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"P!'oo6d6 de fabrication de bioxyde el'l1ran1ua"
La présente invention concerne la production de bioxyde d'uranium. En particulier, la présente invention s'applique à un procédé de production de
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bioxyde d t uranium atoechiom6triqtte d'une densité et d'une pureté très élevées.
Le bioxyde d'uranium a une densité théorique de 10,97. II importe que le bioxyde d'uranium. dans les cartouches combustibles de réacteurs soit aussi voisin que possible de la densité théorique et de la com-
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position stoeohio#6trique, à cause des problèmes d'encombrement et de conductivité de la chaleur. Le carburant à densité supérieure occupe moine de place
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que le matériau à densité plus basse, Cool est an facteur important dans la conception 4' un réacteur.
Lorsque le bioxyde d'uranium approche de la forme
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ato80h1om6trique. sa oonduotlYlt4 augmente. Ceci est d'importanoe oar il est possible à la chaleur de fission dans la cartouche combustible de passer plus rapidement au fluide environnant, augmentant
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par là même l'ettioaoitâ et évitant une accumula- tion excessive de ohaleur dans la cartouche oombus- r2 tible.
Les Cartouches OOl.11buat1bl.. pour re<Mtecra sont souvent produit.. par frittage de bioxyde d'uranium do qualité céramique préalablement touprlm6 à la tome désirée. Ce procède a une large proportion de rebute ea raison de le déformation des cartouches combustible et l'impossibilité de réaliser des produits frittes de densité constante.
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En raison de* difficultés rencontr6es dans le frittage, X* emboutissage # été employé dans la produc- tion de cartouches combustibles de réacteur, Dans oe procédé, le bioxyde d'uraniom est placé dans an tuyau et soumis à dea pressions très ilerdes par réduction de la taille du tuyau. La densité du bioxyde d'araniom après emboutissage dépend, dans une large mesure, de la densité des particules avant emboutissages de telle sorte qu'il faut utiliser des matériaux à densité élevée. Ceci .et contraire au procédé de frittage, dans lequel la densité est fonction des conditions
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de frittage et est souvent élevée QU-4'8'1l4 de celle d'un matériau non fritte de qualité o6raa1qa..
Il existe donc aussi un besoin de bioxyde d'uranium de
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densité de particules '1.W'-8.
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La prêtent iayenticn ,ottn. m ot4At ,a., ;Y:, 4e promotion d. b10X1d* CI. 'uu.1.ua .. >...1'" ,...1b1...
.toeo1ú#'1iriquo. O. proo"" o#,port. l, oh&\U1.....tg oexavoa' d uxa3um 4Oi1poa.bl. 1h.1'81q¯Q.' #& 1. d'uranium 3ulqu'à tu'1on. le Maintient en-.1tt lu ))?- térlau 4 un telle température pendant an temp. 'rMlÛt et le refroidissement rapide du b1e d' w:'UJ.- "1 résultant dans une atmosphère e88.Dt1èl1..eat,1\.:' oxydante pour le bioxyde chaud d'uranium. foatu. te bioxyde d'uranium tondu. une fois refroidi peut ttrot broyé, lave et a'oh6..
La fusion du matériau d'urwua est de prête" rence réalisée par un aro éleatriqae constitué par une
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électrode de graphite et le mélange à faire fondra
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L'invention va être maintenant décrite en liai- Ion avec le dessin annexe, dont la figure unique repre- \*'
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sente un four électrique à arc utilisé dans la prêtent* invention.
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Le tour a âne enveloppe d'aaier (10) contenant du matériau refraotaire isolant (11), tel que 4e 1% .,'# magnéaite. Due plaqua 4 graphite (1&) *. âMtM (.
ZS4 xm, et hauteur 76#t na - est Uspuis or une jazz Che 44 mandait$ dana le fond Aa 'aa. 't oyliadre de graphite -diamètre 156 . et ôpaiseear ±5,4 a * *et disposé au centre, le ton4 reposant au la plaque de art- phito (12Ï. une eareloppe de 81*tel't*b te beram 146*,, rement inclinée (14) -&iaxétre tlàpdrJ 12'r 108 m<, 43410 xè.tre inférieur 3.f1, am., épaiaaeur 4 16 4a#o 3944 ax est disposée dans l'enveloppe eylladrique (13) de . , >' r - telle sorte que et base repose également sur la plaque de graphite. La aurfaoe supérieure de la magneaite est
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couverte de briques réfractaires (15) et on utilise du ciment tz6j àiiaute température à l'81caU. pour maintenir le cylindre (13) et les briquet r6traot&1ft8 (15) en place.
Le four est muni d'un capot (la) pour permettre
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l'évacuation des produit gaseux de réaction et an réc upérer l'uranium. Le capot comporte une chemise *route cylindrique (17) à travers laquelle l'eau entre
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(18) et sort (19). Le conduit (20) est relié à une oanal1- sation sous vide qui mène à un filtre...ce dernier eat destiné à l'élimination des famées dégagée* par le pro- cédé, sans perte d'uranium.
Le tube d'arrivée (21) sert à alimenter le tour en composé d'uranium. La barre de
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graphite (22j est une électrode, de préférence la ortho- de, et la barre de graphite (23) est l'autre dlootro-e de, en général l'anode.
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pour mettre en oeuvre la présente invention on utilise un four à arc tel que décrit, une couche du composé d'uranium est placée tout d'abord au fond du four. Le composé d'uranium qui. est amen* à la zone à haute température peut être un composé quel* conque d'uranium qui ait suffisamment d'oxygène pour
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former un bioxyde .toéChiQm6trique d'uranium. Comme exemples de tels mélanges utilisables, on peut mention- ner les bioxe8 de qualité céramique, 'OO <* 110.6 - wa m 0 et le biuranate d'ammonium.
A titre de variante, n'im- porte quel composé d'uranium peut être utilisé si on fournit de l'oxygène pour Remettre la formation
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4e"O"O S et la décomposition du composé aux températures utilisées. Le matériau à fondre est conduit par gravité
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par des tubes d'arrivée (81). et il tombe par le capot retroidi ::.. l'eau (16) dans la zone de l'arc électrique.
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L'arc jaillit d'abord entre l'électrode en graphite (82), et la paroi interne (14) du four de graphite, En chauffant, la couche de départ du matériau de char* ge devient conductrice et l'électrode peut être écar- tée de la paroi, puisque 1'1 arc est maintenu entre les électrodes et le matériau de charge, A ce point, le ma- tériau de charge est conduit dans le tour.. un taux tel qu'il fond peu de temps après avoir atteint l'arc,
L'extrémité de l'électrode cet maintenue/aussi près que possible de la masse du matériau de charge de manière à maintenir un ara stable et utiliser autant de chaleur que possible, Dans certains cas, selon le matériau, il est préférable d'insérer le bout de l'électrode dans la partie supérieurs du matériau accumulé, Le contrôle de l'arc se fait habituellement au non et par examen au travers de verres fumés,
L'élec- trode est déplacée par l'opérateur de manière à fondre tout matériau de charge qui n'aurait pas fonda au préa* lable en tombant dans l'arc. une lecture d'ampèremètre peut être utilisée écorne aide dans le contrôle de la qualité de l'arc; toutefois, 1* observation visuelle très et l'écoute sont aussi importants. C'est l'expérience du four particulier et du matériau de charge habituelle- ment utilisé qui détermine l'amp6rage optimum pour une coulée donnée.
Un amp6rage excessif et une position d'électrode incorrecte sont les conditions qui bccasion- nent le plus souvent une température d'arc variable.
On peut utiliser du courant alternatif ou con- tinu. Il est plus facile de maintenir une température stable en courant continue et on obtient un meilleur contrôle de l'arc quand c'est la cathode qui est l'électrode en graphite. Il est Important que le maté- riau de charge soit amené à une cadence régulière à
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la zone de chauffage, de manière à ne pas abaisser indûment la température de ladite %=et puisqu'une
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fusion sensiblement complète da matériau est eaooa- tielle.
Lors du fonctionnement du tour, la surface de la section transversale de de dernier augmente en
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- raison de lt âcai.llage des paroi. du tour et le 41a- mètre de l'électrode diminue à cause de l'action de l'arc qu'elle subit* Il *test avéré souhaitable d'au . gmenter le diamètre de l'électrode au fur et à mesure
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que la surface de la section tranjM'eroale augmente de manière à maintenir va* température suffisamment haute pour tondre sensiblement tout le ooffipwié d'uratim amené dans l'arc. Si pendant la fusion d'une charge particulière du.
four, on laisse varier la température
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dans une large mesure, sil ne ne forme pas de matériau à densité etoéohio#Ótr1que.
Le procédé décrit fonctionne en tant qitop4- ration de purification, car il atout avéré que la température nécessaire & l'obstention d'un bioxyde d'uranium fondu est suffisante pour volatiliser main- tes impuretés des combustibles.
Bien qu' une quantité prédéterminée de matériau de charge a été fondue, on maintient les= pendant un
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moment pour assurer une fusion complète, La muge chaud- fee est alors transférée, aussi vite que possible pour
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diminuer le refroidissement dans l'air, à un tlu.14. de refroidissement non-oxydant. Il est conseille de retirer la casse chaude de bioxyde d'uranium du four électrique
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aussitôt après la cessation de l'arc et de la rrtra... dir rapidement à l'eau ou à la vapeur. Dans le cas de
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y l'eau, elle doit bouillir pour éliminer le IIlX1IIua dfafflmoniy . d'oxygène.
Une solution diluée d'hydroxyde a'avère
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utile à la place d'eau, puisque l'ammoniaque est dé- composée à la surface de la masse fondue et aide à réduire la formation d'oxydes plus élevée que le bioxyde d'uranium,Tous Ion carbures d'uranium con- tenus dans la masse chaude sont transformés en hydro- carbures volatiles, surtout en acétylène, en oxydeaet hydrates d'uranium.
On peut utiliser en plus de l'eau et de la vapeur une atmosphère inerte contenant de la vapeur d'eau ou un autre constituant qui transfor- mera les carbures d'uranium, Une variante du procédé consiste à placer la masse chaude, aussitôt après en- levèrent de la zone de haute température dans une atmosphère de CO2, ou autre atmosphère inerte pendant le refroidissement rapide de la masse, De cette manière, les carbures d'uranium ne sont pas totalement convertis en hydrocarbures volatils, non plus que les oxydes et les hydrates d'uranium. C'est pourquoi, après broyage et lavage de la masse refroidie, on la traite à la vapeur pour éliminer les carbures d'uranium, Sans traitement à la vapeur,
les produits de conversion qui ne sont pas volatilises demeurent la surface des particules d'UO2. Ces produits ne sont pas aussi denses que l'UO2 fondu produit au four et abais- sent en conséquence la densité générale du produit fini, à moins qu'on ne prenne des dispositions pour les éli- miner de la surface de l'UO fondu. Le tableau suivant montre des données qui renforcent cette théorie t
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Coulée lie 1 Technique de Poids opr3a,tl atll refroidissement de l'UQ 2 broya et lavé .
Neige or..rbonique 10959 a Neige carbonique 10,49 3 vapeur loft97
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<tb> 4 <SEP> vapeur <SEP> 10,95
<tb>
<tb> 5 <SEP> vapeur <SEP> 10,97
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Selon la taille de la masse fondue, une cer- taine quantité de matériau de charge non fondu est retirés du four avec la masse fondue. Ce matériau non fondu est a la surface de la masse fondue et est retourné à la trémie d'alimentation après séparation au moment de l'opération de lavage. Lors du refroidissement à l'eau ou à la. vapeur du matériau provenant du tour, on note une odeur détectable.
On croit que tout carbure d'uranium qui était dans le composé d'uranium comprenant
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la charge, ou qui a été Tonné par la comblna1Don /en d'uranium et de carbone libre @ provenance dos parois
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du four ou de l'électrode en graphite est, à ce moment, converti en hydrocarbures, oxyde inférieurs, ou hydrates d'uranium, Une fols refroidie, la masse se broie facile-' ment sous faible pression en cristaux de bioxydes d'uranium stoéohiométrique, avec les oxydes d'uranium
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et les impuretés de plus faible densité à 1* surface des cristaux.
Les impuretés sont alors lavées au moyen d'un écran vibrant 1mm.erg6 r ua ¯7.' eau, d'un. pl111"6r1".", tion ou d'autres techniques. Tout carbone libre, maté- . riau de charge non fondu, scories et impuretés Mention"! / nées ci-dessus sont retournées à la trémie d'alimenta" tion,
Le produit est alors séché. Il est préférable
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de le sécher entre 6000, et 700, Si on le désire, le mas
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tériau peut être broyé à la granulométrie désirée.
Il faut se garder de chauffer le bioxyde lors Au broyage, de crainte que le matériau ne s'oxyde en 'oxydes d'ura- nium plue élevés. Si c'est impossible, il faut procé- der au broyage en atmosphère Inerte,
On suit le même processus quand la nasse fondu* est refroidie en atmosphère non-oxydante ne comportant pas de réactif ausoeptible de convertir les carbures 4' uranium fournie ou Initialement présent., à cette dit., férence près qu'une opération supplémentaire doit être effectuée pour convertir de tels carbures.
Cette opé- ration consiste à soumettre le matériau à la vapeur, après broyage à la taille de particules souhaitées, jusqu'à ce qu'il n'y ait pas d'odeur détectable à la vapeur d'échappement.
Cette opération de traitement à la vapeur trans- forme les carbures d'uranium en hydrocarbures,oxydes et hydrures d'uranium gazeux ci-dessus mentionnée ; toutefois, ces oxydes et hydrates doivent être alors .'parée par lavage des cristaux d'UO stoéchiométriques.
On voit aisément que le meilleur procédé con- ointe en un refroidissement de la masse chaude venant / et- du tour et une conversion / dessus mentionnée des car-' bures en une seule opération, telle que refroidissement par de 1'eau bouillante ou de la vapeur,
Les exemples suivants sont présentés pour illus- trer des formes précises de réalisation de l'invention:
Exemple 1
Dans un four électrique comprenant on cylindre de graphite isolé de manière à perdre le moins de chaleur possible à l'atmosphère embiante, une barre de graphite. un capot refroidi à l'eau et un tube d'alimentation le traversant, 50 K, de poudre de bioxyde d'uranium
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de qualité céramique, ayant une densité apparente l'en. viron 2 grammes/cm3 ont été soigneusement amenés, à cadence uniforme dans la zone d'un arc électrique proche du fond du four, pendant un laps de temps de quatre heures et 35 minutes.
L'ampérage a été maintenu à environ 440 ampères et le voltage à environ 55 Volta,'
Après introduction d'une quantité du composé de charge s'e d'environ 2,5 kg dans le four, l'alimentation * été arrêtée et l'are maintenu pendant une à deux autres minutes ou jusqu'à ce que l'opérateur se soit assuré que tout le matériau est été sensiblement fondu, Des charges de four d'approximativement 2,5 kg chaque ont été fondues jusqu'à consommation des 50 kg.
Dès l'enlèvement du four, l'oxyde fonda * été rapidement refroidi par de l'eau bouillante, 4 une profondeur approchant la moitié de la hauteur de la masse fondue, La masse. été ensuite doucement tassée et s'est réduite en cristaux de bioxyde d'uraniux. Le matériau a été ensuite tamisé sur tamis vibrant à mailles de 0,84 mm sous l'eau. Tout carbone libre provenant du tour flottait à la surface.
Le matériau fondu de taille inférieure et le matériau non fonda ont été séchés et retournés à la trémie d'alimenta- tion. cette quantité correspond à environ 30,4 % des cinquantes kilos entiers de la charge, dont la plus grande quantité était de l'UO2 non-fondu. Le produit fini était stoéchiométrique et avait une densité de cristal de 10,95 ou 99,82 % de la théorie.
Exemple
Dans le four décrit dans l'exemple 1 on a in- troduit 75 k de bioxyde d'uranium de qualité céramique d'une densité apparente d'environ 2 g/oa3 pendant un laps de temps de 60 minutes. L'ampérage a été maintenu à environ 330 ampères et le voltage à environ 55 volts, ;
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y: a'ptwi ,a>' Le processus suivi était le Même que tau .!ee",''Y : 1 :.,o.' : ': -OJ .. :rt:- ..ttv..l Le produit qui était stoéchiométriqae avait une dwxpité v X.I rodu1t qu1 6ta1t .tO'Oh1¯'tqU', ' Y1 ''''''''''tS' de 10,9S.
La perte dépasse légèrement 1 % !D' 1e! ''## /,./>*'#.** If.. 1>\1"" q,u* eatte part* peut être ^ Irdàtii.tr .8A8iblement > ..'" ,',,'.., , 1..- t!'f ';"" ;'1.,,../.... 'f."y,; pour une opération plue importante. l'tant donné qs,",'., '\. \-:.: 1.." faut une certaine quantité da chaleur pour <Lev<M* 1."." . température du four, 11 eat vieible par o#para1..on...; des productions du four dans chaque exemple,que la ca-
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paoité est largement accrue en proportion da la qu tn<- tité supplémentaire de puissance utilisée.
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"'f On peut apporter d1.er8 changement)' et ao- z d1t1cat10J18 à la présente u-Tent1on et dans la mesure ou de telles variantes entrent dans 1' esprit de la présen- te invention, il est prévu qu'elles soient inclue* dans le cadre de l'invention .