Brevet FR3010573A1 — publié le 20150313

ÉLÉMENT DE PROTECTION AMORTISSEUR POUR UN EMBALLAGE DE TRANSPORT ET/OU ENTREPOSAGE DE MATIÈRES RADIOACTIVES DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un élément de protection amortisseur à garniture en bloc solide pour un emballage de transport et/ou entreposage de matières radioactives. Lors de la conception de tels emballages, il est nécessaire de prendre en compte des impératifs techniques dictés par les exigences réglementaires de sûreté pour le transport de matières radioactives. Parmi les tests à subir pour démontrer le respect de ces exigences réglementaires, on note différentes épreuves telles que celles dites « de chute libre », dont notamment la chute de 9 mètres sur cible indéformable. Afin d'échapper aux conséquences de telles chutes, ces emballages sont souvent munis d'éléments de protection amortisseurs à leurs faces extérieures. Dans l'emballage représenté à la Figure 1, dont la partie principale est un corps 1 cylindrique creux muni d'ailettes de refroidissement, et qui comprend encore un couvercle 2 d'obturation du corps 1, on trouve encore deux éléments de protection amortisseurs 5 et 6 aux extrémités axiales de l'emballage, qui couvrent le couvercle 2 et la face de fond du corps 1, et chacun d'eux comprend une garniture 7, logée dans une enveloppe 8 qu'on assemble au corps 1 par des boulons ou d'autres moyens de fixation. L'enveloppe 8 doit céder en cas de choc et a donc une contribution négligeable à l'absorption d'énergie, mais sert à maintenir la garniture 7 en place sur l'emballage tout en la protégeant des petits chocs extérieurs. La garniture 7 est généralement en bois dans les conceptions classiques, et absorbe l'énergie des chocs en s'écrasant. Néanmoins, le bois, habituellement du type balsa, chêne, ou encore cèdre rouge, présente l'inconvénient d'être un matériau orthotrope, en ayant de plus des propriétés mécaniques instables à la fois en température et en humidité. En outre, la mise en forme est complexe en raison de l'orientation des fibres. Les matériaux connus pour composer la garniture 7 pourraient avantageusement être remplacés par des mousses rigides et fragiles, comme des mousses de carbone. En effet, des tests réalisés ont effectivement permis de démontrer que la mousse de carbone était un matériau amortisseur extrêmement performant, dont les caractéristiques intrinsèques convenaient parfaitement à l'utilisation au sein d'un élément de protection amortisseur pour emballage de transport de matières radioactives. Ainsi, la mousse de carbone est capable de présenter une contrainte d'écrasement élevée, pouvant aller jusqu'à 20 MPa ou plus, de même qu'elle est capable de présenter un taux d'écrasement maximum admissible de l'ordre de 60%. Surtout, il s'agit d'un matériau de nature isotrope permettant d'optimiser l'amortissement dans les différentes directions de sollicitation, susceptibles d'être rencontrées lors des chutes axiale, oblique, ou encore latérale. Néanmoins, une difficulté est apparue aux Inventeurs, difficulté que l'on ne retrouve d'ailleurs pas avec le bois. Une courbe d'écrasement typique d'une telle garniture 7 est représentée à la Figure 2 et porte la référence 9. Elle exprime la contrainte à exercer (en mégapascals, en ordonnées) pour soumettre la garniture 7 à une déformation croissante (en valeurs relatives, en abscisses). Cette courbe est en général croissante de façon assez régulière, et répétitive d'après les éprouvettes. Il arrive toutefois qu'une autre forme de courbe, indiquée par la référence 10, soit rencontrée : elle comporte un plateau 11 à un niveau de contrainte élevé dès le début de la compression, et ce plateau 11 peut subsister jusqu'à une déformation élevée, après quoi la déformation se poursuit à une contrainte subitement moins élevée, et pouvant d'ailleurs être moins élevée que dans la courbe 9 ordinaire à déformation identique, mais qui est ensuite croissante (portion 12). Le comportement représenté par la courbe 10 est défavorable. Il traduit certes une absorption de l'énergie de compression plus importante par la garniture 7, du moins tant que le plateau 11 subsiste, mais cela n'est pourtant pas souhaité, puisque la largeur du plateau 11 est imprévisible et que les critères de dimensionnement des garnitures seraient alors incertains. De plus, la rigidité initiale dont fait alors preuve la mousse peut impliquer, malgré l'augmentation de l'absorption d'énergie, une altération de sa faculté à amortir. Après avoir constaté ce phénomène, les Inventeurs sont arrivés aux constatations que voici : le plateau 11 est la conséquence d'un pic 13 initial, qui exprime la contrainte souvent élevée qui est nécessaire pour infliger les premiers dommages à la garniture 7 ; ce pic 13 se rencontre souvent, et aussi chez les éprouvettes ayant le comportement habituel, représenté par la courbe 9 ; mais il est alors de largeur très réduite, son effet est très faible, et la contrainte nécessaire pour poursuivre la déformation diminue tout de suite, avant de croître, alors que la valeur de contrainte atteinte au pic 13 se prolonge, pour donner le plateau 11, dans le cas de la courbe 10. Les Inventeurs se sont aperçus que les garnitures 7 à la courbe 9 étaient sujettes à des fissurations précoces de la mousse à travers toute leur profondeur, qui les fragmentaient en morceaux de plus en plus petits et pour finir en poudre, écrasant la mousse de façon homogène, ce qui explique la croissance à peu près régulière de la déformation sous une contrainte croissant modérément ; alors que le plateau 10 implique que les dommages restent superficiels et limités aux endroits où les pressions s'appliquent et correspond à un état métastable de déformations, avant que la garniture 7 ne retrouve le comportement habituel de fissuration en profondeur, à la portion 12. L'objet de l'invention est d'éliminer les comportements de compression aux dommages purement superficiels de telles garnitures 7 en mousses rigides et fragiles, et de faire que le comportement représenté par la courbe 9, répétitive pour toutes les garnitures 7, soit au contraire garanti. Diverses dispositions peuvent être prises. L'une d'entre elles consiste à pourvoir la garniture d'irrégularités de formes diverses, comme des protubérances disposées sur les surfaces de la garniture. Elles peuvent également être de forme creuse, et notamment de trous ou d'entailles propices à l'amorçage des fissurations en profondeur, les entailles pouvant prendre la forme de rainures. Les irrégularités doivent avoir des dimensions non négligeables par rapport aux tailles de pores de la mousse, ainsi qu'on le détaillera plus tard, mais elles peuvent être opérées à tout endroit de la garniture, c'est-à-dire sur les faces comprimées, sur les faces latérales, voire à l'intérieur de la garniture, ce dernier cas étant limité aux irrégularités de forme creuse. Il est encore remarquable de relever que l'effet favorable des irrégularités de forme creuse subsiste même si elles sont rebouchées par des bouchons de la même mousse, quand on veut rétablir le volume de la garniture et sa faculté d'absorption d'énergie, puisque la discontinuité de structure subsiste. Une autre façon de procéder consiste à combler les pores débouchants de la mousse par une enduction ou une incrustation superficielle d'une matière apte à durcir cette surface sur une épaisseur donnée. En effet, les dommages superficiels ne peuvent plus apparaître facilement, de sorte que la fissuration de la mousse se développe tout de suite en profondeur. Dans une autre façon de procéder encore, on laisse subsister un jeu non négligeable entre la face périphérique de la garniture et l'enveloppe, afin de tolérer sa dilatation périphérique quand la compression commence, et donc de permettre des décohésions internes de la matière, qui amorcent la fissuration en profondeur. Les matériaux auxquels l'invention peut s'appliquer sont donc les mousses à structure poreuse, les porosités pouvant être fermées ou ouvertes, et construites en matière rigide et fragile, c'est-à-dire aptes à se rompre presque sans déformation plastique, et parmi lesquelles on peut citer les mousses de carbone, sans que d'autres mousses, comme les mousses céramiques ou les mousses vitreuses soient exclues. Leur porosité peut être de 50% au moins, de manière qu'elles possèdent une hauteur d'écrasement suffisante. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux Figures, qui illustrent ses différents aspects et donnent certains modes de réalisation non exclusifs d'autres : - la Figure 1 est une vue générale d'un emballage de transport et/ou entreposage de matières radioactives, sur lequel l'invention peut trouver place ; - la Figure 2 exprime le phénomène mis en jeu ; et - les Figures suivantes 3, 4, 5, 6, 7 et 8 illustrent divers modes de réalisation de l'invention. Les Figures 1 et 2 ayant déjà été décrites, on se reporte à la Figure 3. Elle représente une garniture 15 d'élément de protection amortisseur, se présentant sous l'aspect d'un bloc massif et cylindrique, susceptible d'être comprimé par des forces orthogonales à la surface 17 destinée à subir l'impact. Ces forces sont indiquées par des flèches sur la figure 3. Il est conforme à l'invention que la forme régulière du cylindre soit brisée par un trou 16, qui, dans ce mode de réalisation, est percé dans la face 17. Cette irrégularité de forme creuse interdit au plateau 11 de se produire et garantit la réaction de la garniture 15 aux chocs d'après la courbe 9 de la Figure 2. Le trou 16 peut être de forme quelconque et il n'est pas nécessaire qu'il traverse la garniture 15 de part et d'autre. Il est préconisé que ses dimensions soient au moins cinq fois environ la taille des pores sphériques parmi les plus gros de la mousse, quoiqu'il soit difficile de trouver une limite nette et que des trous moins volumineux donnent peut être de bons résultats aussi. Il est à noter que la position du trou sur la face d'impact 17 n'est pas nécessaire : la Figure 4 illustre un autre mode de réalisation, où le trou 18, est établi sur la face périphérique 19 du cylindre : l'effet est le même. Le trou 18 est représenté traversant, mais ici non plus cette caractéristique n'est pas nécessaire. Il est à noter que les trous 16 ou 18 peuvent être rebouchés après avoir été usinés, au moyen du bouchon 21 de la Figure 3, qu'on met en place après l'usinage du trou 16. On rétablit ainsi le volume initial de la garniture 15 et son efficacité d'absorption aux chocs, mais sans le risque d'observer la courbe 10 au plateau 11. Dans tous ces modes de réalisation, on crée donc une discontinuité importante de structure de la garniture 15, dont l'effet est de créer des concentrations de contrainte qui favorisent l'amorçage de fissures. Il convient donc que ces défauts volontaires soient créés à une profondeur suffisante pour imposer des dommages au-delà des faces subissant la pression de choc et la contre-pression de réaction, et dans des zones soumises à la compression. Les trous tels que 16 établis sur une de ces faces doivent donc avoir une profondeur suffisante pour satisfaire au premier critère et une section suffisante pour créer une discontinuité assez importante pour produire la concentration de contrainte nécessaire, d'où les critères de dimensionnement précédents. Les trous 18 établis sur la face périphérique 19 doivent aussi avoir une section et une profondeur suffisantes pour créer les concentrations de contrainte ; ils pourront en pratique être plus longs que les trous 16 (d'où la proposition des trous 18 traversants, sans qu'elle soit indispensable) afin d'éviter d'être démuni contre les situations de chocs localisés sur une portion périphérique de la garniture 15 éloignée du trou 18, puisque les alentours de celui-ci seraient alors peu contraints. La Figure 5 illustre un mode de réalisation un peu différent, qui montre que les trous 16 ou 18 peuvent être remplacés par une ou plusieurs rainures 20, ici striant la face d'impact 17, sans que cette condition soit non plus nécessaire, puisque des rainures sur la face périphérique 19 auraient encore le même effet. Les critères de dimensionnement sont analogues : les rainures 10 doivent avoir une section suffisante pour permettre la création de concentrations de contrainte importantes et pénétrer sous la couche superficielle de la face d'impact 17 ou de la face opposée. Ses dimensions peuvent être encore d'au moins cinq fois les diamètres des gros pores de la mousse, de préférence 10 fois. Leur extension en longueur leur permet de s'étendre avec plus de certitude aux endroits soumis à des chocs même localisés. Un autre mode de réalisation est décrit aux Figures 6 et 7. La garniture porte la référence 115, et elle est construite à partir de blocs 22 plus petits, assemblés d'une couche à l'autre, par des éléments de liaison qui peuvent prendre la forme de pions 23 pouvant être d'une mousse de même composition ou d'une autre matière, qui s'étendent d'une couche à l'autre des blocs 22. Les blocs 22 étant disposés en quinconce d'une couche à l'autre, un agencement unitaire est obtenu. Des trous 24, analogues aux trous 16, sont établis sur la surface extérieure de la garniture 115, du côté de la face d'impact 17, comme pour la réalisation de la Figure 3. Les trous 24 forment ici un réseau et sont régulièrement répartis, un étant présent sur chacun des blocs 22 de la couche supérieure. Les trous de réception des pions 23 permettent d'amorcer les dommages en profondeur de la mousse dans chacun des blocs 22. Plus généralement, le même effet d'apparition de concentrations de contrainte et de fissuration en profondeur pourrait apparaître avec des inclusions de forme et de matière quelconque au sein de la mousse à condition qu'une véritable discontinuité de structure et de dimensions suffisantes (toujours au moins cinq fois le diamètre de gros pores de la mousse, mais de préférence au moins dix fois) soit présente. Une autre disposition contribue aussi à supprimer la possibilité pour le plateau 11 d'apparaître, au point qu'on peut l'utiliser seule, sans la présence des trous 16, 18 ou 24, sur une garniture parfaitement cylindrique. L'enveloppe 25 de protection de la garniture 115 fait avec elle un jeu périphérique 26, au lieu de la sertir rigidement, comme il est habituel. De préférence, l'enveloppe est métallique mais elle peut également être réalisée en matériau composite, notamment à base de fibres de carbone. Quand un impact a lieu, la matière de la garniture 115 a la faculté de se déformer par une expansion radiale, qui permet l'apparition de fissures dans sa profondeur par décohésion de la matière. Un jeu de 0,1 à 5% de la largeur de la garniture 115 est possible pour obtenir l'effet souhaité. La garniture 115 peut être retenue au centre du capot 25 par des cercles d'espaceurs, par exemple. Un autre mode de réalisation encore est décrit à la Figure 8, qui représente un détail d'une garniture 15 ou 115 telle que représentée antérieurement mais dont la forme peut être parfaitement régulière ou non. La mousse est composée d'une structure cellulaire comprenant des pores 27, essentiellement sphériques, de gros diamètre et pouvant être ouverts ou fermés. Le mode de réalisation dont il est question ici revient à combler les gros pores 27 situés à la surface par une enduction, une incrustation ou plus généralement un revêtement 28 durcissant. On considère donc les pores 27 débouchant à l'extérieur de la garniture 15 ou 115, et à la face d'impact 17 ou la force de contre-pression. L'utilisation de vernis ou de graphite a été mise en oeuvre avec succès. Ce revêtement possède aussi les propriétés lubrifiantes, qui peuvent le rendre utile dans certaines applications, où la garniture 15 ou 115 est sujette à des frottements. La couche superficielle de la garniture 15 ou 115 étant renforcée par le revêtement 28 durci, les premiers dommages ont lieu plus à l'intérieur, entre les pores 27 laissés vides. Les gros pores 27 décrits à propos de cette figure 8 sont des pores ouverts ou fermés essentiellement sphériques, dont le diamètre peut être de 1 mm ; ce sont ces gros pores 27 qui régissent les critères de dimensionnement des irrégularités externes ou internes vues plus haut à propos des figures 3 à 7. La mousse comprend encore souvent des réseaux de pores plus fins, de 10 um à 100 um de diamètre, qui forment un réseau continu, mais qui n'ont pas été représentés ici et ne jouent pas de rôle direct dans l'invention. D'une façon générale, les caractéristiques des modes de réalisation décrits ici peuvent être cumulées sur une même garniture.5 REVENDICATIONS1) Élément de protection amortisseur pour emballage de transport et/ou entreposage de matières radioactives, le dit élément définissant un espace dans lequel est logé une garniture (15, 115) en bloc solide, caractérisé en ce que la garniture est une mousse rigide et fragile et en ce que l'élément de protection amortisseur comprend un dispositif d'évitement d'un mode de compression préliminaire de la mousse à dommages localisés sur une face d'impact. 2) Élément selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit espace est défini par une enveloppe (25) fermée permettant de lier la garniture à l'emballage. 3) Élément de protection amortisseur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif comprend une irrégularité. 4) Élément de protection amortisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'irrégularité (27) a des dimensions toutes supérieures à au moins cinq fois une dimension diamétrale de pores, appartenant à un groupe de pores les plus gros isolés entre eux, de la mousse. 5) Élément de protection amortisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'irrégularité est de forme creuse, creusée dans la garniture. 6) Élément de protection amortisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'irrégularité de forme creuse comprend au moins une entaille. 7) Élément de protection amortisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'irrégularité de forme creuse comprend au moins un trou. 8) Élément de protection amortisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la garniture est composée d'éléments juxtaposés et assemblés entre eux par des éléments de liaison, et l'irrégularité de forme creuse comprend des trous de réception des éléments de liaison (23). 9) Élément de protection amortisseur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif comprend un comblement de pores (27) débouchant par un revêtement (28) durcissant. 10) Élément de protection amortisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif comprend un jeu périphérique (26) entre la garniture (115) et l'enveloppe (25) de 0,1 à 5% de la largeur de la garniture 115. 11) Emballage de transport et/ou entreposage de matières radioactives, caractérisé en ce que sa surface est munie d'au moins un élément de protection amortisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes qui lui est lié.