FR2476368A1 - METHOD FOR RECOVERING NUCLEAR FUEL MATERIAL FROM AN IRRADIA AND SHEET NUCLEAR COMBUSTIBLE ELEMENT - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LA RECUPERATION, A PARTIR D'UN ELEMENT COMBUSTIBLE NUCLEAIRE IRRADIE, DU COMBUSTIBLE NUCLEAIRE CONTENU AU SEIN D'UNE GAINE METALLIQUE PROTECTRICE EN ACIER INOXYDABLE AUSTENITIQUE OU EN UN ALLIAGE DE NICKEL CUBIQUE A FACE CENTREE. LA COUCHE EXTERNE DE LA GAINE EST FRAGILISEE PAR MISE EN CONTACT AVEC UN AGENT DE NITRURATION (DE PREFERENCE L'AMMONIAC). UNE CONTRAINTE DE FLEXION SUIVIE D'UNE FLEXION INVERSE OU D'UNE ACTION DE CISAILLEMENT EST ENSUITE APPLIQUEE A LA GAINE POUR LA BRISER A L'AIDE, PAR EXEMPLE, D'UNE MACHINE A DRESSER A CYLINDRES. LA MATIERE COMBUSTIBLE (U ETOU PU) PEUT ETRE ENSUITE EXTRAITE PAR DISSOLUTION ET TRAITEE EN VUE DE SA REUTILISATION.THE INVENTION CONCERNS THE RECOVERY, FROM AN IRRADIATED NUCLEAR FUEL ELEMENT, OF NUCLEAR FUEL CONTAINED WITHIN A PROTECTIVE METAL SHEATH IN AUSTENITIC STAINLESS STEEL OR A CUBIC NICKEL ALLOY WITH A CENTERED FACE. THE OUTER LAYER OF THE SHEATH IS STRENGTHENED BY CONTACT WITH A NITRURING AGENT (PREFERREDLY AMMONIA). A BENDING STRESS FOLLOWED BY REVERSE BENDING OR SHEARING ACTION IS THEN APPLIED TO THE SHEATH FOR BREAKING IT USING, FOR EXAMPLE, A CYLINDER DRESSING MACHINE. THE COMBUSTIBLE MATERIAL (U ETOR PU) CAN THEN BE EXTRACTED BY DISSOLUTION AND TREATED FOR REUSE.
Description
La présente invention concerne un procécé ce récupération du combustibleThe present invention relates to a method for recovering fuel
nucléaire à partir d'éléments combustibles nucléaires irradiés, lorsque le combustible from irradiated nuclear fuel elements, where the fuel
nucléaire est contenu dans une gaine métallique protec- is contained in a protective metal sheath
trice et, en particulier, l'invention concerne la récupé- ration du combustible nucléaire à partir d'éléments combustibles nucléaires lorsque la gaine métallique protectrice est réalisée en acier inoxydable austénitique In particular, the invention relates to the recovery of nuclear fuel from nuclear fuel elements when the protective metal sheath is made of austenitic stainless steel.
ou en un alliage de nickel cubique à faces centrées. or a face-centered cubic nickel alloy.
Avant de traiter le combustible nucléaire irradié pour en séparer les produits de fission, il est habituel Before treating the used nuclear fuel to separate the fission products, it is usual
de séparer le combustible nucléaire de sa gaine protec- to separate the nuclear fuel from its protective sheath
trice,et la pratique actuelle consiste à cisailler ou sectionner mécaniquement en de courtes longueurs les éléments combustibles puis à en extraire, par dissolution préférentielle, la matière combustible. Cependant, l'entretien d'un appareillage de sectionnement mécanique exposé à un environnement radioactif est difficile, et l'opération de sectionnement engendre de la poussière fine, qui contamine la zone immédiate entourant la machine à sectionner et qui doit être maitrisée. Après dissolution du-combustible nucléaire, la solution obtenue est encore traitée pour séparer les produits de fission du combustible nucléaire réutilisable (uranium et plutonium) que l'on récupère et qui peut servir à fabriquer d'autres éléments combustibles destinés à un réacteur nucléaire. Les procédés de séparation sont bien connus en pratique et ils comprennent des procédés d'extraction au solvant en trice, and the current practice is to shear or section mechanically in short lengths the fuel elements and then extract, by preferential dissolution, the combustible material. However, the maintenance of a mechanical sectioning equipment exposed to a radioactive environment is difficult, and the sectioning operation generates fine dust, which contaminates the immediate area surrounding the cutting machine and must be mastered. After dissolving the nuclear fuel, the solution obtained is further processed to separate the fission products from the reusable nuclear fuel (uranium and plutonium) that is recovered and that can be used to manufacture other fuel elements for a nuclear reactor. Separation methods are well known in the art and include solvent extraction methods in which
utilisant du phosphate de tributyle comme agent d'ex- using tributyl phosphate as the
traction.traction.
Selon la présente invention, un procédé de According to the present invention, a method of
récupération du combustible nucléaire à partir d'un élé- recovery of nuclear fuel from a
ment combustible nucléaire irradié, procédé selon lequel le combustible nucléaire est contenu dans une gaine métallique protectrice en acier inoxydable austénitique ou en alliage de nickel cubique à faces centrées, comprend les étapes consistant à mettre la gaine en contact avec un agent de nitruration qui introduit des atomes d'azote dans le métal de la gaine pour provoquer la fragilisation de la couche superficielle externe de cette gaine, puis à briser cette gaine en la soumettant à une contrainte de flexion suivie d'une flexion inverse ou d'une action de cisaillement. Par "fragilisation",on n'entend pas désigner tout simplement une diminution de la ductilité mais une perte de ductilité telle qu'une rupture se produit sans déformation plastique appréciable. Une faible quantité The spent nuclear fuel method, wherein the nuclear fuel is contained in a protective metal sheath of austenitic stainless steel or a face-centered cubic nickel alloy, comprises the steps of contacting the sheath with a nitriding agent which introduces nitrogen atoms in the metal of the sheath to cause the embrittlement of the outer surface layer of the sheath, then to break this sheath by subjecting it to a bending stress followed by an inverse bending or shearing action. By "embrittlement" it is not meant to simply denote a decrease in ductility but a loss of ductility such that a break occurs without appreciable plastic deformation. A small amount
de déformation plastique est tolérable. plastic deformation is tolerable.
On peut conférer la contrainte de flexion suivie d'une flexion inverse éu d'une section -e cisaille4lent en faisant passer, après la nitruration, le combustible nucléaire gainé dans une machine à dresserà rouleaux ou cylindres, cette machine comprenant une cage à plusieurs The flexural stress followed by reverse bending and shearing section can be imparted by passing the sheathed nuclear fuel, after the nitriding, in a roller or cylinder straightener, which machine comprises a multi-roll cage.
cylindres comportant un certain nombre de cylindres supé- cylinders having a number of upper cylinders
rieurs et de cylindres inférieurs dont chacun est décalé de la moitié du diamètre d'un cylindre dans le sens du passage de dressage 'de sorte que le premier cylindre supérieur est disposé à mi-chemin entre les premier et second cylindres inférieurs). De telles machines sont and lower rollers each of which is offset by half the diameter of a roll in the direction of the dressing passage so that the first upper roll is disposed midway between the first and second lower rolls). Such machines are
plus couramment utilisées pour le finissage de métaux. more commonly used for finishing metals.
La nitruration ou l'introduction d'atomes d'azote dans l'acier en passant par la surface du métal Nitriding or the introduction of nitrogen atoms into steel through the metal surface
constitue un procédé couramment utilisé pour le traite- is a commonly used process for the treatment of
ment des aciers ferritiques afin d'en augmenter la dureté superficielle, et ce procédé peut être appliqué de même à des aciers austénitiques. Le procédé repose sur la dissolution de l'azote dans le réseau de l'acier et sur la formation de précipités de nitrures métalliques formés à la fois avec le fer de l'acier et avec des éléments d'alliage,comme le chrome,qui se trouvent en solution ferritic steels in order to increase the surface hardness thereof, and this method can be applied similarly to austenitic steels. The process relies on the dissolution of nitrogen in the steel network and the formation of metal nitride precipitates formed with both iron and alloying elements, such as chromium, which are in solution
solide dans le réseau cristallin de l'acier. Ces phéno- solid in the crystal lattice of steel. These phenomena
mènes augmentent la dureté de l'acier et en diminuent la ductilité; ils vont habituellement jusqu'à leur terme à mesure que l'azote pénètre dans l'acier, et l'on peut donc, en réglant le temps de nitruration, nitrurer seulement la couche externe d'une gaine d'acier. Donc, la nitruration de la couche superficielle externe seulement d'une gaine en acier a pour effet de produire une matière composite formée de deux couches ayant des propriétés mécaniques tout-à-fait différentes. La couche externe, but they increase the hardness of the steel and diminish its ductility; they usually go to completion as the nitrogen enters the steel, and thus, by adjusting the nitriding time, nitriding only the outer layer of a steel sheath. Thus, the nitriding of the outer surface layer only of a steel sheath has the effect of producing a composite material formed of two layers having quite different mechanical properties. The outer layer,
nitrurée et fragilisée, se craque facilement par com- nitrided and weakened, easily cracked by
pression en anneaux par exemple, mais la couche interne, encore non nitrurée, garde la ductilité de la matière de la gaine initiale. En soumettant la matière composite à une contrainte de flexion comme décrit ci-dessus, on peut cependant provoquer la propagation des craquelures tout autour de la gaine et jusqu'à la totalité de sa profondeur. Donc, en traitant des éléments combustibles nucléaires selon l'invention, on peut les briser nettement en de nombreux morceaux qui seront peu ou pas emprisonnés par de la matière de gaine déformée, ce qui permet une ring pressure for example, but the inner layer, still non-nitrided, retains the ductility of the material of the initial sheath. By subjecting the composite material to bending stress as described above, however, cracks can be propagated all around the sheath and up to its entire depth. Thus, by treating nuclear fuel elements according to the invention, they can be broken down into many pieces which will be little or not imprisoned by deformed sheath material, which allows a
extraction facile par lixiviation de la matière combustible. easy extraction by lixiviation of the combustible material.
Le taux de nitruration dépend d'un certain nombre de facteurs. On peut commodément le régler en limitant la température de nitruration et le temps d'exposition à The nitriding rate depends on a number of factors. It can be conveniently adjusted by limiting the nitriding temperature and the exposure time to
l'agent de nitruration ainsi qu'en choisissant cet agent. the nitriding agent and by choosing this agent.
Un agent préféré de nitruration provient de la dissociation thermique de l'ammoniac catalysée par des alliages à base de fer. La dissociation thermique peut être obtenue en A preferred nitriding agent is the thermal dissociation of ammonia catalyzed by iron-based alloys. Thermal dissociation can be obtained by
chauffant l'ammoniac ou un mélange d'ammoniac et d'hydro- heating ammonia or a mixture of ammonia and hydro-
gène à des températures comprises entre 5000 et 900'C, de préférence entre 6000 et 8000C. Ainsi, il a été montré expérimentalement que, par exposition à de l'ammoniac à gene at temperatures between 5000 and 900 ° C, preferably between 6000 and 8000C. Thus, it has been shown experimentally that, by exposure to ammonia at
6000 à 8000C, de la tubulure réalisée en un acier inoxy- 6000 to 8000C, tubing made of stainless steel
dable austénitique de type 316 se nitrure progressivement à partir de la surface externe et que la limite entre la austenitic type 316 dyke progressively nitrides from the outer surface and that the boundary between the
matière nitrurée et celle non nitrurée, qui est habituel- nitrided material and the non-nitrided one, which is usually
lement nette, s'éloigne de la surface à une vitesse clear, moves away from the surface at a speed
indépendante de la température entre 600 et 8000C. Cepen- independent of the temperature between 600 and 8000C. How-
dant, si l'agent de nitruration est un mélange d'hydrogène et d'ammoniac au lieu d'ammoniac seul, le potentiel de l'azote ne sera pas assez élevé pour que du nitrure de fer se forme comme du nitrure de chrome, et il a été observé que la vitesse de pénétration continue à augmenter avec la température au-dessus de 600'C. Par exemple, si on laisse la température atteindre 8500C, on peut obtenir en 24 heures une plus grande pénétration que dans le cas de l'utilisation de l'ammoniac pur. L'ajustement du rapport entre l'ammoniac et l'hydrogène dans le gaz de nitruration peut constituer un moyen supplémentaire de réglage du However, if the nitriding agent is a mixture of hydrogen and ammonia instead of ammonia alone, the nitrogen potential will not be high enough for iron nitride to form like chromium nitride. and it has been observed that the penetration rate continues to increase with the temperature above 600 ° C. For example, if the temperature is allowed to reach 8500C, a greater penetration can be obtained in 24 hours than in the case of the use of pure ammonia. Adjusting the ratio of ammonia to hydrogen in the nitriding gas may be an additional means of adjusting the
procédé et de la vitesse (et de l'étendue) de la pénétra- process and the speed (and extent) of penetration
tion. Le procédé de l'invention sera maintenant illustré tion. The method of the invention will now be illustrated
par la description suivante, présentée à titre d'exemple by the following description, given as an example
seulement, des étapes initiales de la récupération du combustible nucléaire à partir d'éléments combustibles nucléaires irradiés, lorsque les éléments combustibles sont des aiguilles contenant la matière combustible nucléaire au sein de gaines en acier austénitique et only, the initial stages of nuclear fuel recovery from irradiated nuclear fuel elements, when the fuel elements are needles containing the nuclear fuel material within austenitic steel sheaths and
lorsqu'un faisceau de telles aiguilles est situé à l'inté- when a bundle of such needles is located in
rieur d'une enveloppe en acier inoxydable pour former un sous-assemblage de combustible nucléaire dans lequel les stainless steel casing to form a nuclear fuel subassembly in which the
aiguilles sont positionnées à l'aide de grilles d'écarte- The needles are positioned using distance grids.
ment, les gaines étant réalisées en un acier inoxydable austénitique de type 316 ayant typiquement une composition comportant la présence des éléments suivants: Cr 16 à 18 %; Ni 10 à 14 %; Mo 2 à 3 %; C 0,04 à 0,06 %, Mn 1,5 à 2 % et Si jusqu'à 0,75 %, le reste étant constitué par Fe et par des impuretés accidentelles et inhérentes provenant de la fabrication de l'acier. En variante, les gaines peuvent être réalisées en des alliages de marque "Nipionic" comme "Ninonic PE16", qui est un alliage de nickel cubique à faces centrées ayant la composision suivante: Ni 42 à %; Cr 15 à 18 %; Mo 2,5 à 4 %; Ti 1,1 à 1,5 %; Ai 1,1 à 1,5 %; C 0,05 à 0,1 % et B 0,005 0,01 %; le The sheaths are made of type 316 austenitic stainless steel typically having a composition having the presence of the following elements: Cr 16 to 18%; Neither 10 to 14%; Mo 2 to 3%; C 0.04 to 0.06%, Mn 1.5 to 2% and Si up to 0.75%, the remainder being Fe and accidental and inherent impurities from the manufacture of steel. Alternatively, the sheaths may be made of "Nipionic" brand alloys such as "Ninonic PE16", which is a face-centered cubic nickel alloy having the following composition: Ni 42 to%; Cr 15 to 18%; Mo 2.5 to 4%; Ti 1.1 to 1.5%; 1.1 to 1.5%; C 0.05 to 0.1% and B 0.005 0.01%; the
reste étant constitué par du fer et des impuretés acci- the remainder being iron and impurities
dentelles. Le sous-assemblage irradié est tout d'abord conservé pendant une période de refroidissement permettant la décroissance de la radioactivité ou la désintégration des produits de fission à courte durée d'existence, puis l'enveloppe du sous-assemblage est séparée des aiguilles de combustible qui sont placées dans un récipient et exposées à de l'ammoniac anhydre pur à une température comprise entre 6000C et 8000C. L'azote formé par la dissociation thermique catalytique de l'ammoniac pénètre dans la couche superficielle externe de l'acier inoxydable et en provoque la fragilisation, la nitruration se poursuivant jusqu'à ce que la couche fragilisée représente lace. The irradiated subassembly is first preserved during a cooling period allowing the decay of the radioactivity or the disintegration of the short lived fission products, then the envelope of the subassembly is separated from the fuel needles. which are placed in a container and exposed to pure anhydrous ammonia at a temperature between 6000C and 8000C. The nitrogen formed by the catalytic thermal dissociation of the ammonia enters the outer surface layer of the stainless steel and causes embrittlement, the nitriding continuing until the weakened layer represents
environ 35 % de l'épaisseur de la gaine d'acier, c'est-à- about 35% of the thickness of the steel sheath, that is,
dire jusqu'à une épaisseur qui est typiquement de 130 mi- say up to a thickness that is typically 130 half
crons. La dureté de la couche nitrurée (fragilisée) se situe entre 700 et 800 VPN (indice de pénétration) alors que la dureté de la matière non nitrurée est voisine de 250 VPN. Les aiguilles nitrurées conservent l'intégrité de leur structure et elles sont introduites isolément ou en un ensemble plan dans une machine à dresser à rouleaux ou cylindres qui sera décrite ci-après. Dans cette machine, des aiguilles sont nettement brisées en de nombreux morceaux, ce qui permet de séparer la matière de la gaine cron. The hardness of the nitrided layer (weakened) is between 700 and 800 VPN (penetration index) while the hardness of the non-nitrided material is around 250 VPN. The nitrided needles retain the integrity of their structure and are introduced in isolation or in a planar assembly in a roller or cylinder dressing machine which will be described hereinafter. In this machine, needles are clearly broken into many pieces, which allows to separate the material of the sheath
d'avec le combustible nucléaire contenu dans cette gaine. from the nuclear fuel contained in this sheath.
Une machine typique à dresser est représentée A typical machine to train is represented
schématiquement sur les dessins d'accompagnement sur les- schematically in the accompanying drawings on
quels la figure 1 est une vue en perspective et la figure 2 est une vue latérale. Telle qu'elle est représentée sur les dessins, la machine comprend une cage 1 comprenant uncertain nombre de rouleaux ou cylindres supérieurs 2 et - de rouleaux ou cylindres inférieurs 3, chacun décalé d'un demi-diamètre de cylindre dans le sens du déplacement de la matière à traiter, de sorte que le premier cylindre supérieur est disposé à michemin entre les premier et which Figure 1 is a perspective view and Figure 2 is a side view. As shown in the drawings, the machine comprises a cage 1 comprising a number of rollers or upper rolls 2 and rollers or lower rolls 3, each offset by a roll half-diameter in the direction of movement of the roll. the material to be treated, so that the first upper cylinder is disposed halfway between the first and
second cylindres inférieurs, et ainsi de suite. L'écarte- second lower cylinders, and so on. The map-
ment des cylindres supérieurs et inférieurs est ajusté de manière qu'une aiguille 4 puisse passer entre eux, mais cet écartement est légèrement inférieur au diamètre de l'aiguille, de sorte que l'aiguille est soumise à une contrainte de flexion s'exerçant alternativement en des sens opposés à mesure que l'aiguille passe entre les cylindres, de sorte qu'elle se casse en morceaux. Dans certaines conditions, la gaine et l'aiguille se cassent avant la flexion inverse, par une action de cisaillement lorsqu'elles se rapprochent d'un cylindre en étant of the upper and lower rolls is adjusted so that a needle 4 can pass between them, but this spacing is slightly smaller than the diameter of the needle, so that the needle is subjected to a bending stress exerted alternately in opposite directions as the needle passes between the rolls, so that it breaks into pieces. Under certain conditions, the sheath and the needle break before the reverse bending, by a shearing action when they are close to a cylinder being
inclinées par rapport a la ligne ou au plan de déplacement. inclined with respect to the line or the plane of displacement.
Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'in- It goes without saying that, without departing from the
vention, de nombreuses modifications peuvent être apportées vention, many changes can be made
au procédé décrit et représenté. to the process described and shown.
Claims (3)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB8000752 | 1980-01-09 | ||
| GB8040179A GB2067004B (en) | 1980-01-09 | 1980-12-16 | Recovery of nuclear fuel material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2476368A1 true FR2476368A1 (en) | 1981-08-21 |
Family
ID=26274086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8100233A Pending FR2476368A1 (en) | 1980-01-09 | 1981-01-08 | METHOD FOR RECOVERING NUCLEAR FUEL MATERIAL FROM AN IRRADIA AND SHEET NUCLEAR COMBUSTIBLE ELEMENT |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2476368A1 (en) |
| GB (1) | GB2067004B (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2194783C1 (en) * | 2001-04-13 | 2002-12-20 | Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии" | Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies |
| RU2200766C2 (en) * | 2001-04-19 | 2003-03-20 | Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии" | Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS604890A (en) * | 1983-06-23 | 1985-01-11 | 株式会社日立製作所 | Pretreatment method for ceramic nuclear fuel reprocessing |
-
1980
- 1980-12-16 GB GB8040179A patent/GB2067004B/en not_active Expired
-
1981
- 1981-01-08 FR FR8100233A patent/FR2476368A1/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2194783C1 (en) * | 2001-04-13 | 2002-12-20 | Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии" | Method of ceramic nuclear fuel recovery from fuel elements and fuel assemblies |
| RU2200766C2 (en) * | 2001-04-19 | 2003-03-20 | Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии" | Method of recovering ceramic nuclear fuel from fuel element packets |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB2067004B (en) | 1983-04-07 |
| GB2067004A (en) | 1981-07-15 |
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