La séparation et la transmutation des éléments radioactifs à ... - CEA

CEA i Décembre 2012
Figure 24 : Principe du procédé COCA
pour la fabrication de combustible RNR
Lubrifiant
PROCÉDÉ COCA
UPuO
UO
2
2 PuO 2 Chamotte
Dosage
Mélange
Co-broyage
Granulation
Pastillage
Frittage
Ar/H 2 1 700°C
Contrôles
Pastilles
Broyage
rebuts
Rebuts
3.3.3. Les technologies de fabrication
de combustibles porteurs
d’Actinides Mineurs
[DTS-19]
Les actinides mineurs présentent des spécificités par rapport
à l’uranium et au plutonium, notamment en termes de nuisances
radiologiques et de propriétés thermodynamiques qui
font que les procédés classiques ne peuvent s’appliquer tels
quels et que des adaptations, voire des innovations doivent
être recherchées.
L’américium qui est un émetteur gamma et plus encore le
curium qui est un puissant émetteur de neutrons, nécessitent, à
la différence des procédés actuels qui sont mis en œuvre en
boîtes à gants, un travail téléopéré. Cette contrainte très forte,
impose de développer des procédés les plus simples possibles,
limitant le nombre d’étapes et utilisant des technologies compatibles
avec un travail automatisé et téléopéré. La question des
très fines particules émises lors des opérations de broyage, de
granulation et d’éventuelle rectification des pastilles qui tendent
à s’accumuler dans les équipements, les filtres des enceintes et
sur les parois des cellules, constitue un problème radiologique
compte tenu des caractéristiques des isotopes qui seraient mis en
œuvre. Une des préoccupations pour les procédés du futur est
donc de viser à supprimer ces étapes pénalisantes.
Pour ce faire, on favorisera les procédés utilisant des précurseurs
déjà sous forme d’un mélange intime, tels que les solutions
solides (U,Am)O 2
comme les poudres coconverties ou
des mélanges homogènes à l’échelle des cristallites qui pourraient
éviter l’étape de broyage. Dans le même esprit, la mise
en œuvre de granulés ou de sphérules permettrait de s’affranchir
de l’étape de la granulation. Enfin, il faut favoriser
les procédés ne conduisant qu’à peu de déformation lors du
frittage de sorte à éviter le besoin de rectifier les pastilles. Enfin,
l’importante volatilité de l’américium lors d’un frittage
réactif incite à opérer avec une solution solide déjà formée ; le
risque de sublimation de l’américium, figé dans la structure,
est alors limité.
Compte tenu de la forte production d’hélium en cours d’irradiation,
une microstructure particulière pourrait s’avérer
nécessaire pour maîtriser le gonflement des pastilles combustibles.
On recherche notamment une porosité ouverte importante
pour favoriser la diffusion du gaz hors de la pastille.
Comme rappelé plus haut, la métallurgie des poudres est aujourd’hui
la voie de référence de laquelle découle l’essentiel
des données disponibles. Cette méthode a été utilisée pour la
production d’échantillons destinés aux irradiations expérimentales
Marios et Diamino.
Parmi les voies alternatives, la métallurgie des sphérules
semble intéressante tant par la simplification des étapes que
par la possibilité de réduire l’empoussièrement des équipements.
Deux voies sont étudiées :
n La première voie s’apparente à la métallurgie des poudres
conventionnelle dans laquelle les poudres auraient subi une
granulation conduisant à des sphères de taille maîtrisée. Les
sphérules permettent ainsi de fabriquer les pastilles qui sont
ensuite empilées de manière classique pour aboutir à une
aiguille de combustible.
n La deuxième voie utilise directement les sphérules pour fabriquer
les aiguilles de combustibles. Le procédé consiste à remplir
les aiguilles de granulés (procédé Vipac russe) ou de sphérules
(procédé Spherepac américain) de différentes classes
granulométriques et à densifier le remplissage sous l’effet de
vibrations (vibro-compaction). Cette technique apparaît très
attractive dans la mesure où elle offre une simplification extrême
mais le retour d’expérience est exclusivement étranger et
ne permet pas à ce stade de statuer sur la faisabilité technologique
pour une application mettant en œuvre des actinides
mineurs. Une qualification en réacteur sera ensuite nécessaire
pour se prononcer sur la viabilité du concept.
A toutes les étapes de la fabrication, de nouvelles technologies
d’équipement seront recherchées pour répondre au besoin de
changement d’échelle et à l’objectif d’une production industrielle.
Ces développements concerneront la technologie de coprécipitation,
le système de filtration, le four de calcination ou
encore la presse. L’apport de l’automatisation et de la robotique
sera évalué dans le but d’améliorer la gestion des chaînes
blindées. L’ensemble de ces procédés et équipements devra être
qualifié dans des conditions représentatives, d’abord sur des
plateformes en inactif puis au sein d’une installation active
préfigurant les futures installations de production.
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