Matériau de protection neutronique et utilisation de ce matériau
La présente invention a pour objet un matériau de protection neutronique, à forte teneur en bore, constitué par un produit amorphe vitreux en poudre, ainsi qu'une utilisation de ce matériau.
L'industrie nucléaire utilise des matériaux de ce genre seuls ou agglomérés par un liant hydraulique et destinés à supporter des températures élevées, pouvant dépasser 5000 C lorsqu'il s'agit de la protection neutronique de réacteurs nucléaires à neutrons rapides. Le terme en poudre doit être interprêté comme désignant un produit réduit en fragments de forme irrégulières de dimensions, inférieures ou égales à cinq millimètres.
Pour réaliser des écrans absorbant les neutrons, on fait souvent appel à des matériaux à base de bore dont la section efficace de capture des neutrons thermiques est très élevée. Ce bore peut être mis en oeuvre sous forme de composés borés naturels peu coûteux, tels que la colémanine ou la pandermite. Mais ces composés, notamment les borates de chaux naturels présentent des anomalies de dilatation thermique et une solubilité excessive qui interdit leur emploi comme agrégats pour des bétons devant être utilisés à des températures dépassant 100" C.
On a également proposé l'emploi de composés artificiels de bore. Les plus fréquemment utilisés sont le carbure de bore et le nitrure de bore qui ont des pro priétés mécaniques et thermiques acceptables dans la plupart des cas: Ces composés sont malheureusement coûteux.
On a utilisé également des alliages, associant notamment le carbure de bore et l'aluminium, des aciers au bore et des composés non métalliques comme les graphites borés et certains verres pyrex, à base de borate de soude: Mais il est difficile de réaliser des pièces massives utilisant ces produits avec de fortes teneurs en bore car, sous irradiation neutronique, la réaction Bjo (n, a) Li7, qui provoque un dégagement d'hélium, s'accompagne de dégâts susceptibles d'entraîner la destruction de la structure de la pièce.
On a enfin proposé l'emploi de bétons contenant des agrégats borés: mais l'obtention de bétons à forte section de capture (donc de teneurs en bore importante) devant résister à température élevée pose des problèmes, liés notamment à la différence de dilatation thermique des agrégats et du liant, et au passage en solution d'une fraction de l'agrégat lors du gâchage.
Parmi les agrégats pour de tels bétons, on a proposé des verres de composition au moins quaternaire associant à B2O3 de la chaux CaO, de la silice SiO2 et de l'alumine Al203: Ces verres sont en fait à prescrire pour diverses raisons et en particulier pour la suivante: le mélange SiO2-Al2OS introduit toujours des anomalies de dilatation entre 500 C et le point de ramollissement du verre.
Le but de la présente invention est de réaliser un matériau de protection neutronique répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est exempt des inconvénients ci-dessus ou ne les présente que sous une forme atténuée.
Dans ce but, le matériau selon l'invention est caractérisé en ce que le dit produit est un composé ternaire contenant d'une part plus de 29 /o en poids de B205 et d'autre part soit SiO2 et CaO, soit Al203 et
CaO, soit Au203 et MgO.
Selon l'invention, l'utilisation de ce matériau est caractérisée en ce que le dit matériau se présente sous forme d'un agrégat de granulométrie inférieure à cinq millimètres.
Les proportions des trois constituants du produit doivent évidemment être comprises dans des limites qui tiennent compte de Leurs propriétés dans le réseau vitreux. SiO2 et B203 sont des formateurs de réseau vitreux, cnest-à-dire de structure amorphe. Ils abaissent la température de fusion du verre, améliorent la visco- sité, ne tendent pas à détruire ou cristalliser ce réseau.
Al203, CaO et MgO agissent comme modificateurs de réseau. De plus, Al203 est un anti-dévitrifiant et sa présence relève le point de ramollissement des verres.
Par suite de ces propriétés, il est nécessaire de ne pas dépasser une teneur maximum totale de
B2O3+SiO2, d'autant plus que la présence de ce dernier composant abaisse le point de ramollissement du verre.
Pratiquement, on ne peut dépasser une teneur totale de 88 /o en poids de BeO8+SiO2, ce qui fait que ceux des produits ci-dessus définis qui sont constitués par B2O3,
SiO2 et Cao ne peuvent atteindre des teneurs aussi élevées en base que les autres produits.
CaO et MgO ont des propriétés similaires mais il est préférable toutefois, de ne pas dépasser une teneur en MgO de 550/o en poids pour supprimer tout risque d'apparition d'anomalies de dilatation.
Les fig. 1 à 3 des dessins ci-joints constituent des diagrammes ternaires où sont indiqués, par des zones hachurées, les domaines correspondant aux compositions les plus avantageuses, notamment lorsque le matériau est constitué par un béton contenant le produit divisé.
La fig. 1 montre le diagramme correspondant aux produits comprenant de l'anhydride borique, de l'alumine et de la chaux: le domaine préconisé est délimité par les points correspondant aux proportions suivantes, en poids:
B2O3 Al2O3 CaO
Point A 29% 5% 66%
Point B 76% 5% 19%
Point C 76% 20% 4%
Point D 55% 41% 4%
Point E 29% 41% 30%
La figure 2 correspond aux produits contenant de l'anhydride borique, de la silice et de la chaux, et le domaine préconisé est délimité par les points suivants:
B2O3 SiO2 CaO
Point A 30% 2% 68%
Point B' 64 % 2 /o 34 %
Point C 47% 41% 12%
Point D' 30 % 41 /o 29 Oio
Enfin la figure 3 correspond aux produits contenant de l'anhydride borique, de l'alumine et de la magnésie et le domaine est délimité par les points suivants:
:
B2O3 Al2O3 MgO
Point A" 39% 6% 55%
Point B" 74% 6% 20%
Point C" 74% 21% 5%
B203 Alpes MgO
Point D" 54% 41% 5%
Point E" 39% 41% 20%
Tous les matériaux ainsi définis répondent aux conditions suivantes:
a) leur point de ramollissement se place au-dessus de 500 C, ce qui autorise leur emploi dans les réacteurs à neutrons rapides, où les matériaux de protection sont portés à haute température;
b) leur dilatation thermique est régulière et compatible avec ceux des liants hydrauliques (ciment notamment):
le coefficient de dilatation thermique est inférieur à 12.10-6 et de l'ordre de 10-5;
c) Le produit, broyé à une granulométrie comprise entre 200 et 1 mm, présente une solubilité inférieure à 5 /o dans des conditions représentatives de celles du gâchage du béton (maintien de 1 g de verre pendant 24h dans 80 cm3 d'eau porté à PH 11 par addition d'ammoniaque).
A titre d'exemple, on peut noter les caractéristiques suivantes de trois matériaux choisis à l'intérieur des domaines définis par les fig. 1 à 3:
Exemple I
composition 70 /o B2O2, 20% Al2O3, 10% CaO
Température de fusion 13600 C
Solubilité 1,66%
Température de ramollissement sensible 800 C
Coefficient moyen de dilatation linéaire
entre 0 et 800 C 10.10-6
Exemple 2
composition 50%B2O3, 10%SiO2, 40%CaO
Température de fusion 13200 C
Solubilité 0,68 0/o
Température de ramollssement sensible 6500 C
Coefficient moyen de dilatation linéaire
entre 0 et 6500 C 12.10-6
Exemple 3
composition 70%B2O3, 20%Al2O3,
10%MgO
Température de fusion 13500 C
Solubilité 4,25 /o
Température de rarnossement sensible 800 C
Coefficient moyen de dilatation linéaire
entre 0 et 800 C 9.10-6
Lorsque le matériau est utilisé isolément sous forme d'une masse pulvérulente constituée par simple entassement dans un volume, la répartition granulométrie doit évidemment être telle que la compacité de la masse soit élevée et les pores de faible dimension, donc que les fractions de granulométrie minimum remplissent les vides laissés par les fractions de diamètre important. Les règles permettant de fixer cette répartition sont bien connues et il n'est pas utile de les rappeler ici. On peut toutefois noter que l'emploi d'une granulométrie tout entière comprise entre 300 microns et 5 mm donne généralement des résultats satisfaisants.
Lorsque le matériau est utilisé comme agrégat d'un béton, avec une granulométrie faible, excluant les dimensions supérieures à quelques millimètres, la tenue mécanique sous irradiation perd son importance puisque c'est le liant hydraulique (ciment réfractaire) qui assure la cohésion mécanique. Les propriétés a, b et c ci-dessus assurent au matériau des caractéristiques satisfaisantes.
Le liant hydraulique est de préférence constitué par un ciment alumineux, et le béton comporte de préférence un dosage élevé en ciment (400 kg/m3 au moins).
Dans le cas où le béton doit assurer la protection contre les neutrons rapides, il peut être ajouté au ciment et au produit absorbant un corps supplémentaire jouant le rôle de ralentisseur pour les neutrons, constitué par exemple par une roche broyée riche en hydrogène: On peut notamment utiliser la serpentine dont les ions OH- de constitution se conservent jusque vers 600 tc dans les variétés les plus stables. Toutefois, il est nécessaire que la proportion en poids du bore dans le béton reste supérieure à 30/o pour que l'absorption conserve une valeur suffisante pour les applications usuelles.
La préparation du produit vitreux s'effectue de façon classique, par fusion du mélange des composants dans un creuset, coulée sur une plaque de zinc et broyage de la masse vitreuse obtenue, après refroidissement de celle-ci.