FR3072308B1 - DEVICE AND METHOD FOR CRYOGENIC MILLING WITH CRYOGENIC GAS MILLING MEDIA SOLIDIFIED - Google Patents

DEVICE AND METHOD FOR CRYOGENIC MILLING WITH CRYOGENIC GAS MILLING MEDIA SOLIDIFIED Download PDF

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Abstract

L'objet principal de l'invention est un dispositif de broyage (1) cryogénique de poudres (P), caractérisé en ce qu'il comporte : une cuve de broyage (2) calorifugée sous pression, comprenant la charge de poudres (P) à broyer, des média de broyage (Bo) sous forme de gaz cryogénique solidifié et du gaz liquéfié (GL) ; un arbre moteur (30) pour la mise en rotation de la cuve de broyage (2) ; un dispositif d'analyse granulométrique laser (3) associé à un dispositif de contre éclairage (4) ; un système de génération et d'alimentation (5) en suspensions poudres/gaz liquéfié ; un système de traitement de données et de pilotage (6) du dispositif de broyage (1), le dispositif d'analyse granulométrique laser (3) étant relié audit système de traitement et de pilotage (6), un dispositif de production de média de broyage (8) à partir de gaz cryogénique solidifié sous forme de gaz cryogénique, et un dispositif d'admission de gaz liquéfié et de gaz carbonique.The main object of the invention is a crushing device (1) cryogenic powder (P), characterized in that it comprises: a grinding vessel (2) heat-insulated under pressure, comprising the powder charge (P) grinding media (Bo) in the form of solidified cryogenic gas and liquefied gas (GL); a drive shaft (30) for rotating the milling vessel (2); a laser particle size analyzer (3) associated with a backlighting device (4); a generation and feed system (5) in suspension of powders / liquefied gas; a data processing and control system (6) of the grinding device (1), the laser granulometric analysis device (3) being connected to said processing and control system (6), a device for producing media of grinding (8) from solidified cryogenic gas in the form of cryogenic gas, and a device for admitting liquefied gas and carbon dioxide.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE BROYAGE CRYOGÉNIQUE AVEC MÉDIA DE BROYAGE SOUS FORME DE GAZ CRYOGÉNIQUE SOLIDIFIÉDEVICE AND METHOD FOR CRYOGENIC MILLING WITH SOLIDIFIED CRYOGENIC GAS CRUSHING MEDIA

DESCRIPTIONDESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA

La présente invention se rapporte au domaine du broyage cryogénique de poudres, notamment les poudres d'actinides comprenant notamment les poudres d'oxydes d'uranium (U02) et/ou les poudres d'oxydes de plutonium (Pu02), pour l'obtention de poudres à granulométrie maîtrisée et/ou des mélanges à granulométrie maîtrisée et à homogénéité accrue comparativement à des milieux granulaires obtenus par broyage et/ou mélange à sec. L'invention trouve préférentiellement son application pour la fabrication de pièces en céramique nucléaires, à savoir la fabrication de combustible nucléaire, notamment des pastilles de combustible nucléaire. L'invention propose ainsi un dispositif de broyage cryogénique de poudres comportant des média de broyage sous forme de gaz cryogénique solidifié, ainsi qu'un procédé de broyage associé.The present invention relates to the field of cryogenic grinding of powders, in particular actinide powders comprising in particular uranium oxide powders (UO 2) and / or plutonium oxide powders (PuO 2), for obtaining controlled particle size powders and / or mixtures with controlled particle size and increased homogeneity compared to granular media obtained by grinding and / or dry mixing. The invention is preferably used for the manufacture of nuclear ceramic parts, namely the manufacture of nuclear fuel, in particular nuclear fuel pellets. The invention thus proposes a device for the cryogenic grinding of powders comprising grinding media in the form of a solidified cryogenic gas, as well as an associated grinding method.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURESTATE OF THE PRIOR ART

Les opérations de broyage sont relativement courantes dans l'industrie et ce dans le cadre de nombreux domaines. Suivant les applications, il est mis en oeuvre des broyeurs pouvant être très différents selon les charges à broyer et leur aptitude à la fragmentation tels que par exemple des broyeurs à couteaux, à fléaux, marteaux, à rouleau, à boulets, à jets d'air, entre autres.Grinding operations are relatively common in the industry in many areas. Depending on the applications, it is possible to use grinders that can be very different depending on the loads to be milled and their ability to fragment such as, for example, knife mills, flail mills, hammers, rollers, ball mills, jet mills. air, among others.

Ces différents dispositifs exploitent quatre grands mécanismes induisant la fragmentation de la charge à l'origine de la réduction de taille des particules constitutives de la charge à broyer, à savoir : l'impaction ; le cisaillement ; la compression ; et l'attrition.These different devices exploit four major mechanisms inducing the fragmentation of the charge at the origin of the size reduction of the particles constituting the charge to be ground, namely: impaction; shearing; the compression ; and attrition.

Dans le cadre de la fabrication de pièces en céramique comme les combustibles nucléaires, il est classiquement et industriellement mis en oeuvre des broyeurs à boulets pour co-broyer des poudres d'oxydes d'uranium et de plutonium. Des documents comme la monographie « Process engineering of size réduction : bail milling », Austin L.G. et al., AIME, 1984 ou les brevets GB 189626501 A, US 6,473,336 A, US 2,235,985 A et US 2,041,287 A décrivent plusieurs versions de ces broyeurs à boulets pouvant être utilisés pour ce type d'application.In the context of the manufacture of ceramic parts such as nuclear fuels, ball mills are conventionally and industrially used for co-grinding powders of uranium and plutonium oxides. Documents such as the "Process engineering of size reduction: lease milling" monograph, Austin LG et al., AIME, 1984 or GB 189626501A, US 6,473,336A, US 2,235,985A and US 2,041,287A describe several versions of these mills. balls that can be used for this type of application.

Il faut néanmoins noter que ces dispositifs souffrent de plusieurs inconvénients, et notamment : la pollution de la charge par l'abrasion induite au droit des boulets et de la cuve de broyage (pour minimiser cet effet, il est potentiellement utilisé des boulets en uranium dans l'industrie nucléaire) ; une difficulté à piloter le processus de broyage d'une manière continue afin d'éviter des phénomènes comme le surbroyage ou la réagglomération ; des cinétiques de broyage relativement longues induisant des temps d'opération à respecter qui sont contraignants (plusieurs heures de broyage nécessaires pour quelques centaines de grammes à dizaines de kilogrammes à traiter dans le cas des opérations sur combustibles nucléaires) sans quoi la charge broyée peut ne pas être suffisamment homogène et/ou broyée ; et la difficulté à pouvoir oeuvrer en continue sans risque d'accumulation et de colmatage de la charge solide, surtout lorsque celle-ci est peu coulable, ce qui est fréquent pour le cas des poudres d'oxyde d'uranium et de plutonium.It should nevertheless be noted that these devices suffer from several drawbacks, and in particular: the pollution of the load by the abrasion induced by the balls and the grinding tank (to minimize this effect, it is potentially used uranium balls in the nuclear industry); difficulty in controlling the grinding process in a continuous manner to avoid phenomena such as over-grinding or reagglomeration; relatively long grinding kinetics inducing times of operation which are binding (several hours of grinding necessary for a few hundred grams to tens of kilograms to be treated in the case of nuclear fuel operations) otherwise the crushed load may not not be sufficiently homogeneous and / or crushed; and the difficulty of being able to work continuously without the risk of accumulation and clogging of the solid filler, especially when it is not very flowable, which is common in the case of uranium oxide and plutonium powders.

Des évolutions ont donc été proposées selon les applications avec notamment le brevet US 4,715,547 A mettant en œuvre un broyage en phase liquide. A noter que ce type de dispositif ne répond pas non plus à la problématique posée car les liquides envisagés sont des phases aqueuses ou organiques générant des risques (dont la criticité et la radiolyse) et des effluents très contraignants pour certaines charges à broyer (poudres de matière fissile, réagissant avec l'eau ou certains organiques,...).Evolutions have therefore been proposed according to the applications with, in particular, US Pat. No. 4,715,547 A implementing grinding in the liquid phase. It should be noted that this type of device does not answer either the problem posed because the liquids envisaged are aqueous or organic phases generating risks (including criticality and radiolysis) and very constraining effluents for certain loads to be milled (powders of fissile material, reacting with water or some organic, ...).

Sachant que pour minimiser les énergies à mettre en œuvre lors du broyage, il est aussi possible de rendre fragile le matériau en le refroidissant à des températures relativement basses, à savoir classiquement inférieures à -50°C, certains dispositifs de broyage connus mettent en œuvre un refroidissement cryogénique de la charge à broyer avant de la traiter, comme décrit dans la demande WO 2008/110517 Al. Il faut tout de même noter que ce type de broyeur cryogénique ne permet pas d'avoir un broyage rapide comme ce qui est atteignable en voie liquide. D'autres dispositifs comme ceux décrits dans US 3,734,412 A, EP 2 535 114 Al, GB 1 508 941 Al ou EP 1405 927 Al mettent en œuvre des suspensions constituées d'un gaz liquéfié et d'une charge à broyer favorisant l'efficacité du broyage et du mélange. Néanmoins, ces dispositifs mettent en œuvre des média de broyage qui induisent un risque de pollutions accrus ou qui n'intègrent pas d'élément permettant d'optimiser leur pilotage et d'en assurer une véritable conduite en continue. Enfin, les quantités employées d'azote liquide par unité de charge à broyer apparaissent importantes ce qui induit un coût et des niveaux de risques accrus.Knowing that to minimize the energy to be used during grinding, it is also possible to make the material fragile by cooling it to relatively low temperatures, that is to say classically below -50 ° C., certain known grinding devices implement a cryogenic cooling of the feedstock to be milled before treating it, as described in the application WO 2008/110517 A1. It should nevertheless be noted that this type of cryogenic mill does not make it possible to have a fast grinding as is attainable in liquid way. Other devices such as those described in US 3,734,412 A, EP 2,535,114 A1, GB 1,508,941 A1 or EP 1405,927 A1 implement suspensions consisting of a liquefied gas and a feedstock to be milled favoring efficiency. grinding and mixing. Nevertheless, these devices use grinding media that induce a risk of increased pollution or that do not include an element to optimize their control and ensure a true continuous driving. Finally, the quantities of liquid nitrogen used per unit of load to be milled appear important, which leads to increased cost and risk levels.

EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION

En conséquence, Il existe ainsi un besoin pour proposer un nouveau type de dispositif et de procédé de broyage cryogénique de poudres, notamment de poudres d'actinides. En particulier, il existe un besoin pour disposer d'un dispositif de broyage renfermant une phase de gaz liquéfié permettant une mise en suspension, ou au moins un brassage accru (comparativement à ce qui est atteignable en voie sèche) voire une fluidisation, de la charge granulaire à broyer, ou à broyer et à mélanger.Accordingly, there is thus a need to provide a new type of device and method cryogenic crushing powders, especially actinide powders. In particular, there is a need to have a grinding device containing a liquefied gas phase allowing suspension, or at least increased stirring (compared to what is achievable in the dry process) or even a fluidization, of the granular filler for grinding, or grinding and mixing.

Au-delà de la diminution de la granulométrie de la charge, il existe plus précisément un besoin pour pouvoir concomitamment : - minimiser l'énergie de broyage à appliquer pour cette opération, - améliorer l'homogénéité des mélanges de poudres à broyer, - minimiser les quantités de gaz liquéfié à mettre en œuvre, - limiter les pollutions des poudres à broyer, - limiter les échauffements des poudres, - éviter la génération d'effluents liquide (aqueux ou organiques), - limiter les risques de criticité lors de la mise en œuvre de matière fissile, - augmenter les cinétiques de broyage, - assurer une opération continue et pilotée du broyage de la charge. L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur notamment celles précitées ci-avant. L'invention a pour objet, selon l'un de ses aspects, un dispositif de broyage cryogénique de poudres, notamment de poudres d'actinides, caractérisé en ce qu'il comporte : - une cuve de broyage calorifugée sous pression, notamment entre 1 et 40 bars absolus, comprenant la charge de poudres à broyer, des média de broyage sous forme de gaz cryogénique solidifié et du gaz liquéfié, - un arbre moteur pour la mise en rotation de la cuve de broyage, - un dispositif d'analyse granulométrique laser associé à un dispositif de contre éclairage, - un système de génération et d'alimentation en suspensions poudres/gaz liquéfié, - un système de traitement de données et de pilotage du dispositif de broyage, le dispositif d'analyse granulométrique laser étant relié audit système de traitement et de pilotage, - un dispositif de production de média de broyage partir de gaz cryogénique solidifié, - un dispositif d'admission de gaz liquéfié et de gaz carbonique.Beyond the reduction in the particle size of the charge, there is more precisely a need to be able to concomitantly: - to minimize the grinding energy to be applied for this operation, - to improve the homogeneity of the powder mixtures to be ground, - to minimize the quantities of liquefied gas to be used, - limit the pollution of the powders to be ground, - limit the heating of the powders, - avoid the generation of liquid effluents (aqueous or organic), - limit the risks of criticality when placing use of fissile material, - increase the crushing kinetics, - ensure a continuous and controlled operation of the grinding of the load. The object of the invention is to at least partially remedy the needs mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art, in particular those mentioned above. According to one of its aspects, the subject of the invention is a device for the cryogenic grinding of powders, in particular actinide powders, characterized in that it comprises: a grinding vessel insulated under pressure, in particular between 1 and 40 bar absolute, comprising the charge of powders to be milled, grinding media in the form of solidified cryogenic gas and liquefied gas, - a drive shaft for rotating the milling vessel, - a particle size analyzer laser associated with a backlighting device, a system for generating and supplying powder suspensions / liquefied gas, a data processing system and controlling the grinding device, the laser particle size analysis device being connected to said processing and control system, - a device for producing grinding media from solidified cryogenic gas, - a device for the intake of liquefied gas and carbon dioxide.

De façon avantageuse, la présente invention peut s'appuyer sur plusieurs éléments du dispositif de broyage, à savoir : une cuve de broyage calorifugée et pressurisée ; un dispositif de limitation de la montée en pression ; des média de broyage (billes, boulets, galets, etc.) constitués éventuellement de glace carbonique renfermant ou non une partie de la charge à broyer pour éviter toute pollution de la charge à broyer ; des doseurs de gaz liquéfié et de la charge solide à introduire dans la cuve ; une mesure de sonde de niveau de la suspension de gaz liquéfié/solide ; un système de pilotage du broyeur et des dispositifs d'alimentation et de vidange en lien avec le broyeur ; une buse de culottage de la cuve de broyage reliée à une alimentation en dioxyde de carbone (C02) sous pression ; un dispositif de génération de boulets chargés en poudres à broyer.Advantageously, the present invention can rely on several elements of the grinding device, namely: a heat-insulated grinding vessel and pressurized; a device for limiting the rise in pressure; grinding media (balls, balls, rollers, etc.) optionally consisting of dry ice containing or not a portion of the load to be milled to avoid any pollution of the load to be milled; liquefied gas dosers and the solid charge to be introduced into the tank; a level probe measurement of the liquefied / solid gas suspension; a crusher control system and feeding and emptying devices in connection with the crusher; a pelletizing nozzle of the grinding vessel connected to a feed of carbon dioxide (CO2) under pressure; a device for generating pellets loaded with powders for grinding.

Parmi les effets techniques exploités avantageusement dans la présente invention, on peut notamment citer le broyage sans pollution des poudres en utilisant une configuration de broyage avec média de broyage sous forme de billes, boulets ou formes apparentées, constitués de gaz cryogénique solidifié, comportant ou non les poudres devant elles-mêmes être broyées. L'utilisation de gaz solidifié, comme la glace carbonique, n'induit en effet aucune pollution préjudiciable car la sublimation ultérieure du gaz solidifié, par exemple le C02, est rapide et totale dans les conditions normales de température et de pression. L'incorporation de poudres à broyer dans cette glace carbonique est principalement utilisée, optionnellement, pour augmenter si besoin la densité des média de broyage, ce qui confère si besoin plus d'efficacité au broyage.Among the technical effects advantageously exploited in the present invention, mention may be made of grinding without pollution of the powders by using a grinding configuration with grinding media in the form of beads, balls or related forms, consisting of solidified cryogenic gas, whether or not the powders must themselves be crushed. The use of solidified gas, such as dry ice, does not induce any detrimental pollution because the subsequent sublimation of the solidified gas, for example CO 2, is rapid and complete under normal conditions of temperature and pressure. The incorporation of powders for grinding in this dry ice is mainly used, optionally, to increase if necessary the density of the grinding media, which gives more efficient grinding if necessary.

La phase solide du gaz liquéfié constituant les média de broyage est choisie de telle sorte qu'elle soit plus dense que la phase liquide constitutive de la suspension. C'est le cas par exemple du C02 dont la phase solide est significativement plus dense que l'azote liquide, environ d'un facteur deux, l'azote liquide ayant une densité d'environ 0,8 et le C02 solide une densité d'environ 1,5. L'incorporation de la charge dans des média de glace carbonique permet par ailleurs d'accroître ce différentiel, comme le montre la figure 9 décrite par la suite.The solid phase of the liquefied gas constituting the grinding media is chosen so that it is denser than the liquid phase constituting the suspension. This is the case, for example, of CO 2, the solid phase of which is significantly denser than liquid nitrogen, about a factor of two, the liquid nitrogen having a density of about 0.8 and the solid CO 2 a density of about 1.5. The incorporation of the load in dry ice media also makes it possible to increase this differential, as shown in FIG. 9 described below.

Il est à noter que, de façon habituelle, un fluide cryogénique désigne ici un gaz liquéfié conservé à l'état liquide à basse température. Ce gaz liquéfié est inerte chimiquement dans les conditions de mise en oeuvre de l'invention, pour les poudres à mélanger/broyer.It should be noted that, in the usual way, a cryogenic fluid here designates a liquefied gas kept in the liquid state at low temperature. This liquefied gas is chemically inert under the conditions of implementation of the invention for the powders to be mixed / milled.

Le dispositif de broyage selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.The grinding device according to the invention may further comprise one or more of the following characteristics taken separately or in any possible technical combinations.

La cuve de broyage peut être orientée de façon verticale par rapport au plan horizontal sur lequel elle est disposée, ou bien encore de façon inclinée, par exemple par le biais d'un basculeur, en fonction de l'énergie à imposer au milieu à broyer.The grinding tank can be oriented vertically relative to the horizontal plane on which it is arranged, or even in an inclined manner, for example by means of a rocker, depending on the energy to be imposed on the medium to be crushed. .

La cuve de broyage peut avantageusement être constituée d'un tamis.The grinding tank may advantageously consist of a sieve.

Les média de broyage peuvent être constitués de gaz cryogéniques solidifés et de la charge à broyer.The grinding media may consist of solidified cryogenic gases and the charge to be milled.

Les média de broyage peuvent notamment comporter des boulets, des billes et/ou des galets, entre autres.The grinding media may in particular comprise balls, balls and / or rollers, among others.

La vitesse de rotation de l'arbre moteur peut osciller entre quelques dizaines de tours par minute à quelques centaines de tours par minute.The speed of rotation of the motor shaft can oscillate between a few tens of revolutions per minute to a few hundred revolutions per minute.

Le système de traitement de données et de pilotage du dispositif de broyage peut traiter des données issues notamment de : la mesure de pression régnant au sein de la cuve de broyage ; la mesure des quantités de matières introduites par les doseurs de la charge solide et du gaz liquéfié ; la granulométrie de la charge mise en suspension et broyée en cours d'opération.The data processing and control system of the grinding device can process data derived in particular from: the pressure measurement prevailing within the grinding vessel; the measurement of the quantities of materials introduced by the solid and liquefied gas dosers; the particle size of the load suspended and milled during operation.

Le système de traitement de données et de pilotage du dispositif de broyage peut notamment assurer par action contrôle-commande : la constance du ratio entre quantité de gaz liquide et charge solide ; l'adaptation des paramètres de broyage, tels que vitesse de rotation et temps de broyage, voire de l'inclinaison, en fonction des consignes et des mesures précitées constatées.The data processing and control system of the grinding device can in particular ensure by control-command action: the constancy of the ratio between quantity of liquid gas and solid charge; the adaptation of the grinding parameters, such as rotational speed and grinding time, or even inclination, according to the instructions and measures mentioned above.

Les média de broyage sous forme de gaz cryogénique sont avantageusement des boulets de glace carbonique, chargée ou non en matériaux à broyer pour éventuellement augmenter la densité des boulets sans introduire de pollution au niveau des poudres.The grinding media in the form of a cryogenic gas are advantageously dry ice balls, whether or not loaded with materials to be milled in order to possibly increase the density of the balls without introducing pollution at the level of the powders.

Le dispositif de production de média de broyage peut ainsi comporter un générateur de neige carbonique par détente de dioxyde de carbone (C02), liquide ou gazeux, et compaction de celle-ci au sein d'un système de compaction donnant la forme souhaitée du média de broyage.The grinding media production device can thus comprise a carbon dioxide snow generator by expansion of carbon dioxide (CO2), liquid or gaseous, and compaction thereof within a compaction system giving the desired shape of the media. grinding.

Le système de compaction peut notamment être constitué par un dispositif de type presse à rouleaux apte à appliquer la pression de compaction. De plus, afin d'incorporer une partie de charge solide au sein des boulets, les poudres à broyer peuvent être mises en suspension avec du dioxyde de carbone (C02) liquide avant d'être détendu.The compaction system can in particular be constituted by a roller-type device capable of applying the compaction pressure. In addition, in order to incorporate a portion of solid filler within the balls, the powders to be grinded can be suspended with liquid carbon dioxide (CO 2) before being expanded.

La cuve de broyage peut comporter une admission de dioxyde de carbone (C02) permettant de former une couche de glace carbonique sur les parois intérieures dans la cuve, comme le montre la figure 4B décrite par la suite. Celui-ci peut être liquide et/ou gazeux, pouvant être introduit à différentes températures, soit pour générer de la glace carbonique, soit pour la sublimer en fin d'opération. A noter que la cuve de broyage peut être équipée d'un panier tamis, comme le montre la figure 2 décrite par la suite, pour permettre un mouillage accru du dioxyde de carbone C02 liquide pouvant être introduit avant le broyage et la charge pour former après refroidissement, par introduction du gaz liquéfié plus froid tel que par exemple de l'azote liquide, une couche de glace carbonique adhérente à la paroi et constituant ainsi une couche protectrice de la cuve pour éviter la pollution de la charge à broyer par abrasion de la cuve et pour éviter également le passage des fines particules de poudres par les mailles du tamis. Après sublimation/évaporation de la phase solide de gaz cryogénique obturant les mailles du panier tamis, une vidange peut être opérée de la partie granulométrique d'intérêt. Par la suite un autre cycle peut être opéré.The grinding tank may include a carbon dioxide (CO 2) inlet for forming a dry ice layer on the inner walls in the tank, as shown in Figure 4B described below. This can be liquid and / or gaseous, which can be introduced at different temperatures, either to generate dry ice, or to sublimate it at the end of the operation. Note that the grinding tank can be equipped with a sieve basket, as shown in Figure 2 described below, to allow increased wetting of the liquid carbon dioxide C02 can be introduced before grinding and charging to form after cooling, by introducing liquefied gas colder such as for example liquid nitrogen, a layer of dry ice adhering to the wall and thus constituting a protective layer of the tank to prevent pollution of the load to grind by abrasion of the and also to prevent the passage of fine powder particles through the mesh of the sieve. After sublimation / evaporation of the solid phase of cryogenic gas closing the mesh of the sieve basket, a drain can be operated of the particle size of interest. Subsequently another cycle can be operated.

Le dispositif de broyage peut comporter en outre une soupape de décharge pour permettre de limiter la pression au sein de la cuve de broyage.The grinding device may further comprise a relief valve to allow to limit the pressure within the grinding vessel.

De plus, le système de génération et d'alimentation en suspensions poudres/gaz liquéfié, peut comprendre : - un doseur de poudres et de gaz liquéfié, - une boucle de recirculation des suspensions après introduction dans la cuve de broyage par le biais d'une vanne de recirculation et d'une pompe permettant de réinjecter les suspensions dans la cuve de broyage.In addition, the system for generating and supplying powder suspensions / liquefied gas, may comprise: - a doser of powders and liquefied gas, - a recirculation loop suspensions after introduction into the grinding tank through a recirculation valve and a pump for reinjecting the suspensions into the grinding chamber.

Le dispositif de broyage peut également comporter un dispositif de charge électrostatique des poudres à broyer.The grinding device may also include a device for electrostatically charging the powders to be grinded.

Le dispositif de broyage peut de plus comporter un dispositif piézoélectrique et/ou une sonotrode pour l'application de vibrations mécaniques et/ou acoustiques en cas de besoin.The grinding device may further comprise a piezoelectric device and / or a sonotrode for the application of mechanical and / or acoustic vibrations when necessary.

En outre, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de broyage cryogénique de poudres, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au moyen d'un dispositif tel que défini précédemment.In addition, another subject of the invention is, according to another of its aspects, a process for the cryogenic grinding of powders, characterized in that it is implemented by means of a device as defined above.

Le procédé peut mettre en œuvre une quantité volumique de gaz liquéfié compris entre la porosité du lit de poudre à broyer, notamment de l'ordre de 40 à 50 % du volume apparent de la poudre, et le volume apparent du lit de poudre.The method may implement a volume amount of liquefied gas between the porosity of the bed of powder to be ground, in particular of the order of 40 to 50% of the apparent volume of the powder, and the apparent volume of the bed of powder.

Le procédé peut être appliqué à des poudres d'actinides.The process can be applied to actinide powders.

Le procédé peut comporter les étapes suivantes : - éventuellement, introduction de dioxyde de carbone pressurisé ou liquéfié au sein de la cuve de broyage pour former une couche de glace carbonique, afin de limiter toute pollution de la charge à broyer par abrasion de la cuve (il s'agit là d'une phase similaire à un culottage), - introduction de média de broyage sous forme de boulets de glace carbonique dans la cuve de broyage, - dosage de la charge de poudres à broyer, - introduction de la charge de poudres à broyer dosée dans la cuve de broyage, - introduction d'une quantité spécifiée de gaz liquéfié dans la cuve de broyage, afin de garantir un brassage accru (comparativement à un broyage en phase sèche) voire une fluidisation de la charge solide à broyer, - mise en rotation de la cuve de broyage et éventuellement inclinaison de la cuve de broyage selon des cycles prédéterminés, - suivi des paramètres du dispositif de broyage, notamment vitesse de rotation, degré d'inclinaison, ajustement de la quantité de liquide et de solide, granulométrie de la charge en suspension, et pilotage de ces paramètres par le biais d'un module de contrôle-commande, - arrêt du broyage sur franchissement d'un seuil d'un ou de plusieurs paramètres cibles, notamment granulométrie de la charge solide en suspension, - mise à température ambiante de la cuve de broyage pour évaporer la phase de gaz liquéfié, - séparation, par exemple par tamisage, ou sublimation des boulets de broyage et de la charge broyée.The process may comprise the following steps: - optionally, introduction of pressurized or liquefied carbon dioxide into the grinding vessel to form a layer of dry ice, in order to limit any pollution of the feed to be grinded by abrasion of the vessel ( this is a similar phase to a culottage), - introduction of grinding media in the form of dry ice pellets into the grinding tank, - dosing of the feed of powders to grind, - introduction of the feedstock. grinding powders dosed in the grinding tank, - introduction of a specified amount of liquefied gas into the grinding tank, in order to guarantee an increased mixing (compared with grinding in the dry phase) or even a fluidization of the solid charge to grind - rotating the grinding tank and optionally inclining the grinding vessel in predetermined cycles, - monitoring the parameters of the grinding device, in particular rotational speed, degree of inclination, adjustment of the quantity of liquid and solids, particle size of the suspended charge, and control of these parameters by means of a control-command module, - stop of the grinding on crossing a threshold of one or more target parameters, in particular particle size of the suspended solid filler, - ambient temperature of the grinding vessel for evaporating the liquefied gas phase, - separation, for example by sieving, or sublimation of the grinding balls and the crushed load.

Lorsqu'un besoin d'augmenter la densité des boulets de broyage existe, l'étape d'introduction de média de broyage sous forme de boulets de glace carbonique dans la cuve de broyage peut comporter les étapes suivantes : - dosage d'une partie spécifiée de la charge à broyer, - mélange de la charge dosée avec un volume donné de dioxyde de carbone liquéfié, - introduction de la suspension charge/dioxyde de carbone dans un réservoir de détente pour former une neige carbonique chargée à la teneur spécifiée en solide, - pressage de la neige carbonique ainsi chargée sur une empreinte, ou moule, sphérique par le biais d'une presse à rouleaux, - introduction dans la cuve de broyage des boulets de glace carbonique chargés ainsi obtenus.When a need to increase the density of the grinding balls exists, the step of introducing grinding media in the form of dry ice balls into the grinding tank can comprise the following steps: - dosage of a specified portion the charge to be ground, - mixing the metered charge with a given volume of liquefied carbon dioxide, - introducing the charge / carbon dioxide suspension into an expansion tank to form a loaded dry ice at the specified solids content, - Pressing the carbon dioxide snow thus loaded on a cavity, or mold, spherical by means of a roller press, - introduction in the crushing tank of charged carbon dioxide pellets thus obtained.

Le dispositif et le procédé de broyage selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.The device and the grinding method according to the invention may comprise any of the features set forth in the description, taken alone or in any technically possible combination with other characteristics.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de dispositif de broyage conforme à l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement un exemple de cuve de broyage pour un dispositif de broyage conforme à l'invention tel que celui de la figure 1, - la figure 3 illustre la variation du paramètre U, soit le ratio entre le volume apparent de la charge à broyer et celui des média de broyage, pour U<1, U = 1 et U > 1 dans la cuve de broyage, - les figures 4A et 4B illustrent, respectivement dans le cas d'une cuve avec tamis et dans le cas d'une cuve pleine, deux types de culottage à la glace carbonique pouvant être obtenus par le procédé conforme à l'invention, - les figures 5 et 6 illustrent schématiquement différentes configurations de dispositifs de broyage selon l'orientation de l'axe de rotation de la cuve de broyage pour un dispositif et un procédé conformes à l'invention, - la figure 7 illustre l'évolution de l'énergie en fonction de la taille/granulométrie des poudres à broyer, - la figure 8 représente la force centrifuge et la force de gravité appliquées à un boulet lors de l'opération de broyage, - la figure 9 représente l'évolution de la masse volumique des boulets de glace carbonique en fonction de la fraction volumique de solide (cas de l'oxyde de plutonium) dans les boulets, - la figure 10 représente l'évolution type de la granulométrie de poudres en fonction du temps de broyage dans un broyeur à boulets, soit précisément l'évolution du pourcentage volumique par rapport à la taille des particules de poudres à considérer, - les figures 11A et 11B illustrent deux clichés pris au microscope électronique à balayage (MEB) selon deux échelles de visualisation de la poudre d'U02 mise en oeuvre dans un des exemples de la présente invention, - les figures 12A et 12B illustrent deux clichés pris au MEB selon deux échelles de visualisation de la seconde poudre de Pu02 mise en oeuvre dans un des exemples de réalisation de la présente invention, - les figures 13 et 14 illustrent la microstructure d'un combustible UPu02 réalisé par un procédé de fabrication selon l'invention pour une énergie de broyage minimale (quasi simple mélange) et après réalisation d'une phase de densification thermique (cf. figure 15), - la figure 15 représente le cycle de frittage appliqué à la pastille de UPu02 réalisée par un procédé selon l'invention, - la figure 16 permet la comparaison des voies de broyage (voie de référence simple mélange (au turbulat), voie broyeur à boulets en phase sèche et broyeur voie N2L selon l'invention, et - la figure 17 illustre l'impact du broyage de la présente invention, comparativement à d'autres voies de référence telles que précitées, sur la surface spécifique de la charge à broyer et sa granulométrie.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be better understood on reading the detailed description which follows, non-limiting examples of implementation thereof, as well as the examination of the figures, schematic and partial, of the accompanying drawing, in which: - Figure 1 schematically illustrates an example of grinding device according to the invention, - Figure 2 schematically illustrates an example of grinding tank for a grinding device according to the invention such as that FIG. 3 illustrates the variation of the parameter U, ie the ratio between the apparent volume of the feed to be ground and that of the grinding media, for U <1, U = 1 and U> 1 in the tank. 4A and 4B illustrate, respectively in the case of a sieve tank and in the case of a full tank, two types of dry ice pelletization obtainable by the process according to the invention. - Figures 5 and 6 illustrate different configurations of grinding devices according to the orientation of the axis of rotation of the grinding chamber for a device and a method according to the invention; FIG. 7 illustrates the evolution of the energy as a function of the size / granulometry of the powders to be ground, - figure 8 represents the centrifugal force and the force of gravity applied to a ball during the grinding operation, - figure 9 represents the evolution of the density of the dry ice balls. as a function of the volume fraction of solid (case of plutonium oxide) in the balls, - FIG. 10 represents the typical evolution of the particle size distribution of powders as a function of the milling time in a ball mill, specifically evolution of the percentage by volume with respect to the size of the powder particles to be considered, FIGS. 11A and 11B illustrate two images taken by scanning electron microscope (SEM) on two scales In the examples of the present invention, FIGS. 12A and 12B illustrate two images taken at the SEM according to two viewing scales of the second PuO 2 powder used in one of the FIGS. Embodiments of the present invention, - Figures 13 and 14 illustrate the microstructure of UPu02 fuel produced by a manufacturing method according to the invention for minimal grinding energy (almost simple mixing) and after completion of a phase thermal densification (cf. FIG. 15); FIG. 15 represents the sintering cycle applied to the UPuO 2 pellet made by a process according to the invention; FIG. 16 allows the comparison of the grinding paths (simple mixing reference path (to turbulence), ball mill method in the dry phase and mill N2L route according to the invention, and - Figure 17 illustrates the impact of the milling of the present invention, compared to other reference channels as mentioned above, on the specific surface of the load to be milled and its granulometry.

Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.In all of these figures, identical references may designate identical or similar elements.

De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.In addition, the different parts shown in the figures are not necessarily in a uniform scale, to make the figures more readable.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS

Il est noté que dans les exemples de réalisation décrits ci-après, les poudres considérées sont des poudres d'actinides permettant la fabrication de pastilles de combustible nucléaire. De plus, le fluide cryogénique considéré est ici de l'azote liquéfié. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à ces choix.It is noted that in the embodiments described hereinafter, the powders under consideration are actinide powders for the manufacture of nuclear fuel pellets. In addition, the cryogenic fluid considered here is liquefied nitrogen. However, the invention is not limited to these choices.

En référence à la figure 1, on a représenté un exemple de dispositif de broyage 1 conforme à l'invention, et en référence à la figure 2, une vue agrandie de la cuve de broyage 2 de ce dispositif 1.Referring to Figure 1, there is shown an example of grinding device 1 according to the invention, and with reference to Figure 2, an enlarged view of the grinding chamber 2 of the device 1.

Le dispositif de broyage 1 comporte ainsi une cuve de broyage 2, constituée d'une cuve pleine 2' comme sur la figure 2 ou optionnellement d'un panier tamis 2' comme sur la figure 4A, calorifugée sous pression, comprenant la charge de poudres P à broyer, des média de broyage Bo sous forme de boulets de glace carbonique et du gaz liquéfié GL. Il est ainsi formé un lit boulets Bo/charge de poudres P avec gaz liquéfié GL.The grinding device 1 thus comprises a grinding tank 2, consisting of a full tank 2 'as in FIG. 2 or optionally a sieve basket 2' as in FIG. 4A, heat-insulated under pressure, comprising the powder filler P to grind, Bo grinding media in the form of dry ice pellets and liquefied gas GL. It is thus formed a ball bed Bo / powder charge P with liquefied gas GL.

De plus, le dispositif 1 comporte un arbre moteur 30 pour la mise en rotation de la cuve de broyage 2', et un dispositif d'analyse granulométrique laser 3 associé à un dispositif de contre éclairage 4. L'arbre moteur 30 est évidé pour permettre le passage du dispositif de contre éclairage 4, ici sous la forme d'une fibre optique liée au dispositif d'analyse granulométrique laser 3.In addition, the device 1 comprises a drive shaft 30 for rotating the milling vessel 2 ', and a laser particle size analysis device 3 associated with a counter-lighting device 4. The motor shaft 30 is hollowed out for allow the passage of the backlight device 4, here in the form of an optical fiber connected to the laser particle size analysis device 3.

En outre, le dispositif de broyage 1 comporte un système de génération et d'alimentation 5 en suspensions poudres/gaz liquéfié, et un système de traitement de données et de pilotage 6 du dispositif de broyage 1, le dispositif d'analyse granulométrique laser 3 étant relié à ce système de traitement et de pilotage 6.In addition, the grinding device 1 comprises a system for generating and supplying 5 suspensions of powder / liquefied gas, and a data processing and control system 6 of the grinding device 1, the laser particle size analyzer 3 being connected to this processing and control system 6.

Plus précisément, le système de génération et d'alimentation 5 en suspensions poudres/gaz liquéfié, comprend : un doseur 20 de poudres P et de gaz liquéfié GL, et une boucle de recirculation 24 des suspensions après introduction dans la cuve de broyage 2 par le biais d'une vanne de recirculation 11 et d'une pompe 26, ou circulateur, permettant de réinjecter les suspensions dans la cuve de broyage 2.More specifically, the system for generating and supplying powder suspensions / liquefied gas comprises: a proportioner 20 of powders P and of liquefied gas GL, and a recirculation loop 24 of the suspensions after introduction into grinding tank 2 by through a recirculation valve 11 and a pump 26, or circulator, for reinjecting the suspensions in the grinding tank 2.

De plus, sur la figure 1, la référence CP désigne un capteur de pression et la référence 10 désigne une soupape de décharge.In addition, in Fig. 1, the reference CP denotes a pressure sensor and the reference numeral 10 designates a relief valve.

Par ailleurs, le dispositif 1 comporte un dispositif de production de média de broyage 8 sous forme de gaz cryogénique solidifié. Ce dispositif de production de média de broyage 8 comporte un générateur de neige carbonique 31 par détente de dioxyde de carbone, préférentiellement liquide, et compaction de la neige carbonique au sein d'un système de compaction 32 donnant la forme souhaitée du média de broyage Bo. Cela se fait par le biais d'un mélangeur 35 de poudres P et de dioxyde de carbone liquide C02L, puis passage dans une buse de distribution 34 et dans le système de compaction 32, préférentiellement constitué par un dispositif de type presse à rouleaux. Les boulets Bo sont alors introduits dans la cuve 2 par le biais d'une admission de boulets IBO.Furthermore, the device 1 comprises a device for producing grinding media 8 in the form of solidified cryogenic gas. This grinding media production device 8 comprises a carbon dioxide snow generator 31 by expansion of carbon dioxide, preferentially liquid, and compaction of the dry ice within a compaction system 32 giving the desired shape of the grinding media Bo . This is done by means of a powder mixer P and CO 2 L liquid carbon dioxide, then passing through a dispensing nozzle 34 and into the compaction system 32, preferably consisting of a roller press device. Bo balls are then introduced into the tank 2 through an admission of IBO balls.

De plus, la cuve de broyage 2 comporte une admission de dioxyde de carbone AD permettant de former une couche de glace carbonique au droit de la paroi interne de la cuve de broyage 2, si besoin.In addition, the grinding tank 2 comprises a carbon dioxide inlet AD for forming a dry ice layer to the right of the inner wall of the grinding tank 2, if necessary.

Par ailleurs, il faut noter que, sur la figure 2, la référence 40 désigne des roulements, la référence 41 désigne le calorifugeage, et la référence 42 désigne une conduite de recirculation reliée à la vanne 11.Furthermore, it should be noted that, in FIG. 2, the reference 40 designates bearings, the reference 41 designates the heat insulation, and the reference 42 designates a recirculation pipe connected to the valve 11.

En outre, le gaz liquéfié GL présent dans la cuve de broyage 2 peut être avantageusement présent selon une quantité limitée au volume permettant un juste dépassement de l'affleurement du lit de la charge à broyer, en intégrant le volume des média de broyage Bo. Le ratio entre le volume apparent de la charge à broyer et celui des média de broyage peut alors être donné par le paramètre U. La figure 3 illustre la variation du paramètre U, soit le ratio entre le volume apparent de la charge à broyer et celui des média de broyage, pour U < 1, U = 1 et U > 1 dans la cuve de broyage. En fonctionnement optimisé, la valeur de ce paramètre U peut osciller entre 0,6 et 1,2.In addition, the liquefied gas GL present in the grinding tank 2 may advantageously be present in a quantity limited to the volume allowing just exceeding the outcrop of the bed of the load to be ground, by integrating the volume of the grinding media Bo. The ratio between the apparent volume of the feedstock to be milled and that of the milling media can then be given by the parameter U. FIG. 3 illustrates the variation of the parameter U, ie the ratio between the apparent volume of the feed to be milled and that grinding media, for U <1, U = 1 and U> 1 in the grinding vessel. In optimized operation, the value of this parameter U can oscillate between 0.6 and 1.2.

Les figures 4A et 4B illustrent, respectivement dans le cas d'une cuve avec tamis et dans le cas d'une cuve pleine, deux types de culottage à la glace carbonique pouvant être obtenus par le procédé conforme à l'invention.Figures 4A and 4B illustrate, respectively in the case of a sieve tank and in the case of a full tank, two types of dry ice pelletization obtainable by the process according to the invention.

Ainsi, sur la figure 4A, au niveau de la paroi de la cuve 2, visible sur la portion agrandie de la partie gauche, un film liquide de dioxyde de carbone FLCo2 apparaît entre des portions de tamis Tarn, qui se transforme au bout d'un nombre entier Ne de cycles (d'admission alternative de C02 et de gaz liquéfié) en une couche de dioxyde de carbone Cc02-Thus, in FIG. 4A, at the level of the wall of the tank 2, visible on the enlarged portion of the left part, a liquid carbon dioxide film FLCo 2 appears between portions of Tarn sieve, which is transformed at the end of an integer number of cycles (alternating admission of CO 2 and liquefied gas) into a layer of carbon dioxide C 2 O 2

Sur la figure 4B, on visualise également la couche de dioxyde de carbone Cœ2 formée sur la paroi de la cuve 2, après culottage.FIG. 4B also shows the layer of carbon dioxide C 2 formed on the wall of the tank 2, after pelleting.

Les figures 5 et 6 permettent de visualiser deux types de dispositifs de broyage 1 selon l'invention. Ainsi, le dispositif de broyage 1 peut se présenter sous la forme d'un broyeur à boulets, comme illustré sur la figure 5 avec un plan de rotation vertical, ou sous la forme d'un broyeur de type planétaire, comme illustré sur la figure 6 avec un plan de rotation horizontal, ceux-ci étant néanmoins conçus de telle sorte qu'ils puissent renfermer un gaz liquéfié.Figures 5 and 6 show two types of grinding devices 1 according to the invention. Thus, the grinding device 1 may be in the form of a ball mill, as shown in FIG. 5 with a vertical plane of rotation, or in the form of a planetary mill, as illustrated in FIG. 6 with a plane of horizontal rotation, they are nevertheless designed so that they can contain a liquefied gas.

Pour ce faire, ils sont avantageusement calorifugés et équipés potentiellement d'une soupape de décharge 10 pour régler la pression de fonctionnement. De plus, optionnellement, afin de limiter la pollution des poudres P à broyer, les médias de broyage Bo sont constitués de gaz solidifié GS, par exemple du dioxyde de carbone C02, dont la densité est supérieure à la densité du gaz liquéfié GL utilisé dans le broyeur.To do this, they are advantageously insulated and potentially equipped with a relief valve 10 to adjust the operating pressure. In addition, optionally, in order to limit the pollution of powders P to grind, Bo grinding media consist of GS solidified gas, for example carbon dioxide CO2, whose density is greater than the density of liquefied gas GL used in the grinder.

Sur les figures 5 et 6, R représente le sens de rotation, Bo les boulets de glace carbonique, pouvant renfermer une partie de la poudre P à broyer/agglomérer, GS représente le gaz solidifié, GL représente le gaz liquéfié, GL + P représente la suspension ou barbotine cryogénique contenant le bain de gaz liquéfié GL et le lit de poudre P, et gP représente les grains de poudre.In FIGS. 5 and 6, R represents the direction of rotation, Bo the dry ice balls, which may contain part of the powder P to grind / agglomerate, GS represents the solidified gas, GL represents the liquefied gas, GL + P represents the cryogenic suspension or slip containing the liquefied gas bath GL and the powder bed P, and gP represents the powder grains.

Exemple de réalisation D'une manière générale, afin de limiter l'évaporation du gaz liquéfié GL, les dispositifs, par exemple le dispositif de broyage 1, seront conçus avec un souci d'isolation thermique (vase dewar, calorifuge spécifique, ...) et les poudres P à broyer pourront avantageusement et préalablement à la mise en contact avec l'azote liquide être refroidies. En outre, cela peut également être fait pour éviter des phénomènes de caléfaction. Pour ce faire, idéalement la température des poudres P serait diminuée en dessous de la température de Leidenfrost du gaz liquéfié utilisé, soit de l'ordre de -73°C pour l'azote liquide, tel que décrit dans « Gouttes inertielles : de la caléfaction à l'étalement », A.L. HIMBERT BIANCE, Thèse de doctorat de Paris VI, 2004.EXAMPLE OF IMPLEMENTATION In general, in order to limit the evaporation of the liquefied gas GL, the devices, for example the grinding device 1, will be designed with a concern for thermal insulation (dewar tank, specific heat insulation, etc.). ) and powders P to grind can advantageously and before contacting with the liquid nitrogen be cooled. In addition, this can also be done to avoid calefaction phenomena. To do this, ideally the temperature of the powders P would be decreased below the Leidenfrost temperature of the liquefied gas used, ie of the order of -73 ° C for liquid nitrogen, as described in "Inertial drops: from the staggering with spreading ", AL HIMBERT BIANCE, Thesis of doctorate of Paris VI, 2004.

Par ailleurs, pour dimensionner le volume de la cuve de broyage 2, il peut être avantageusement recherché une équirépartition entre le volume représentant les média de broyage Bo, le volume de la poudre P à broyer et la porosité du lit de poudre P. En introduisant les paramètres suivants : taux de remplissage de galets (J), taux de remplissage de poudre (fc), et coefficient de remplissage poudre-boulets (U), il peut être retenu les gammes suivantes : J est compris entre 10 %et 60 %, fc est compris entre 10 % et 50 %, et U est compris entre 0,6 et 1,4.Moreover, in order to size the volume of the grinding chamber 2, it can be advantageously sought an equidistribution between the volume representing the grinding media Bo, the volume of the powder P to be grinded and the porosity of the P powder bed. the following parameters: roller filling rate (J), powder filling rate (fc), and powder-ball (U) filling factor, the following ranges can be retained: J is between 10% and 60% , fc is between 10% and 50%, and U is between 0.6 and 1.4.

Afin de dimensionner un broyeur à boulets, il est possible de retenir la loi de bond décrivant la puissance à appliquer à la charge à broyer pour passer d'un diamètre moyen DI à un diamètre moyenIn order to size a ball mill, it is possible to retain the bond law describing the power to be applied to the load to be milled from an average diameter DI to an average diameter

où : W1 représente l'indice de travail ("work index" en anglais) (en kWh/t) ; DI représente le diamètre avant fractionnement ; D2 représente le diamètre après fractionnement.where: W1 represents the work index (in kWh / t); DI represents the diameter before fractionation; D2 represents the diameter after fractionation.

Classiquement, W1 évolue entre 4 et 40 (en fonction de la matière à broyer qui peut être plus ou moins friable/dure).Classically, W1 varies between 4 and 40 (depending on the material to be grinded which can be more or less friable / hard).

Plus généralement, la loi à retenir reliant l'énergie de broyage et la diminution de taille du matériau à broyer est fonction de la nature des matériaux mais aussi du domaine des particules à broyer (diamètre moyen en début et fin d'opération de broyage).More generally, the law to be retained connecting the grinding energy and the size reduction of the material to be milled is a function of the nature of the materials but also of the area of the particles to be milled (average diameter at the beginning and end of grinding operation) .

La figure 7 illustre l'évolution de l'énergie E en kWh/t en fonction de la taille des particules à broyer en μιτι, en y associant à chaque fois une loi spécifique dont laFIG. 7 illustrates the evolution of the energy E in kWh / t as a function of the size of the particles to be milled in μιτι, each time associating a specific law whose

forme générale est dE = - K.dx / xn, l'exposant n prenant respectivement les valeurs 1, 3/2 et 2 pour les lois de Kick (III), Bond (II) et Von Rittinger (I).The general form is dE = - K.dx / xn, the exponent n taking the values 1, 3/2 and 2 respectively for the laws of Kick (III), Bond (II) and Von Rittinger (I).

Pour le réglage des paramètres opératoires du broyeur à boulets 1, la vitesse de rotation du broyeur est classiquement réglée entre 60 et 80 % de la vitesse critique (Vc), et inférieure à 90 % de cette vitesse. Cette vitesse Vc correspond à l'équilibre des forces centrifuges et de gravité appliquée aux boulets de broyage, comme illustré par la figure 8 qui représente la force centrifuge Fc et la force de gravité appliquées à un boulet B.For the adjustment of the operating parameters of the ball mill 1, the speed of rotation of the mill is conventionally set between 60 and 80% of the critical speed (Vc), and less than 90% of this speed. This speed Vc corresponds to the equilibrium of the centrifugal forces and of the gravity applied to the grinding balls, as illustrated by FIG. 8 which represents the centrifugal force Fc and the force of gravity applied to a ball B.

De fait, cette vitesse est donnée par l'expression suivante :In fact, this speed is given by the following expression:

avec :with:

Di : diamètre intérieur du broyeur 1.Di: inner diameter of the mill 1.

Pour le cas d'un broyeur intégrant des médias avec de la carboglace contenant elle-même le solide à broyer, pour en augmenter la densité relative comparativement au gaz liquéfié utilisé comme milieu de broyage, la masse volumique des boulets pB est directement liée au taux d'incorporation du solide ε :In the case of a mill incorporating media with dry ice containing itself the solid to grind, to increase the relative density compared to the liquefied gas used as grinding medium, the density of the balls pB is directly related to the rate of incorporation of the solid ε:

La figure 9 représente l'évolution de la masse volumique pB des boulets B de glace carbonique en fonction de la fraction volumique de solide ε (cas de l'oxyde de plutonium) dans les boulets. D'une manière générale, le broyage en phase liquide peut être considéré plus efficace qu'en phase sèche dans la mesure où il peut favoriser la désagglomération des poudres P et permet de garder en suspension les fines, ce qui induit un broyage ciblé des grosses particules. Par ailleurs, dans le cas de la présente invention, l'emploi de gaz liquéfié GL rend fragile mécaniquement (du fait du fort refroidissement imposé) les matériaux à broyer, ce qui rend encore plus efficace l'opération de broyage.FIG. 9 represents the evolution of the density pB of the balls B of dry ice as a function of the volume fraction of solid ε (case of plutonium oxide) in the balls. In general, the grinding in the liquid phase can be considered more effective than in the dry phase insofar as it can promote the disagglomeration of powders P and allows to keep the fines in suspension, which induces a targeted grinding of large particles. Furthermore, in the case of the present invention, the use of liquefied gas GL mechanically fragile (because of the strong cooling imposed) the materials to be milled, which makes the grinding operation even more efficient.

De fait, sachant par ailleurs qu'une suspension génère des turbulences et une entropie de mélange supérieure à ce qui peut être obtenu en phase sèche pour uneIn fact, knowing moreover that a suspension generates turbulence and a mixing entropy higher than what can be obtained in the dry phase for a

même énergie transmise au broyeur, il est possible d'estimer que la durée de broyage nécessaire en phase liquide est inférieure à celle nécessaire à appliquer en phase sèche.the same energy transmitted to the mill, it is possible to estimate that the grinding time required in the liquid phase is less than that required to apply in the dry phase.

Dans le cadre d'un broyage via broyeur à boulets ou planétaire, les courbes d'évolution de la granulométrie peuvent être données par la figure 10 qui représente l'évolution de la granulométrie de poudres en fonction du temps de broyage dans un broyeur à boulets, soit précisément l'évolution du pourcentage volumique %vol par rapport à la taille Ta, les courbes tl, t2 et t3 représentant respectivement un temps t = lO.xh, un temps t = xh et un temps t = 0. A noter qu'en phase liquide, l'énergie transmise à la charge à broyer est supérieure à celle transmise en phase sèche. L'économie d'énergie peut atteindre près de 30%.In the context of grinding by ball mill or planetary mill, the evolution curves of the particle size distribution can be given in FIG. 10 which represents the evolution of the particle size distribution of powders as a function of the grinding time in a ball mill. , or precisely the evolution of the volume percentage% vol with respect to the size Ta, the curves tl, t2 and t3 respectively representing a time t = 10.0xh, a time t = xh and a time t = 0. Note that In the liquid phase, the energy transmitted to the load to be ground is greater than that transmitted in the dry phase. Energy saving can reach nearly 30%.

Exemple 1Example 1

En prenant en compte l'ensemble de ces considérations, les conditions suivantes de broyage, figurant dans le tableau 1, ont été retenues pour le broyage de poudres U02/Ce02:Taking all these considerations into account, the following grinding conditions, shown in Table 1, were retained for grinding U02 / CeO 2 powders:

Tableau 1Table 1

Les caractéristiques des poudres initiales et après broyage sont données à la figure 16 qui permet respectivement la comparaison des voies de broyage (voie de référence simple mélange, voie broyeur à boulets en phase sèche et broyeur voie N2LThe characteristics of the initial powders and after grinding are given in FIG. 16, which respectively allows the comparison of the grinding paths (single-melting reference path, dry-phase ball milling path and N2L grinding mill).

selon l'invention), et à la figure 17 qui donne l'évolution des surfaces spécifiques et de la granulométrie illustrant l'impact du broyage de la présente invention, comparativement à d'autres voies de référence, sur la surface spécifique de la charge à broyer et sa granulométrie.according to the invention), and in FIG. 17 which gives the evolution of the specific surfaces and the particle size, illustrating the impact of the grinding of the present invention, compared with other reference channels, on the specific surface of the load. to grind and its granulometry.

Le broyage a été réalisé durant 30 minutes et celui-ci a été comparé à une étape de broyage réalisé en phase solide ou à une étape de simple mélange parturbulat. Exemple 2The grinding was carried out for 30 minutes and this was compared to a grinding stage carried out in the solid phase or to a simple parturbulat mixing step. Example 2

Un autre exemple de réalisation a été réalisé avec des poudres d'U02 et Pu02. Pour cette application, l'énergie de broyage appliqué est proche de zéro pour estimer l'effet d'un quasi simple mélange.Another embodiment was made with UO 2 and PuO 2 powders. For this application, the grinding energy applied is close to zero to estimate the effect of a quasi simple mixture.

Les figures 13 et 14 illustrent la microstructure d'un combustible UPu02 réalisé par un procédé de fabrication selon l'invention, soit la microstructure du matériau final élaboré à partir du procédé selon invention, voie cryogénique en broyage doux durant 1 min avec un taux de charge massique de 50 %, pour une énergie minimale appliquée à la poudre de Pu02 et d'U02 utilisé pour réaliser un combustible nucléaire.FIGS. 13 and 14 illustrate the microstructure of an UPuO 2 fuel produced by a manufacturing method according to the invention, ie the microstructure of the final material produced from the process according to the invention, a cryogenic pathway in mild grinding for 1 min with a mass loading of 50%, for a minimum energy applied to the PuO 2 and UO 2 powder used to produce a nuclear fuel.

Le frittage a été réalisé avec les conditions suivantes en lien avec la figure 15 représentant le cycle de frittage appliqué à la pastille de UPu02 réalisée par le procédé selon l'invention, T désignant la température en °C, et t le temps en heures.The sintering was carried out with the following conditions in connection with FIG. 15 representing the sintering cycle applied to the UPuO 2 pellet made by the process according to the invention, T denoting the temperature in ° C, and t the time in hours.

La pression appliquée a été quant à elle assurée par une presse uniaxiale plutôt que par coulage/moulage sous pression. La pression appliquée était égale à entre 200 et 300 MPa. La proportion massique d'azote liquide comparativement à la poudre était d'environ 50 % en masse.The applied pressure was provided by a uniaxial press rather than casting / die casting. The pressure applied was between 200 and 300 MPa. The mass proportion of liquid nitrogen compared to the powder was about 50% by weight.

Les poudres utilisées pour cette fabrication étaient les suivantes :The powders used for this manufacture were as follows:

Source uranium : poudres U02 issues d'un procédé de synthèse dit voie sèche et 8 % en masse d'U308 brute (surface spécifique de 1,8 mV1)· Les figures 11A et 11B illustrent deux clichés pris au microscope électronique à balayage (MEB) selon deux échelles de visualisation de cette poudre.Uranium source: U02 powders from a dry synthesis process and 8% by weight of crude U308 (1.8 mV1 specific surface) · Figures 11A and 11B illustrate two images taken under a scanning electron microscope (SEM) ) according to two scales of visualization of this powder.

Source plutonium : poudres d'oxyde de plutonium ; caractéristiques : surface spécifique de 5,7 m2/g- Les figures 12A et 12B illustrent deux clichés pris au MEB selon deux échelles de visualisation de cette poudre.Plutonium source: plutonium oxide powders; characteristics: specific surface area of 5.7 m2 / g. FIGS. 12A and 12B illustrate two images taken at the SEM according to two viewing scales of this powder.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.Of course, the invention is not limited to the embodiments which have just been described. Various modifications may be made by the skilled person.

Claims (13)

REVENDICATIONS 1. Dispositif de broyage (1) cryogénique de poudres (P), caractérisé en ce qu'il comporte : - une cuve de broyage (2) calorifugée sous pression, comprenant la charge de poudres (P) à broyer, des média de broyage (Bo) sous forme de gaz cryogénique solidifié et du gaz liquéfié (GL), - un arbre moteur (30) pour la mise en rotation de la cuve de broyage (2), - un dispositif d'analyse granulométrique laser (3) associé à un dispositif de contre éclairage (4), - un système de génération et d'alimentation (5) en suspensions poudres/gaz liquéfié, - un système de traitement de données et de pilotage (6) du dispositif de broyage (1), le dispositif d'analyse granulométrique laser (3) étant relié audit système de traitement et de pilotage (6), - un dispositif de production de média de broyage (8) à partir de gaz cryogénique solidifié, - un dispositif d'admission de gaz liquéfié et de gaz carbonique.1. Crushing device (1) cryogenic powder (P), characterized in that it comprises: - a grinding vessel (2) insulated under pressure, comprising the powder load (P) to grind, grinding media (Bo) in the form of solidified cryogenic gas and liquefied gas (GL), - a driving shaft (30) for rotating the milling vessel (2), - a laser particle size analyzer (3) associated a backlighting device (4), - a generation and feed system (5) in powder / liquefied gas suspension, - a data processing and control system (6) of the grinding device (1), the laser granulometric analysis device (3) being connected to said processing and control system (6), - a device for producing grinding media (8) from solidified cryogenic gas, - a gas admission device liquefied and carbon dioxide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce la cuve de broyage (2) est constituée d'un tamis.2. Device according to claim 1, characterized in that the grinding tank (2) consists of a sieve. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les média de broyage (Bo) sont constitués de gaz cryogéniques solidifés et de la charge à broyer.3. Device according to claim 1, characterized in that the grinding media (Bo) consist of solidified cryogenic gas and the load to grind. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une soupape de décharge (10).4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a discharge valve (10). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de génération et d'alimentation (5) en suspensions poudres/gaz liquéfié, comprend : - un doseur (20) de poudres (P) et de gaz liquéfié (GL), - une boucle de recirculation (24) des suspensions après introduction dans la cuve de broyage (2) par le biais d'une vanne de recirculation (11) et d'une pompe (26) permettant de réinjecter les suspensions dans la cuve de broyage (2).5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the generation system and feed (5) in suspensions powders / liquefied gas, comprises: - a doser (20) of powders (P) and gas liquefied (GL), - a recirculation loop (24) suspensions after introduction into the grinding tank (2) through a recirculation valve (11) and a pump (26) for reinjecting the suspensions in the grinding vessel (2). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les média de broyage (Bo) sous forme de gaz cryogénique sont des boulets de glace carbonique.6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the grinding media (Bo) in the form of cryogenic gas are dry ice balls. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de production de média de broyage (8) comporte un générateur de neige carbonique (31) par détente de dioxyde de carbone, liquide ou gazeux, et compaction de la neige carbonique au sein d'un système de compaction (32) donnant la forme souhaitée du média de broyage (Bo).7. Device according to claim 6, characterized in that the device for producing grinding media (8) comprises a carbon dioxide snow generator (31) by expansion of carbon dioxide, liquid or gaseous, and compaction of the dry ice at within a compaction system (32) giving the desired shape of the grinding media (Bo). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système de compaction (32) est constitué par un dispositif de type presse à rouleaux.8. Device according to claim 7, characterized in that the compaction system (32) is constituted by a roller press type device. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cuve de broyage (2) comporte une admission de dioxyde de carbone (AD) permettant de former une couche de glace carbonique sur les parois intérieures dans la cuve de broyage (2).9. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the grinding tank (2) comprises a carbon dioxide inlet (AD) for forming a layer of dry ice on the inner walls in the grinding vessel. (2). 10. Procédé de broyage cryogénique de poudres (P), caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au moyen d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.10. Process for the cryogenic grinding of powders (P), characterized in that it is implemented by means of a device according to any one of the preceding claims. 11. Procédé de broyage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une quantité volumique de gaz liquéfié (GL) compris entre la porosité du lit de poudre à broyer, notamment de l'ordre de 40 à 50 % du volume apparent de la poudre, et le volume apparent du lit de poudre.11. Grinding process according to claim 9, characterized in that it implements a volume quantity of liquefied gas (GL) between the porosity of the bed of powder to be ground, in particular of the order of 40 to 50% of the apparent volume of the powder, and the apparent volume of the powder bed. 12. Procédé de broyage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des poudres d'actinides.12. Grinding process according to claim 9, characterized in that it is applied to actinide powders. 13. Procédé de broyage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre au moyen d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, et en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - éventuellement, introduction de dioxyde de carbone pressurisé ou liquéfié au sein de la cuve de broyage (2) pour former une couche de glace carbonique, - introduction de média de broyage (Bo) sous forme de boulets de glace carbonique dans la cuve de broyage (2), - dosage de la charge de poudres (P) à broyer, - introduction de la charge de poudres (P) à broyer dosée dans la cuve de broyage (2), - introduction d'une quantité spécifiée de gaz liquéfié (GL) dans la cuve de broyage (2), - mise en rotation de la cuve de broyage (2) et éventuellement inclinaison de la cuve de broyage (2) selon des cycles prédéterminés, - suivi des paramètres du dispositif de broyage (1) et pilotage de ces paramètres par le biais d'un module de contrôle-commande, - arrêt du broyage sur franchissement d'un seuil d'un ou de plusieurs paramètres cibles, - mise à température ambiante de la cuve de broyage (2) pour évaporer la phase de gaz liquéfié (GL), - séparation ou sublimation des boulets de broyage (Bo) et de la charge broyée.13. Grinding method according to claim 9, characterized in that it is implemented by means of a device according to any one of claims 5 to 8, and in that it comprises the following steps: - optionally introduction of pressurized or liquefied carbon dioxide into the grinding chamber (2) to form a dry ice layer; - introduction of grinding media (Bo) in the form of dry ice pellets into the grinding chamber (2) ), - dosing of the powder charge (P) to be ground, - introduction of the powder charge (P) to be milled in the grinding tank (2), - introduction of a specified quantity of liquefied gas (GL) in the grinding tank (2), - rotating the grinding tank (2) and optionally inclining the grinding tank (2) according to predetermined cycles, - monitoring the parameters of the crushing device (1) and controlling of these parameters by means of a control-command module, - stop of grinding on crossing a threshold of one or more target parameters, - bringing the grinding chamber (2) to ambient temperature to evaporate the liquefied gas phase (GL), - separation or sublimation of the grinding balls (Bo ) and the crushed load.
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