FR2745658A1 - Neutron absorber of boron carbide and hexagonal boron nitride - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un matériau absorbant les neutrons pour une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire dont la sécurité dans un environnement irradié de neutrons a été prouve. The present invention relates to a neutron absorbing material for a control bar of a nuclear reactor whose safety in an irradiated environment of neutrons has been proven.
10 il
Le bore (B) comprend des isotopes B et B. Le bore
10 il naturel contient 19,8 % de B. Alors que le bore B n'absorbe
10 pas vraiment les électrons, le bore B, a une très grande section efficace d'absorption de neutrons. Un composé du bore, le carbonate de bore (B4C) contient une très grande quantité de bore par unité de volume ; il est stable aux hautes températures et sa mé 10 thode de fabrication industrielle est confirmée. Le bore B a une très grande section efficace d'absorption dans un environnement thermique de neutrons ; de plus il a une performance d'absorption considérable dans une zone de neutrons rapides. Le carbonate de 10 bore obtenu en augmentant la concentration du bore B naturel de 19,8 W jusqu'à approximativement 90 Co, est largement utilisé comme matériau absorbant les neutrons pour des barres de contrôle de réacteurs nucléaires.10 he
Boron (B) includes isotopes B and B. Boron
10% natural contains 19.8% B. While boron B does not absorb
10 not really electrons, boron B, has a very large neutron absorption cross section. A boron compound, boron carbonate (B4C) contains a very large amount of boron per unit volume; it is stable at high temperatures and its method of industrial manufacture is confirmed. Boron B has a very large absorption cross section in a thermal environment of neutrons; moreover it has a considerable absorption performance in a zone of fast neutrons. The boron carbonate obtained by increasing the concentration of natural B borate from 19.8 W up to approximately 90 Co, is widely used as a neutron absorbing material for nuclear reactor control rods.
Dans le cas de réacteurs rapides, la barre de contrôle a généralement une structure avec des pastilles de carbonate de bore utilisées comme absorbeur de neutrons, placées dans des tubes gainant le combustible, en acier inoxydable. Les pastilles de carbonate de bore sont généralement fabriquées par compression à chaud. Les pastilles de carbonate de bore sont très dures elles elles ont une faible consistance et une faible résistance aux chocs 10 thermiques. De plus, l'absorption de neutrons du B est primaire
10 ment assurée par la réaction B(n,ct) . Comme il s'accumule plus d'hélium (He) que de neutrons dans le carbonate de bore, on a un problème fondamental du fait du gonflement des pastilles de carbonate de bore. Les interactions mécaniques entre les pastilles de carbonate de bore et le tube de combustible diminuent la durée de fonctionnement des barres de contrôle. En outre, les pastilles de carbonate de bore produisent de grandes quantités de chaleur lorsqu'elles absorbent les neutrons, ce qui cause une rupture intense, dans les pastilles de carbonate de bore, due aux tensions thermiques. Ces pastilles rompues créent et accélèrent l'interaction mécanique entre les pastilles de carbonate de bore et le tube de combustible ce qui diminue la durée de fonctionnement originalement prévue des barres de contrôle.In the case of fast reactors, the control bar generally has a structure with pellets of boron carbonate used as a neutron absorber, placed in fuel-sheathing tubes, made of stainless steel. The boron carbonate pellets are generally manufactured by hot pressing. The boron carbonate pellets are very hard, they have a low consistency and a low resistance to thermal shock. In addition, the neutron absorption of B is primary
10 provided by the reaction B (n, ct). Since more helium (He) accumulates than neutrons in boron carbonate, there is a fundamental problem due to the swelling of the boron carbonate pellets. The mechanical interactions between the boron carbonate pellets and the fuel tube decrease the operating time of the control rods. In addition, boron carbonate pellets produce large amounts of heat when absorbing neutrons, which causes an intense break in the boron carbonate pellets due to thermal stresses. These broken pellets create and accelerate the mechanical interaction between the boron carbonate pellets and the fuel tube which decreases the originally planned operating time of the control rods.
Pour remédier à de tels problèmes on a développé les techniques suivantes (1) Le document Hei 4-78 159, décrit une méthode de contrôle de
la taille des grains dans l'étape du frittage en utilisant une
proportion spécifique des atomes B/C et la taille primaire des
grains.To overcome such problems, the following techniques have been developed (1) Hei 4-78159 discloses a method of controlling
the size of the grains in the sintering step using a
specific proportion of B / C atoms and the primary size of
grains.
(2) Le document japonais publié Sho 59-150 369, décrit une mé
thode pour disposer une section d'amortissement en nitrate de
bore dans un tube de combustible.(2) The Japanese published document Sho 59-150 369, describes a
thode for disposing a nitrate damping section of
boron in a fuel tube.
(3) Le document japonais publié Sho 59-57 195, décrit une méthode
pour incorporer de la poudre de verre ou de la poudre de ni
trate de bore pour éviter que le bore ne soit fritté dans le
tube de combustible.(3) The Japanese published document Sho 59-57 195 describes a method
to incorporate powdered glass or powder
boron to prevent boron being sintered in the
fuel tube.
(4) Le document Proc. llth Int. Symp. Boron, Borides and Rela
ted Compounds, Tsukuba, 1993 IJAP Series 10 (1994) p. 216-219,
D. Gosset et autres , décrit une méthode pour augmenter la
résistance aux chocs thermiques d'une pastille de carbonate de
bore en y ajoutant du nitrate de bore dans un pourcentage en
volume de 30 W au moins.(4) The document Proc. llth Int. Symp. Boron, Borides and Rela
ted Compounds, Tsukuba, 1993 IJAP Series 10 (1994) p. 216-219,
D. Gosset et al., Describes a method to increase the
thermal shock resistance of a carbonate carbonate pellet
boron by adding boron nitrate in a percentage by
volume of 30 W at least.
Toutefois les techniques conventionnelles mentionnées ci-dessus présentent les inconvénients suivants
Dans l'état de la technique selon 159, le gonflement est réduit et la possibilité de voir un tube de combustible endommagé est plus faible que dans le cas d'une pastille conventionnelle. Toutefois, le problème d'une mise en morceaux de la pastille de carbonate de calcium due à une contrainte thermique subsiste.However, the conventional techniques mentioned above have the following disadvantages
In the state of the art according to 159, the swelling is reduced and the possibility of seeing a damaged fuel tube is lower than in the case of a conventional pellet. However, the problem of slicing the calcium carbonate pellet due to thermal stress remains.
Dans l'état de la technique selon le document '369, on obtient une barre de contrôle causant de faibles dommages aux tubes de combustibles même si ces tubes sont brisés par le gonflement des pastilles de carbonate de bore ou un éclatement dû aux chocs thermiques. Mais cela complique la structure de la barre de contrôle. In the state of the art according to document 369, a control bar is obtained causing slight damage to the fuel tubes even if these tubes are broken by the swelling of the boron carbonate pellets or bursting due to thermal shocks. But that complicates the structure of the control bar.
Dans l'état de la technique selon le document 195 on réduit les dommages dus à un choc thermique causé à une pastille ou à un tube en utilisant de la poudre de carbonate de bore. Tou tefois, la densité du matériau absorbeur est réduite par comparaison avec une pastille frittée. De plus, même si une petite fissure apparaît dans le tube de combustible, la poudre servant de matériau absorbant les neutrons se répand à l'extérieur du tube et annule la performance d'absorption. In the state of the art according to document 195 the damage due to thermal shock to a pellet or tube is reduced by using boron carbonate powder. However, the density of the absorber material is reduced compared to a sintered pellet. In addition, even if a small crack appears in the fuel tube, the neutron absorbing material powder spreads out of the tube and cancels the absorption performance.
Dans l'art antérieur selon D. Gosset, la résistance aux chocs thermiques d'un matériau absorbant les neutrons est augmenté et le degré des dommages causés aux matériaux par les contraintes thermiques est diminué. De plus, du fait que les dommages au matériau absorbant les neutrons décroissent, le dommage au tube est diminué. Toutefois, un gonflement du matériau absorbant les neutrons peut endommager le tube de combustible. In the prior art according to D. Gosset, the thermal shock resistance of a neutron absorbing material is increased and the degree of damage to materials by thermal stresses is decreased. In addition, because the damage to the neutron absorbing material decreases, the damage to the tube is decreased. However, swelling of the neutron absorbing material can damage the fuel tube.
La présente invention se propose de résoudre les problèmes cités ci-dessus et a pour but la réalisation d'un matériau absorbant les neutrons qui ne réduit pas la durée de fonctionnement d'une barre de contrôle d'un réacteur nucléaire à cause du gonflement du matériau absorbant les neutrons ou la rupture causée par les contraintes thermiques, et notamment un matériau absorbant les neutrons, économique, qui n'endommage pas facilement les tubes de combustible du fait du gonflement et de la rupture du matériau lorsqu'il absorbe les neutrons, et ainsi un matériau d'absorption de qualité supérieure, stable aux irradiation par les neutrons. The present invention proposes to solve the problems mentioned above and aims to achieve a neutron absorbing material that does not reduce the operating time of a control bar of a nuclear reactor because of the swelling of the reactor. Neutron absorbing material or thermal stress fracture, including an economical neutron absorbing material, which does not easily damage the fuel tubes due to swelling and breaking of the material as it absorbs neutrons, and thus an absorption material of superior quality, stable to neutron irradiation.
A cet effet, l'invention concerne un matériau absorbant les neutrons, caractérisé en ce qu'il est obtenu par compression à chaud d'une poudre mélangée comprenant du carbonate de bore, du nitrate de bore hexagonal et des impuretés inévitables jusqu'à ce que les propriétés anisotropes de résistance mécanique et de conductivité thermique apparaissent. For this purpose, the invention relates to a neutron absorbing material, characterized in that it is obtained by hot pressing a mixed powder comprising boron carbonate, hexagonal boron nitrate and unavoidable impurities until that the anisotropic properties of mechanical strength and thermal conductivity appear.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention - on remplit un moule pour former des pastilles avec de la poudre
mélangée comprenant du carbonate de bore, du nitrate de bore
hexagonal et des impuretés inévitables et on comprime à chaud la
poudre mélangée dans la direction selon laquelle les anisotro
pies de résistance mécanique et de conductivité thermique sont
plus élevées dans la direction radiale de la pastille obtenue
que dans sa direction axiale - les anisotropies de résistance mécanique et de conductivité
thermique sont supérieures ou égales à 1,5 - la proportion de mélange entre le carbonate de bore (B4C) et le
nitrate de bore hexagonal (BN) est 6:4.According to other features of the invention - a mold is filled to form pellets with powder
mixture comprising boron carbonate, boron nitrate
hexagonal and unavoidable impurities and hot compress the
powder mixed in the direction according to which the anisotro
mechanical resistance and thermal conductivity are
higher in the radial direction of the resulting pellet
only in its axial direction - the anisotropies of mechanical strength and conductivity
are greater than or equal to 1.5 - the proportion of mixing between boron carbonate (B4C) and
hexagonal boron nitrate (BN) is 6: 4.
- la proportion de mélange entre le carbonate de bore (B4C) et le
nitrate de bore hexagonal (BN) est 4:6.the proportion of mixing between the boron carbonate (B4C) and the
hexagonal boron nitrate (BN) is 4: 6.
L'invention concerne également les barres de contrôle obtenues et notamment une barre de contrôle pour réacteur comprenant des pastilles cylindriques absorbant les neutrons dont les anisotropies de résistance mécanique et de conductivité thermique d'un matériau absorbant les neutrons contenant au moins du bore sont de 1,5 et un tube de combustible contenant les pastilles. The invention also relates to the control rods obtained and in particular a reactor control rod comprising cylindrical neutron absorbing pellets whose anisotropies of mechanical strength and thermal conductivity of a neutron absorbing material containing at least boron are 1 , And a fuel tube containing the pellets.
L'invention concerne également un procédé pour fabriquer un matériau absorbant les neutrons obtenu par compression à chaud caractérisé en ce qu' - une poudre de carbonate de bore ayant une taille moyenne de
grain de 3 ssm au moins, est mélangée avec une poudre de nitrate
de bore hexagonal ayant une taille moyenne de grain de 10 pm au
moins, - la poudre mélangée est d'abord mise en forme par compression
dans un moule cylindrique puis la poudre mélangée formée d'abord
est comprimée à chaud à une température de 1 700 à 2 2000C et à
une pression de 5 à 50 MPa.The invention also relates to a method for producing a hot-pressed neutron absorbing material characterized in that - a boron carbonate powder having an average size of
grain of 3 ssm at least, is mixed with a nitrate powder
of hexagonal boron having an average grain size of 10 μm at
less, - the mixed powder is first shaped by compression
in a cylindrical mold then the mixed powder formed first
is hot-pressed at a temperature of 1700 to 2000C and
a pressure of 5 to 50 MPa.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention - la proportion de mélange entre le carbonate de bore (B4C) et le
nitrate de bore hexagonal (BN) est 6:4.According to other features of the invention - the proportion of mixing between boron carbonate (B4C) and
hexagonal boron nitrate (BN) is 6: 4.
- la proportion de mélange entre le carbonate de bore (B4C) et le
nitrate de bore hexagonal (BN) est de 4:6.the proportion of mixing between the boron carbonate (B4C) and the
hexagonal boron nitrate (BN) is 4: 6.
La présente invention permet de diminuer le gonflement et la rupture du matériau absorbant les neutrons dus aux contraintes thermiques. Le procédé donne un matériau qui réduit l'interaction mécanique entre le tube de combustible et le maté- riau absorbant les neutrons tout en satisfaisant à la sécurité et à la rentabilité des barres de contrôle de réacteurs nucléaires. The present invention makes it possible to reduce the swelling and rupture of the neutron absorbing material due to thermal stresses. The process provides a material that reduces the mechanical interaction between the fuel tube and the neutron absorbing material while satisfying the safety and cost-effectiveness of nuclear reactor control rods.
1. Lorsqu'on considère l'usage d'une barre de contrôle d'un réac
teur nucléaire, il est possible de contrôler les dommages sur
un tube de combustible même s'il y a gonflement du matériau ab
sorbant les neutrons cylindrique, en délestant le gonflement du
matériau dans la direction radiale.1. When considering the use of a control bar of a reaction
nuclear power, it is possible to control the damage on
a fuel tube even if there is swelling of the ab material
sorbent the cylindrical neutrons, relieving the swelling of the
material in the radial direction.
2. Le gonflement d'un matériau absorbant les neutrons, cylindrique
dans sa direction radiale peut être contrôlé en choisissant une
résistance mécanique plus importante dans la direction radiale
que dans la direction axiale.2. The swelling of a neutron absorbing material, cylindrical
in its radial direction can be controlled by choosing a
greater mechanical strength in the radial direction
only in the axial direction.
3. Les contraintes thermiques produisent dans un matériau absor
bant les neutrons cylindrique est réduit en augmentant la con
ductivité thermique du matériau dans sa direction radiale.3. Thermal stresses produce in an absorbing material
bant the cylindrical neutrons is reduced by increasing the con
thermal ductivity of the material in its radial direction.
4. En augmentant la résistance mécanique d'un matériau absorbant
les neutrons dans sa direction radiale, le matériau subit peu
de dommages dans cette direction ; le risque d'endommager le
tube de combustible est réduit même si le matériau est rompu
dans sa direction axiale à cause d'un gonflement ou de con
traintes thermiques.4. By increasing the strength of an absorbent material
neutrons in its radial direction, the material undergoes little
damage in this direction; the risk of damaging the
fuel tube is reduced even if the material is broken
in its axial direction because of swelling or con
thermal stresses.
5. Le nitrate de bore hexagonal a des caractéristiques anisotro
pes, thermiques et mécaniques, marquées, et comme le graphite
est supérieur pour la résistance aux chocs thermiques et en
stabilité chimique. Le nitrate de bore hexagonal a une très
forte conductivité thermique dans la surface des couches par
comparaison avec la surface entre les couches. Lorsqu'on fabri
que une pastille cylindrique faite en matériau absorbant les
neutrons, il est possible d'avoir une forte résistance et une
forte conductivité thermique à la direction radiale de la pas
tille en contrôlant l'organisation du nitrate de bore hexagonal
de telle sorte que le plan de base est perpendiculaire à l'axe
du cylindre.5. Hexagonal boron nitrate has anisotro characteristics
pes, thermal and mechanical, marked, and like graphite
is superior for thermal shock resistance and
chemical stability. Hexagonal boron nitrate has a very
high thermal conductivity in the surface of the layers by
comparison with the surface between the layers. When making
that a cylindrical pellet made of material absorbing
neutrons, it is possible to have a strong resistance and a
high thermal conductivity to the radial direction of the pitch
by controlling the organization of hexagonal boron nitrate
so that the base plane is perpendicular to the axis
of the cylinder.
Les éléments mentionnés ci-dessus seront décrits plus en détail ci-après à l'aide des dessins. The elements mentioned above will be described in more detail below with the aid of the drawings.
Dessins - les figures 1 (A) et 1 (B) sont des illustration pour expliquer
la théorie de la présente invention, - la figure 2 explique une méthode de test pour la résistance mé
canique et la conductivité thermique, - la figure 3 montre un échantillon pour la conductivité thermi
que et un test de conductivité thermique, - la figure 4 montre un échantillon et une méthode de test pour
l'évaluation de la rupture due aux contraintes thermiques, - la figure 5 montre une pastille selon la présente invention.Drawings - Figures 1 (A) and 1 (B) are illustrations to explain
the theory of the present invention, - Figure 2 explains a test method for the resistor
and thermal conductivity - Figure 3 shows a sample for the thermal conductivity
that and a thermal conductivity test, - Figure 4 shows a sample and a test method for
the evaluation of the fracture due to thermal stresses; FIG. 5 shows a pellet according to the present invention.
Selon la figure 1 (A), la forme cristallisée du nitrate de bore hexagonal a une structure multicouche. Lorsque l'on compresse à chaud la poudre de nitrate de bore hexagonal, les couches hexagonales se rangent dans la direction verticale par rapport à la direction de pressage, comme le montre la figure 1 (B). Dans ce cas, le nitrate de bore hexagonal à structure multicouche a une conductivité thermique supérieure dans la direction horizontale (direction (a) dans la figure 1 (A)). La conductivité thermique est inférieure dans la direction verticale {direction (b) dans la figure 1 (A)). De manière à ce que sa conductivité thermique soit dans la direction verticale {direction (b) dans la figure 1(A)). De plus, le nitrate de bore se dilate ou vient en contact facilement dans la direction verticale (direction (b) dans la figure 1 (A)) mais se dilate ou vient en peu en contact dans la direction horizontale {direction (a) dans la figure 1 (A)
Lors de la compression à chaud C du nitrate de bore hexagonal et du carbonate de bore jusqu'à ce qu'apparaisse une anisotropie adéquate, la poudre mélangée présente une autre conductivité thermique dans la direction horizontale (direction (a) dans la figure 1(B)) vers la direction de compression à chaud et se dilate ou se contracte très peu dans cette direction. On obtient ainsi un matériau absorbant les neutrons dont la conductivité thermique est inférieure dans la direction verticale {direction (b) dans la figure 1(B)) parallèle à la direction de compression à chaud et le matériau se dilate ou se contracte de manière significative dans la direction de compression à chaud.According to Figure 1 (A), the crystallized form of hexagonal boron nitrate has a multilayer structure. When the hexagonal boron nitrate powder is hot-pressed, the hexagonal layers are arranged in the vertical direction relative to the pressing direction, as shown in FIG. 1 (B). In this case, the hexagonal boron nitrate multilayer structure has a higher thermal conductivity in the horizontal direction (direction (a) in Figure 1 (A)). The thermal conductivity is lower in the vertical direction (direction (b) in Fig. 1 (A)). So that its thermal conductivity is in the vertical direction {direction (b) in Fig. 1 (A)). In addition, the boron nitrate expands or comes into easy contact in the vertical direction (direction (b) in Figure 1 (A)) but expands or comes into little contact in the horizontal direction (direction (a) in Figure 1 (A)
When hot pressing C of hexagonal boron nitrate and boron carbonate until adequate anisotropy appears, the mixed powder has another thermal conductivity in the horizontal direction (direction (a) in FIG. B)) towards the hot compression direction and expands or contracts very little in this direction. This results in a neutron absorbing material whose thermal conductivity is lower in the vertical direction (direction (b) in Fig. 1 (B)) parallel to the hot compression direction and the material expands or contracts significantly in the hot compression direction.
Lorsque l'on fabrique une pastille absorbant les neutrons avec le matériau ci-dessus, de telle sorte que la direction de compression à chaud coïncide avec la direction de l'axe, la pastille à une autre conductivité thermique et une grande solidité dans la direction radiale. Ce type de pastille subit peu de ruptures longitudinales et a peu d'effet sur le tube de gaine ; si bien que la durée d'utilisation d'une barre de contrôle utilisant de telles pastilles n'est pas réduite. When making a neutron absorbing chip with the above material, so that the hot compression direction coincides with the direction of the axis, the pellet has a further thermal conductivity and a high strength in the direction radial. This type of pellet undergoes few longitudinal breaks and has little effect on the sheath tube; so that the duration of use of a control bar using such pellets is not reduced.
La présente invention fournit le matériau absorbant les neutrons, les pastilles absorbantes et une barre de contrôle pour réacteur nucléaire. The present invention provides the neutron absorbing material, the absorbent pellets and a control bar for a nuclear reactor.
La présente invention fournit un matériau absorbant les neutrons en comprimant à chaud un mélange de poudre de carbonate de bore, de nitrate de bore hexagonal et d'impuretés inévitables, dans un moule pour former des pastilles et en comprimant alors à chaud la poudre mélangée selon la direction dans laquelle l'anisotropie apparaît, la conductivité thermique de la pastille obtenue étant plus élevée dans sa direction radiale que dans sa direction axiale, jusqu'à ce que l'anisotropie apparaisse. The present invention provides a neutron absorbing material by hot pressing a mixture of boron carbonate powder, hexagonal boron nitrate and unavoidable impurities in a mold to form pellets and then hot pressing the mixed powder according to the invention. the direction in which the anisotropy occurs, the thermal conductivity of the pellet obtained being higher in its radial direction than in its axial direction, until the anisotropy appears.
La présente invention réalise également une barre de contrôle pour réacteur nucléaire obtenue en plaçant les pastilles ci-dessus dans un tube de combustible. The present invention also provides a nuclear reactor control rod obtained by placing the above pellets in a fuel tube.
Comme décrit ci-dessus un matériau absorbant les neutrons ou équivalent selon la présente invention comprend des pastilles frittées faites du mélange de poudres comprenant du carbonate de bore et du nitrate de bore hexagonal ; elle est anisotrope en respectant la résistance mécanique et la conductivité thermique. Il est préférable que le degré d'anisotropie soit égal à 1,5 ou plus. Une anisotropie de la résistance mécanique de moins de 1,5 n'est pas souhaitable car on ne contrôle que faiblement le gonflement dans la direction de la forte résistance mécanique. De plus une anisotropie de conductivité thermique de moins de 1,5 n'est pas souhaitable car les contraintes thermiques augmentent en même temps dans l'absorbeur de neutrons. As described above, a neutron absorbing material or the like according to the present invention comprises sintered pellets made of the powder mixture comprising boron carbonate and hexagonal boron nitrate; it is anisotropic while respecting the mechanical resistance and the thermal conductivity. It is preferable that the degree of anisotropy be 1.5 or more. Anisotropy of the mechanical strength of less than 1.5 is undesirable because only slight swelling is controlled in the direction of high strength. In addition, an anisotropy of thermal conductivity of less than 1.5 is undesirable because thermal stresses increase at the same time in the neutron absorber.
Il est préférable que le carbonate de bore utilisé pour fabriquer une pastille composite selon la présente invention ait une taille moyenne de grain primaire inférieure ou égale à 5 clam. Lorsque la taille moyenne des grains de cristaux excède 5 Hm, la zone de liaison de grains par unité de volume décroît et il en résulte une augmentation du temps de maintien du He dans les grains de cristaux. Ceci n'est pas avantageux car la quantité de He augmente, ce qui provoque un fort gonflement par la suite. It is preferred that the boron carbonate used to make a composite pellet according to the present invention has an average primary grain size of less than or equal to 5 clam. When the average size of the crystal grains exceeds 5 μm, the grain-binding area per unit volume decreases and this results in an increase in the He holding time in the crystal grains. This is not advantageous because the amount of He increases, which causes a strong swelling thereafter.
Du fait que l'on peut utiliser du nitrate de bore hexagonal en général, la conductivité thermique dépend de la cristallinité du nitrate de bore hexagonal. Pour cela, il est préférable de faire une évaluation en utilisant la valeur G.I. Since hexagonal boron nitrate can be used in general, the thermal conductivity depends on the crystallinity of the hexagonal boron nitrate. For this, it is better to make an evaluation using the value G.I.
définie dans l'expression suivante (1)
G.I. = (I(100) + I(101))/(I(102)) (1) dans laquelle I est une intensité intégrée, mesurée par diffraction de rayons X. il est préférable de ne pas utiliser une poudre à faible cristallinité avec une grande valeur de G.I. car la conductivité thermique de la pastille composite frittée diminue.defined in the following expression (1)
GI = (I (100) + I (101)) / (I (102)) (1) wherein I is an integrated intensity, measured by X-ray diffraction. It is preferable not to use a low crystallinity powder with a high GI value because the thermal conductivity of the sintered composite pellet decreases.
Il est préférable de ne pas utiliser de poudre ayant du nitrate de bore hexagonal à faible taille de grain car il est difficile d'avoir l'anisotropie de résistance mécanique et de conductivité thermique, désirée pour une pastille composite frittée. It is preferable not to use powder having low grain size hexagonal boron nitrate because it is difficult to have the anisotropy of mechanical strength and thermal conductivity desired for a sintered composite pellet.
Le carbonate de bore et le nitrate de bore ci-dessus sont mélangés selon une méthode de mélange générale, comme une méthode de mélange à sec ou une méthode de mélange humide utilisant un alcool solvant pour disperser uniformément ces matériaux. The above boron carbonate and boron nitrate are mixed according to a general mixing method, such as a dry blending method or a wet blending method using a solvent alcohol to uniformly disperse these materials.
Il est possible d'utiliser un mélangeur non spécialisé comme un broyeur à billes ou un mélangeur à ruban.It is possible to use a non-specialized mixer such as a ball mill or a ribbon blender.
En respectant les proportions du mélange entre le carbonate de bore et le nitrate de bore, la performance d'absorption se détériore lorsque la quantité de carbonate de bore est très faible. Une très grande quantité de carbonate de bore n'est pas souhaitable car elle réduit l'anisotropie de résistance mécanique et de conductivité thermique. Pour cela il est nécessaire de sélectionner correctement une proportion de mélange pour que les anisotropies de résistance mécanique et de conductivité thermique soient égales à 1,5 ou plus et que la performance d'absorption de neutrons ne soit pas trop détériorée. By respecting the proportions of the mixture between the boron carbonate and the boron nitrate, the absorption performance deteriorates when the amount of boron carbonate is very low. A very large amount of boron carbonate is undesirable because it reduces the anisotropy of mechanical strength and thermal conductivity. For this purpose it is necessary to correctly select a proportion of mixture so that the anisotropies of mechanical strength and thermal conductivity are equal to 1.5 or more and that the neutron absorption performance is not too deteriorated.
La poudre mélangée est placée dans un moule en graphite mis à une pression de formation préliminaire prédéterminée selon la nécessité ; ensuite on comprime à chaud dans un four de compression à chaud, à induction à haute fréquence. Pour les conditions de compression à chaud, on utilise une température générale (1 700 à 2 2000C ; pression approximative 5 à 50 MPa). Une température ou une pression extrêmement basses ne sont pas souhaitables car on met longtemps à obtenir une pastille dense. Une température extrêmement élevée n'est pas non plus souhaitable car la poudre mélangée réagit facilement avec le graphite utilisé pour la compression à chaud. De plus, une pression de frittage extrêmement élevée n'est pas souhaitable car la fréquence de détérioration des moules en graphite, utilisés pour la compression à chaud, augmente grandement. Il est toutefois possible d'utiliser la compression normale de frittage pour la mise en forme dans un équipement connu (Technique CIP) et ensuite de fritter dans une atmosphère inerte à la place du frittage à haute pression. The mixed powder is placed in a graphite mold set at a predetermined preliminary forming pressure as necessary; then hot pressing in a hot compression, high frequency induction furnace. For hot compression conditions, a general temperature (1700 to 2000C, approximate pressure 5 to 50 MPa) is used. Extremely low temperature or pressure is undesirable because it takes a long time to obtain a dense pellet. An extremely high temperature is also not desirable because the mixed powder readily reacts with the graphite used for hot pressing. In addition, extremely high sintering pressure is undesirable because the deterioration frequency of the graphite molds used for hot pressing greatly increases. However, it is possible to use normal sintering compression for shaping in known equipment (CIP Technique) and then sinter in an inert atmosphere instead of high pressure sintering.
Dans le cas d'une pastille de matériau absorbant des neutrons, faite d'un composé carbonate de bore/nitrate de bore hexagonal, la fréquence de détérioration d'un tube dû à un gonflement est grandement réduite dans un environnement d'irradiation par neutrons. De plus, il est possible de prévenir la rupture du matériau absorbant à cause des contraintes thermiques ou du gonflement. Il est également possible de diminuer grandement la fréquence de détérioration d'un tube. Comme la durée de vie d'une barre de contrôle de réacteur nucléaire est accrue par comparaison avec un matériau conventionnel, cela améliore la sécurité et le rendement. In the case of a neutron absorbing material pellet made of a boron carbonate / hexagonal boron nitrate compound, the rate of deterioration of a tube due to swelling is greatly reduced in a neutron irradiation environment. . In addition, it is possible to prevent the rupture of the absorbent material because of thermal stresses or swelling. It is also possible to greatly reduce the frequency of deterioration of a tube. As the life of a nuclear reactor control bar is increased compared to a conventional material, it improves safety and efficiency.
Description
La présente invention sera décrite plus en détail en accord avec la réalisation. (conditions de réalisation 1 à 5 et exemples comparatifs 1 et 2)
La poudre de carbonate de bore (taille moyenne de grain 3 Mm mesurée avec la méthode des microtraces, proportion molaire B/C de 4 et enrichissement 10B de 19,8 W du naturel) et la poudre de nitrate de bore hexagonal (G.I. = 1,1, taille moyenne de grain 10 Um mesurée par la méthode des microtraces) ont été mélangées pendant 2 heures selon les proportions du tableau 1, dans un mélangeur à ruban pour être dispersées uniformément. La poudre mélangée obtenue a été comprimée dans un moule en graphite et formée d'abord à une pression de formation préliminaire de 10 MPa elle elle est ensuite placée dans un four de compression à chaud, à induction à haute fréquence et pressée à chaud sous les conditions (le temps maximum de maintien de la température et de la pression était de 1 heure respectivement) du tableau 1 pour obtenir une pastille ayant un diamètre de 50 mm et une hauteur de 40 mm. Description
The present invention will be described in more detail in accordance with the embodiment. (Embodiment 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2)
The boron carbonate powder (average grain size 3 Mm measured with the microtrace method, molar ratio B / C of 4 and enrichment 10B of 19.8 W of natural) and hexagonal boron nitrate powder (GI = 1 , 1, average grain size 10 μm measured by the microtrace method) were mixed for 2 hours according to the proportions of Table 1, in a ribbon blender to be uniformly dispersed. The resulting mixed powder was pressed into a graphite mold and first formed at a preliminary formation pressure of 10 MPa and then placed in a hot press, high frequency induction hot press furnace under the conditions (the maximum time for maintaining the temperature and the pressure was 1 hour respectively) of Table 1 to obtain a pellet having a diameter of 50 mm and a height of 40 mm.
La diffraction par rayons X des pastilles obtenues révèle que l'on a du carbonate de bore et du nitrate de bore. De plus, une analyse chimique de la pastille confirme que la proportion de mélange entre le carbonate de bore et le nitrate de bore coïncide avec le cas du matériau mélangé. The x-ray diffraction of the pellets obtained reveals that there is boron carbonate and boron nitrate. In addition, a chemical analysis of the pellet confirms that the proportion of mixing between the boron carbonate and the boron nitrate coincides with the case of the mixed material.
[Conditions de l'exemple comparatif 3]
La préparation et l'évaluation ont été réalisées comme dans le cas précédent excepté le fait que l'on a utilisé de la poudre de nitrate de bore avec un G.I. de 3,6 et une taille moyenne de grain de 4 pm, mesurée par la méthode de microtrace.[Conditions of Comparative Example 3]
The preparation and evaluation were carried out as in the previous case except that boron nitrate powder was used with a GI of 3.6 and a mean grain size of 4 μm, measured by the microtrace method.
[Evaluation des propriétés physiques]
Les propriétés physiques suivantes ont été évaluées pour la pastille composite obtenue.[Evaluation of physical properties]
The following physical properties were evaluated for the resulting composite pellet.
(1) Résistance mécanique
les échantillons 10 et 20 de 3x4x30 mm ont été choisis parmi
des pastilles obtenues comme le montre la figure 2 pour mesu
rer la résistance en flexion à 3 points, de la pièce dans les
directions parallèle dl et perpendiculaire d2 à la direction
de pressage à chaud C, à température ambiante.(1) Mechanical resistance
samples 10 and 20 of 3x4x30 mm were chosen from
pellets obtained as shown in FIG.
the 3-point bending resistance of the workpiece in the
directions parallel dl and perpendicular d2 to the direction
hot pressing C, at room temperature.
(2) Conductivité thermique
des échantillons 30, 40 d'un diamètre de 10 mm et d'une épais
seur de 1,5 mm ont été choisis à partir de pastilles obtenues
comme le montre la figure 3, pour mesurer la conductivité
thermique des échantillons dans les directions parallèle dl et
perpendiculaire d2 à la direction de compression à chaud C et
à température ambiante par la méthode du faisceau laser.(2) Thermal conductivity
samples 30, 40 with a diameter of 10 mm and a thick
1.5 mm were chosen from pellets obtained
as shown in Figure 3, to measure conductivity
thermal samples in parallel directions dl and
perpendicular d2 to the hot compression direction C and
at room temperature by the laser beam method.
(3) Evaluation des propriétés de rupture dues aux contraintes
thermiques
un échantillon 50 d'un diamètre de 12,5 mm et d'une longueur
de 25 mm a été choisi parmi des pastilles obtenues comme le
montre la figure 4, pour évaluer la fréquence de 10 cycles
pour lesquels apparaît une craquelure dans une pièce en répé
tant un cycle de chauffage et de refroidissement
l'échantillon est chauffé à 4000C pendant 10 min. et refroidi
dans l'eau puis séché dans une atmosphère à 900C pendant
2 heures et à 1200C pendant 1 heure, puis chauffé à nouveau
on applique ensuite un choc thermique. (3) Evaluation of the breaking properties due to the constraints
thermal
a sample 50 with a diameter of 12.5 mm and a length
25 mm was chosen from pellets obtained as the
shows Figure 4, to evaluate the frequency of 10 cycles
for which a crack appears in a repeating piece
both a heating and cooling cycle
the sample is heated at 4000C for 10 min. and cooled
in water and then dried in an atmosphere at 900C during
2 hours and 1200C for 1 hour, then heated again
a heat shock is then applied.
Avantages de l'invention
Le tableau 1 montre les résultats d'évaluation d'un matériau absorbant les neutrons selon la présente invention ainsi que les conditions de préparation.Advantages of the invention
Table 1 shows the evaluation results of a neutron absorbing material according to the present invention as well as the conditions of preparation.
Comme le montrent le tableau 1 et la figure 5, les corps frittés ont une plus forte résistance aux chocs thermiques et une meilleure résistance aux ruptures dues aux contraintes thermiques, par comparaison aux exemples de référence. En outre, dans le cas des pastilles selon l'invention, les anisotropies de résistance mécanique et de conductivité thermique sont de 1,5 ou plus. Pour cela, lorsque l'on forme une pastille selon l'invention, par frittage, pour que la direction de compression coïncide avec la direction axiale de la pastille ; la pastille a une conductivité thermique supérieure dans sa direction radiale a et ainsi, elle se dilate dans sa direction axiale mais difficilement dans direction radiale. Lorsque cette pastille absorbe des neutrons, elle se dilate dans sa direction axiale d du fait du gonflement mais peu dans sa direction radiale a. C'est pourquoi les pastilles ne font pas subir de tension mécanique au tube qui les contient. De plus, comme elles conduisent de préférence la chaleur produite lorsqu'elles absorbent les neutrons dans sa direction radiale a, de faibles différences de température apparaissent dans la direction radiale a des pastilles. C'est pourquoi la pastille se casse rarement. Lorsqu'une différence de température apparaît dans la direction axiale b de la pastille, elle se casse. Comme les pastilles sont superposées les unes sur les autre selon leur direction axiale, une rupture horizontale influence moins une barre de contrôle qu'une rupture verticale. As shown in Table 1 and Figure 5, the sintered bodies have a higher resistance to thermal shock and better resistance to fractures due to thermal stresses, compared to reference examples. In addition, in the case of pellets according to the invention, the anisotropies of mechanical strength and thermal conductivity are 1.5 or more. For this, when forming a pellet according to the invention, by sintering, so that the compression direction coincides with the axial direction of the pellet; the pellet has a higher thermal conductivity in its radial direction a and thus it expands in its axial direction but hardly in the radial direction. When this pellet absorbs neutrons, it expands in its axial direction d due to swelling but little in its radial direction a. This is why pellets do not subject mechanical stress to the tube that contains them. In addition, since they preferentially conduct the heat produced when they absorb the neutrons in its radial direction, small temperature differences appear in the radial direction at pellets. This is why the pellet rarely breaks. When a temperature difference appears in the axial direction b of the pellet, it breaks. As the pellets are superimposed on each other in their axial direction, a horizontal break influences less a control bar than a vertical break.
Ainsi, les pastilles selon l'invention, n'affectent pas réellement un tube et ne diminuent pas la durée d'utilisation de la barre de contrôle dans un réacteur.Thus, the pellets according to the invention do not actually affect a tube and do not reduce the duration of use of the control bar in a reactor.
Comme décrit ci-dessus, il est clair que les pastilles composites carbonate de bore/nitrate de bore hexagonal obtenues par la présente invention (matériau absorbant les neutrons selon la présente invention) permettent de réduire grandement l'interaction mécanique avec un tube de combustible due à une rupture du matériau absorbant les neutrons causé par un gonflement ou des contraintes thermiques dans un environnement irradié par des neutrons. On a trouvé que le matériau absorbant les neutrons est capable d'améliorer la sécurité et la rentabilité d'une barre de contrôle, en comparaison des matériaux conventionnels. TABLEAU I
As described above, it is clear that the boron carbonate / hexagonal boron nitrate composite pellets obtained by the present invention (neutron absorbing material according to the present invention) can greatly reduce the mechanical interaction with a fuel tube due to a rupture of the neutron absorbing material caused by swelling or thermal stress in an environment irradiated with neutrons. It has been found that the neutron absorbing material is capable of improving the safety and cost-effectiveness of a control bar compared to conventional materials. TABLE I
COMPOSITION <SEP> CONDITIONS <SEP> PROPRIEIES <SEP> PHYSIQUES <SEP> DE <SEP> LA <SEP> PASTILLE
<tb> <SEP> %en <SEP> poids <SEP> DE <SEP> FRITTAGE
<tb> B4C <SEP> BN <SEP> Tempéra- <SEP> Pression <SEP> RESISTANCE <SEP> A <SEP> LA <SEP> TENSION <SEP> CONDUCTIVITE <SEP> THERMIQUE <SEP> FREQUENCE <SEP> DE
<tb> ture <SEP> en <SEP> MPa <SEP> MPa <SEP> W/mk <SEP> RUFIURE <SEP> DUE <SEP> AUX
<tb> C <SEP> DIRECTION <SEP> DIRECTION <SEP> ANISOTRO <SEP> DIRECTION <SEP> DIRECTION <SEP> ANISOTRO <SEP> CONTRAINTES
<tb> PARALLELE <SEP> PERPENDICU <SEP> PIE <SEP> PERPENDICU <SEP> PARALLELE <SEP> PIE <SEP> THERMIQUES
<tb> LAIRE <SEP> LAIRE <SEP> (Nombre <SEP> de <SEP> fois)
<tb> 1 <SEP> 80 <SEP> 20 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 103 <SEP> 40 <SEP> 2,6 <SEP> 34 <SEP> 22 <SEP> 1,5 <SEP> 9
<tb> 2 <SEP> 60 <SEP> 40 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 88 <SEP> 32 <SEP> 2,8 <SEP> 40 <SEP> 23 <SEP> 1,7 <SEP> > 10
<tb> 3 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 66 <SEP> 18 <SEP> 3,7 <SEP> 45 <SEP> 23 <SEP> 2,0 <SEP> > 10
<tb> 4 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 1800 <SEP> 40 <SEP> 47 <SEP> 13 <SEP> 3,6 <SEP> 35 <SEP> 18 <SEP> 1,9 <SEP> 9
<tb> 5 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 2000 <SEP> 20 <SEP> 52 <SEP> 28 <SEP> 1,9 <SEP> 39 <SEP> 24 <SEP> 1,6 <SEP> > 10
<tb> 1 <SEP> 100 <SEP> 0 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 435 <SEP> 441 <SEP> 1,0 <SEP> 22 <SEP> 21 <SEP> 1,1 <SEP> 3
<tb> 2 <SEP> 0 <SEP> 100 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> - <SEP> 3 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 151 <SEP> 115 <SEP> 1,3 <SEP> 28 <SEP> 23 <SEP> 1,2 <SEP> 6
<tb> Note . un symbole - dans le tableau signifie que les propriétés physiques n'ont pas pu être évaluées car une pastille compressée à chaud a cassé après la compression à chaud. COMPOSITION <SEP> CONDITIONS <SEP> PROPERTY <SEP> PHYSICAL <SEP> DE <SEP> LA <SEP> PASTILLE
<tb><SEP>% in <SEP> weight <SEP> DE <SEP> FRITTAGE
<tb> B4C <SEP> BN <SEP> Temperature <SEP> Pressure <SEP> RESISTANCE <SEP> A <SEP><SEP> VOLTAGE <SEP> CONDUCTIVITY <SEP> THERMAL <SEP> FREQUENCY <SEP> FROM
<tb> ture <SEP> in <SEP> MPa <SEP> MPa <SEP> W / mk <SEP> RUFIURE <SEP> DUE <SEP> AUX
<tb> C <SEP> DIRECTION <SEP> DIRECTION <SEP> ANISOTRO <SEP> DIRECTION <SEP> DIRECTION <SEP> ANISOTRO <SEP> CONSTRAINTS
<tb> PARALLEL <SEP> PERPENDICU <SEP> PIE <SEP> PERPENDICU <SEP> PARALLEL <SEP> PIE <SEP> THERMAL
<tb> LAIRE <SEP> LAIRE <SEP> (Number <SEP> of <SEP> times)
<tb> 1 <SEP> 80 <SEP> 20 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 103 <SEP> 40 <SEP> 2.6 <SEP> 34 <SEP> 22 <SEP> 1.5 <SEP > 9
<tb> 2 <SEP> 60 <SEP> 40 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 88 <SEP> 32 <SEP> 2.8 <SEP> 40 <SEP> 23 <SEP> 1.7 <SEP >> 10
<tb> 3 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 66 <SEP> 18 <SEP> 3.7 <SEP> 45 <SEP> 23 <SEP> 2.0 <SEP >> 10
<tb> 4 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 1800 <SEP> 40 <SEP> 47 <SEP> 13 <SEP> 3.6 <SEP> 35 <SEP> 18 <SEP> 1.9 <SEP > 9
<tb> 5 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 2000 <SEP> 20 <SEP> 52 <SEP> 28 <SEP> 1.9 <SEP> 39 <SEP> 24 <SEP> 1.6 <SEP >> 10
<tb> 1 <SEP> 100 <SEP> 0 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 435 <SEP> 441 <SEP> 1.0 <SEP> 22 <SEP> 21 <SEP> 1.1 <SEP > 3
<tb> 2 <SEP> 0 <SEP> 100 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> - <SEP> 3 <SEP> 40 <SEP> 60 <SEP> 2000 <SEP> 40 <SEP> 151 <SEP > 115 <SEP> 1.3 <SEP> 28 <SEP> 23 <SEP> 1.2 <SEP> 6
<tb> Note. a symbol - in the table means that the physical properties could not be evaluated because a hot compressed pellet broke after the hot compression.
Claims (7)
Applications Claiming Priority (1)
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- 1996-02-21 JP JP8033422A patent/JP3069519B2/en not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
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