Procédé d'immobilisation du cadmium produit
de fission, engendré dans une matière combustible nucléaire La présente invention concerne en général le domaine de la prévention de la corrosion dans des réacteurs nucléaires, et plus particulièrement aux nouvelles compositions de combustibles nucléaires pour des réacteurs à eau en ébullition , et un nouveau procédé qui
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de ces matières pour éviter que ne deviennent fragiles les gaines de combustible nucléaire par suite de l'action du cadmium.
Le combustible nucléaire pour des réacteurs à eau en ébullition, sous forme compacte convenable, est habituellement enfermé dans des conteneurs ou des gaines thermoconductrices, non réactives et résistantes à la corrosion, qui, dans l'ensemble, peuvent avoir la forme de barres, de tubes ou de plaques. Divers éléments combustibles de ce genre se montent de façon fixe dans un. canal avec un flux de réfrigérant, et un certain nombre de ces ensembles sont combinés pour former un noyau de réacteur capable de produire une réaction de fission se maintenant automatiquement. Le noyau est.contenu dans une cuve de réacteur à travers laquelle s'écoule continuellement de l'eau en tant que réfrigérant.
Une nécessité primordiale dans le fonctionnement d'un réacteur nucléaire est la contention des produits de fission radioactifs. La gaine sert à cette fin, en ëvitan-les fuites de ces produits dans le réfrigérant et, au surplus, en évitant le contact de la réaction chimique entre le combustible nucléaire et le réfrigérant. Les
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et ses alliages, particulièrement le Zircaloy-2 et le Zircaloy-4.
pendant le fonctionnement d'un réacteur nucléaire,, un atome fissile de U-233, U-235, Pu-239 ou Pu-241 subit une désintégration nucléaire en produisant un milieu constitué de deux produits de fission , de poids ato-
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a rencontré le cas,ou on considère que certains de ces produits de fission, y compris l'iode et le brome, exercent des effets corrosifs sur la gaine. Ainsi, on a observé des détériorations des gaines ,résultant de cette corrosion, durant le fonctionnement des réacteurs nucléaires pendant de longues périodes de temps.
Comme décrit et revendiqué dans le brevet des Etats-
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peut incorporer certains additifs aux combustibles nucléai- res pour éviter l'attaque corrosive sur les gaines par
les produits de fission. Il n'en résulte aucun inconvé- nient grâce à la combinaison ou à l'association chimique des additifs avec les produits de fission mentionnés, en évitant ainsi que ces produits de fission ne migrent du combustible nucléaire pour parvenir dans la gaine.
La présente invention se base sur la découverte du
fait que le cadmium, qui est produit seul en quantités
i relativement faibles lors de la fission d'un atome de U-233, de U-235, de pu-259, de Pu-241 ou analogues, exerce un effet notablement préjudiciable sur les matières ordinaires dont sont faites les gaines à combustibles nucléaires. En particulier, on a constaté que la fragilité
de la gaine en alliage de zirconium provient du cadmium
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conséquent, cette attaque destructrice se produit en présence de cadmium solide à 300[deg.]C, de cadmium liquide à 340[deg.]C et de cadmium dissous dans du césium liquide ,à une température quelconque comprises entre les limites
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bilisation de la technique antérieure, dans le combustible nucléaire, n'empêche ni ne limite cet effet d'accroissement de la fragilité dû au cadmium.
La présente invention se base également sur la découverte du fait que les composés de déplacement chimique, faits de fer et de cuivre et de titanate de cuivre, sont capables,individuellement_ et en combinaison, de réagir avec le cadmium dans les conditions normales de fonctionnement d'un réacteur à eau bouillante et d'éviter ainsi que la gaine de combustible nucléaire ne devienne fragile par l'effet du cadmium sous forme solide ou liquide ou en solution dans du césium liquide. Au surplus, on a constaté que ces composés peuvent se mélanger avec un combustible nucléaire comme simples additif s ou être
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des combustibles, ou peuvent être appliqués comme revêtement sur les pastilles de combustible ou sur la surface intérieure de la gaina, ou être distribués comme couche entre les pastilles de combustible. Cependant, quelle que soit la forme et la manière dont on utilise l'additif dans le but de rendre le cadmium inoffensif, il faut faire
en sorte de garantir qu'il ne reste aucune quantité sensible de cadmium libre capable d'entrer en contact avec la gaine de combustible et de la rendre fragile. Ainsi, suivant la présente invention, on doit utiliser de 0,0025 à 0,025 % en poids de CuTiO3 sur la base de la matière combustible nucléaire ( de préférence 0,0075 % en poids)
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Les spécialistes de cette technique observeront que l'invention présente des aspects de traitement et de composition, le nouveau procédé comprenant l'étape qui consiste à mettre en contact avec la matière de com-
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fragilité, à cause de la présence de cadmium, des composants structurels du réacteur nucléaire, par exemple la gaine de combustible, aux températures de fonctionnement du réacteur.-
En ce qui concerne la composition de la matière, l'invention comprend en général une composition d'oxydes en tant que matériau de combustible nucléaire, sous forme de pastille compacte , contenant une quantité de
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effet d'immobiliser le cadmium résultant des réactions
de fission nucléaires en chaîne de la matière combustible, moyennant réaction avec le cadmium, peur éviter que le
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tible nucléaire du réacteur, dans les conditions de fonctionnement du réacteur.
Dans la mise en oeuvre préférée de l'invention, l'additif est constitué par un composé de déplacement chimique associé au combustible par un procédé quelconque adéquat, par exemple en mélangeant mécaniquement l'additif, sous forme d'une poudre, avec la matière de combustible nucléaire, en un état semblable , finement divisé.
Il est également possible, suivant l'invention,, d'appli- quer l'additif comme revêtement à une partie ou à la to- talité de la surface de la pastille combustible ou de l'appliquer comme revêtement à la surface intérieure de
la gaine afin d'entrer en contact avec les pastilles combustibles chargées dans celle-ci. Comme indiqué pré- cédemment, on considère aussi que l'additif sous forme de poudre sera disposé dans l'en,_amble des pastilles à me-
sure qu'on les charge dans la gaine. Dans certains cas,
il est convenable que le composé de déplacement chimique d'addition soit distribué par rapport à la matière combustible nucléaire pour garantir que pratiquement la to-
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le fonctionnement du réacteur, vienne en contact et en réaction avec l'additif pendant le fonctionnement du réacteur afin d'obtenir les nouveaux résultats et les avantages de l'invention , mentionnés antérieurement.
En général, le résultat nouveau et très utile de l'immobilisation du cadmium, suivant l'invention, peut être obtenu avec des quantités relativement petites de
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mégawatts/jour par tonne métrique d'uranium dans une barre de combustible pour un réacteur à eau bouillante engendrant 0,11 g de cadmium. Dans le meilleur mode de mise en pratique de l'invention connu jusqu'à présent, le composé additif de déplacement chimique sera présent en
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des diverses formes en variante décrites antérieurement, en la quantité stoechiométrique citée. Si on utilise une quantité notablement inférieure à cette quantité
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tain point à l'augmentation de la fragilité de la gaine
par la présence de cadmium,tandis que l'emploi de quan- tités sensiblement supérieures à la quantité stoechiométrique charge le système d'une matière inerte, en occu- pant un espace qui devrait être occupé par de la matière fissile ou fertile.
Lorsque l'additif est incorporé aux éléments coin- bustibles, on peut adopter une forme géométrique quelconque, ou une configuration quelconque désirée ; on préfère ce- pendant que la matière combustible nucléaire se présente
i sous forme de pastilles cylindriques droites que l'on incorpore à une gaine tubulaire en alliage de zirconium. Le boursouflement des pastilles dans la gaine est pris en considération en utilisant des porosités dans la pas- tille combustible ou en la formant avec des ouvertures axiales , des concavités aux extrémités, ou analogues,
afin de permettre ce gonflement ou boursouflement.
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vention réalise l'inertie chimique du produit de fission, c'est-à-dire du cadmium réactif, en utilisant des additifs <EMI ID=18.1>
les conditions normales de fonctionnement d'un réacteur nucléaire pour former des composés stables de façon que
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de réagir avec la gaine de combustible et de l'attaquer, ou avec quelque autre métal. pouvant entrer en contact avec le cadmium pendant le fonctionnement du réacteur.
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sages selon l'invention, bloque la réaction potentielle entre la gaine et le produit de fission et, de ce été façon, augmente la fiabilité de la gaine et sa durée utile.
Dans un essai réalisé pour confirmer le fait que
le cadmium rend fragile la matière en alliage de zirco- nium de la gaine dans des conditions de température éle- vée , un échantillon d'épreuve à la traction, en Zircaloy2, se rompt dans de l'argon à une température de 300*C, après avoir subi une réduction de sa section transversale de 75 % , et avec une limite élastique , avec déformation
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tion d'une tension maximale de 4200 kg/cm . La morphologie de la fracture était ductile.
Ensuite, en répétant cet essai, mais en présence de cadmium en contact avec l'échantillon testé, la rupture se produit avec fracture transgranulaire, avec une réduction nulle de surface et une déformation plastique permanente, à une tension maximale de 2800 kg/cm , avant de passer à la limite élastique de l'échantillon. On observe beaucoup de fissures dans l'échantillon à la fin de l'essai.
On a obtenu des résultats semblable s à Ceux de ce dernier essai au cours de tests subséquents réalisés da la même manière, à des températures comprises entre
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En essayant le nouveau concept fondamental d'inactivation du cadmium , selon l'invention, on a équilibré différents composés avec du cadmium à 350[deg.]C, dans des capsules de quartz vidées d'air, dans un four
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cuivre, le wolframate de cuivre, le molybdate de cuivre,
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ces cas, on a produit une réaction, dans d'autres , on n'en a pas produit et, lorsque le résultat de l'essai était positif en ce sens, les composés formés étaient.
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sont entrés en réaction dans ces conditions ,durant les essais, avec libération apparente de cuivre sous forme métallique ou élémentaire, moyennant déplacement par le cadmium dans les composés de fer et de titane. On n'a observé aucune réaction de ce genre au cours des essais de cette espèce ,impliquant l'emploi d'un composé quelconque autre que les composés cités précédemment.
Dans des expériences à l'extérieur de la pile,
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En réalité; l'examen visuel a montré qu'il y avait formation de cuivre. Par conséquent, seul est entré en
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langes de ceux-ci, selon l'invention. pour remplir le
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barre de combustible, la matière du composé de déplacement , sous forme de poudre., peut être rendue légèrement compacte ,en place. Comme le volume de ce vide se situe
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tinée à remplir le vide se situerait aux environsde 32 g
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rantirait l'inertie du cadmium libéré en tous les points de la barre de combustible pendant le fonctionnement du réacteur.
Lorsqu'on désire proportionner la protection contre l'accroissement de fragilité selon l'invention, en des points situés entre les pastilles de combustible, on peut disposer entre chaque paroi de pastille une couche de 0,127 mm de CuFe204 ,par exemple. Ainsi, dans un système typique de barres de combustible à 100 pastilles de combustible , chacune d'elles ayant une surface finale de 0,87 cm<2> au bout, on incorporera à la barre de combustible
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cette quantité sera sensiblement supérieure à la quantité <EMI ID=36.1>
de la vie utile normale de la barre de combustible, dans un fonctionnement typique du réacteur nucléaire à eau bouillante, mais cela ne déplacera pas de façon impor- tante la matière fertile ou fissile de la charge de la
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REVENDICATIONS
1.- procédé d'immobilisation du cadmium produit
de fission, engendré dans la matière combustible nucléaire d'une composition d'oxydes ea forme de pastilles, qui contient au moins un isotope fissile, ce procédé consis- tant à placer en contact avec la matière combustible nucléaire une certaine quantité d'un composé de déplace-
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mélanges de ces corps, ayant pour effet d'immobiliser le cadmium engendré au cours de la réaction en chaîne de fission nucléaire de la matière combustible nucléaire, moyennant une réaction entre ce cadmium et le composé précité de déplacement chimique et d'éviter, grâce à ce produit, l'accroissement de la fragilité provoquée par
le cadmium dans la gaine de combustible nucléaire, aux températures de fonctionnement du réacteur.