 comprend un corps de graphite en forme de bloc 12 comprenant une pluralité de passages tubulaires essentiellement parallèles et espacés 14 qui s'étendent à travers celui-ci et qui s'ouvrent à l'extérieur des extrémités opposées du corps 12. Chaque passage est rempli d'une pluralité de particules de combustible supportées par une matière de matrice, généralement désignée par le numéro de référence 14, les particules de combustible et la matière de matrice ayant été chargées dans les passages 14 selon le procédé de l'exemple 1. - 7 Discussion Il faut communiquer suffisamment d'énergie cinétique aux particules de combustible et à la matière de matrice 16 au moyen de l'écoulement pulsatoire et/ou de l'écoulement bidirectionnel et au moyen de leur tassement par vibrations pour créer des mouvement chaotiques pendant une période appropriée pour obtenir un tassement à la densité de remplissage nécessaire et à faible énergie potentielle. Le procédé de préparation de l'élément combustible nucléaire 10 de la présente invention permet d'obtenir un meilleur tassement et une plus grande densité de remplissage de la matière de remplissage, constituée de particules de combustible dans une matière de matrice, pour les cavités d'un élément combustible nucléaire. Il faut comprendre que le procédé de préparation de l'élément combustible 10 peut être mis en uvre pour la préparation d'éléments combustibles nucléaires comprenant un seul passage/cavité ou plusieurs passages. REVENDICATIONS l Procédé de préparation d'un élément combustible nucléaire caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes 5 consistant à : charger des particules de combustible et/ou une matière de matrice, dans laquelle les particules de combustible doivent être dispersées, dans au moins une cavité définie dans un corps; et - réduire le volume de particules de combustible et/ou de matière de matrice chargé dans la cavité en soumettant au moins un élément parmi les particules de combustible, la matière de matrice et le corps à des vibrations ultrasonores. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les vibrations ultrasonores sont obtenues au moyen d'ondes ultrasonores. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la réduction du volume de particules de combustible et/ou de matière de matrice chargé dans la cavité comporte l'étape consistant à soumettre au moins un élément parmi les particules de combustible, la matière de matrice et le corps à des vibrations obtenues au moyen de forces mécaniques. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 incluses, caractérisé en ce que les particules de combustible et/ou la matière de matrice sont chargées dans la au moins une cavité définie dans le corps par écoulement pulsatoire. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 incluses, caractérisé en ce que le procédé comprend, lorsque la au moins une cavité s'étend à travers le corps et comprend des extrémités qui s'ouvrent à l'extérieur du corps, l'étape préliminaire comprenant la fermeture, au moins partiellement, d'une extrémité ouverte de la au moins une cavité pour empêcher que les particules de combustible et/ou la matière de matrice ne s'écoulent hors de la au moins une cavité. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fermeture, au moins partiellement, de l'extrémité ouverte de la au moins une cavité comprend le positionnement d'une matière fibreuse sur ladite extrémité ouverte. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière fibreuse présente une ouverture de maille telle que les particules de combustible et/ou la matière de matrice ne peuvent pas passer à travers la matière fibreuse. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 incluses, caractérisé en ce que le procédé comporte l'étape consistant à charger simultanément des particules de combustible et une matière de matrice dans la au moins une cavité définie dans le corps, dans au moins deux directions. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules de combustible et la matière de matrice sont 25 chargées dans la au moins une cavité de façon indépendante. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que les particules de combustible et la matière de matrice sont chargées dans la'au moins une cavité dans des directions opposées. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 incluses, caractérisé en ce que les particules de combustible et la matière de matrice sont chargées dans la au moins une cavité à différentes vitesses d'écoulement. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que 5 la vitesse d'écoulement des particules de combustible est supérieure à la vitesse d'écoulement de la matière de matrice. 13. Élément combustible nucléaire caractérisé en ce qu'il est préparé selon le procédé' revendiqué dans l'une quelconque des 10 revendications 1 à 12 incluses. 14. Elément combustible nucléaire selon la revendication 13, caractérisé en ce que les particules de combustible comprennent chacune un noyau de matière fissile entouré d'un enrobage rétenteur de produits de fission. 15. Elément combustible nucléaire selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que la matière de matrice comprend un mélange de résine phénolique et de poudre de graphite.