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WO2018234694A1 - PROCESS FOR PREPARING PELLETS OF MIXED DENSE FUEL BASED ON URANIUM, PLUTONIUM AND POSSIBLY MINOR ACTINIDE (S) - Google Patents

PROCESS FOR PREPARING PELLETS OF MIXED DENSE FUEL BASED ON URANIUM, PLUTONIUM AND POSSIBLY MINOR ACTINIDE (S) Download PDF

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WO2018234694A1
WO2018234694A1 PCT/FR2018/051488 FR2018051488W WO2018234694A1 WO 2018234694 A1 WO2018234694 A1 WO 2018234694A1 FR 2018051488 W FR2018051488 W FR 2018051488W WO 2018234694 A1 WO2018234694 A1 WO 2018234694A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
powder
mixture
uranium
oxide
plutonium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2018/051488
Other languages
French (fr)
Inventor
Stéphane VAUDEZ
Méryl BROTHIER
Anne Charlotte ROBISSON
Cébastien CHAMBON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Orano Demantelement SAS
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Orano Cycle SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Orano Cycle SA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of WO2018234694A1 publication Critical patent/WO2018234694A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/62Ceramic fuel
    • G21C3/623Oxide fuels
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C19/00Arrangements for treating, for handling, or for facilitating the handling of, fuel or other materials which are used within the reactor, e.g. within its pressure vessel
    • G21C19/42Reprocessing of irradiated fuel
    • G21C19/44Reprocessing of irradiated fuel of irradiated solid fuel
    • G21C19/48Non-aqueous processes
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of a nuclear fuel based on mixed uranium and plutonium oxide and, more specifically, to a process for preparing dense pellets based on mixed uranium oxide and plutonium from a mixture of powders, part of which is constituted by triuranium octaoxide (U3O8), this type of fuel can be qualified as MOX fuel (this acronym corresponding to the terminology "Mixed Oxide"). Because of their high energy value, this type of fuel can be upgraded in power reactors, such as fast neutron reactors (also known under the abbreviation RN R) or light water reactors (known, also , under the abbreviation REL).
  • RN R fast neutron reactors
  • REL light water reactors
  • processes for the fabrication of MOX type nuclear fuels are based on powder metallurgy processes, involving a step of preparing a mixture of powders followed by a step of shaping the mixture. (For example, by pressing) followed by a densification step of the shaped mixture (for example, by sintering).
  • powder metallurgy processes involving a step of preparing a mixture of powders followed by a step of shaping the mixture. (For example, by pressing) followed by a densification step of the shaped mixture (for example, by sintering).
  • a first route which may be described as "direct co-grinding", in which a powder of UO 2 and a powder of PuO 2 are mixed and co-crushed immediately in the proportions desired to obtain the specified plutonium content, that is to say the plutonium content that the fuel has at the end of manufacture, namely after shaping and sintering of the mixture of powders;
  • a second route which combines both grinding and dilution stages, in which a primary mixture of "overconcentrated" plutonium powders is initially constituted with respect to the specified plutonium content (this mixture may also be qualified as a mixture mother), which primary mixture is then diluted by addition of uranium dioxide.
  • the COCA process consists, before forming in the form of pellets, cobrying in a single step a mixture of powders mainly comprising a UO2 powder and comprising PuO2, while the MIMAS process consists of initially establishing a mixture of UO2 and PuO2 with a high proportion of PuO2, which mixture is then milled and then diluted by adding UO2 to achieve the target content, before shaping into pellets.
  • the raw material used is mainly a UO2 powder.
  • uranium oxide powders optionally plutonium oxide and minor actinide oxide (s) powder (s)
  • a part of the uranium oxide powder being a powder of U3O8 and comprising, in a second step, a step of reducing triuranium octaoxide U3O8 to uranium dioxide U0 2 .
  • This reduction step generates a porosity within the fuel.
  • the allotropic transformation of U3O8 triuranium octoxide into uranium dioxide U0 2 generates a reduction in volume of the space occupied by triuranium octoxide by approximately 30%, the space left vacant constituting pores in the fuel.
  • a proportion of 40% by mass of U3O8 for a content (U / U + Am) 0.1, a fuel having a porosity of about 14% is obtained (ie other words, a density equal to about 86% of the theoretical density). This large porosity will thus allow the evacuation of fission gases and decay helium without physical degradation of the fuel.
  • triuranium octoxide U3O8 as a blowing agent is also described in WO 03/015105 using powder mixtures with U3O8 contents of up to 25%.
  • the invention relates to a process for preparing pellets of a dense mixed fuel comprising uranium dioxide U0 2, the Pu0 plutonium oxide 2 and optionally at least one oxide of actinide (s) minor (S) or comprising a solid solution of uranium dioxide, plutonium and optionally at least one minor actinide comprising successively the following steps:
  • a) a step of co-micronization of a mixture of powders comprising a powder of uranium oxide (s), all or part of which powder consists of U3O8 triuranium octaoxide, a PuO 2 plutonium oxide powder and optionally a minor actinide oxide (s) powder (s);
  • U3O8 triuranium octoxide as a partial or total source of uranium for the manufacture of dense fuel pellets. mixtures based on uranium, plutonium and possibly minor actinide (s).
  • the process of the invention may comprise a preliminary step of preparing the powder mixture by contacting a uranium oxide powder (s), all or part of which this powder consists of U3O8 triuranium octaoxide, a PuO 2 plutonium oxide powder and optionally a minor actinide oxide (s) powder (s).
  • a uranium oxide powder s
  • this powder consists of U3O8 triuranium octaoxide
  • PuO 2 plutonium oxide powder and optionally a minor actinide oxide (s) powder (s).
  • the uranium oxide powder (s) may be composed exclusively of a U3O8 triuranium octoxide powder or may consist of a mixture of octahydroxide oxide.
  • U3O8 triuranium and uranium dioxide U0 2 may be in the case of a mixture.
  • U3O8 triuranium octoxide may be in a majority proportion, that is to say it represents more than 50% by weight of the mixture comprising the UO 2 powder and the U 3 O 8 powder.
  • the triuranium octoxide U3O8 may be present in a proportion ranging from 10 to 60% by weight of the mixture comprising the UO 2 powder and the U 3 O 8 powder.
  • the UO 2 and U 3 O 8 powders may be derived from all types of processes and, in particular, from dry or wet conversion processes.
  • the PuO 2 powder may be present in a content greater than or equal to the specified content desired for the plutonium in the final fuel.
  • the method of the invention may comprise a dilution step which is defined more precisely below.
  • the minor actinide oxide (s) powder (s) may be an americium oxide (s) powder (such as AmO 2 , AlT 2 O 3), a powder of curium oxide (s) and / or a powder of neptunium oxide (s).
  • americium oxide (s) powder such as AmO 2 , AlT 2 O 3
  • the constituent powders of the mixture intended to be co-micronized may consist of different types of particles, for example, substantially spherical, such as:
  • crystallites which are the smallest constituents constituting a powder and having a size generally less than 1 micrometer, for example, of the order of 0.1 ⁇ ;
  • aggregates which consist of the intimate and solid association of crystallites and having a size generally ranging from 1 to 10 ⁇ ;
  • agglomerates which consist of a set of aggregates linked by weak bonds (for example, Van der Waals type bonds, electrostatic bonds) and having a size generally ranging from 10 to 100 ⁇ .
  • the powders may have a specific surface area ranging from 1 to 15 m 2 / g
  • the powder mixture is subjected to a co-micronization step, that is to say a step of mixing and grinding, concomitantly, the powder grains constituting the mixture, until to obtain an intimate mixture of powders
  • the powders constituting the mixture thus micronized may consist of different types of particles, for example, substantially spherical, such as:
  • crystallites which are the smallest constituent entities of a powder, these crystallites having a size generally less than 1 micrometer, for example, of the order of 0.1 ⁇ ;
  • aggregates which consist of the intimate and solid association of crystallites and having a size generally ranging from 1 to 5 ⁇ ;
  • agglomerates which consist of a set of aggregates linked by weak bonds (for example, Van der Waals type bonds, electrostatic bonds) and having a size generally ranging from 10 to 200 ⁇ ( micronization may contribute to disaggregate and then reagglomerate the particles),
  • the proportions between crystallites, aggregates and agglomerates may be different from those of the mixture before the co-micronization step.
  • the powders may have a specific surface area ranging from 1 to 15 m 2 / g
  • this co-micronization step can be carried out by subjecting the powder mixture to grinding in a ball mill for a time sufficient to obtain the desired micronized mixture.
  • the method of the invention may comprise a sieving step, and more specifically, a sieving-forcing step, in particular to eliminate larger agglomerates.
  • the process may comprise a step of adding to the micronized and optionally sieved mixture of a UO 2 uranium dioxide powder, this step being capable of being described as dilution step, in that it contributes to reducing the content of other elements than uranium in the fuel and also the U3O8 content in the mixture resulting from the adding step.
  • This step is particularly necessary when the content of PuO 2 in the powder mixture in step a) is greater than the specified content of plutonium that is desired in the final fuel.
  • the micronized mixture obtained at the end of step a) can be qualified as "mother mixture", which mother mixture has, as mentioned above, a source of uranium which may consist, in whole or in part, of triuranium octoxide U3O8.
  • this shaping step may consist of compacting the mixture, which amounts to placing the mixture in one or more molds of suitable shape to form pellets and, secondly, to subject this mixture to a pressing for example, uniaxial, this uniaxial pressing being obtainable by means of a piston applying a pressure on the placed mixture in the mold or molds, this pressure may range from 300 to 500 MPa for a period ranging from 1 second to 1 minute.
  • the pellets thus obtained are subjected to a sintering step, this sintering step being advantageously carried out under conditions that are effective for obtaining the desired density and the reduction of U3O8 in U0 2 or even for fixing.
  • the desired stoichiometry ie, the molar ratio between the amount of oxygen and the amount of U, Pu and / or minor actinide (s) elements.
  • This set of operating conditions can be the atmosphere in which the sintering step is carried out, the heating temperature and the duration of application of this temperature and the rate of rise in temperature until obtaining the maximum temperature of bearing heating.
  • the sintering step may thus consist in subjecting the pre-obtained pellets or pellets to heating, for example, in a controlled reducing atmosphere (for example, this atmosphere possibly consisting of a mixture comprising a reducing gas optionally, oxygen and / or water vapor) at a temperature and a time required to obtain the desired relative density, this temperature being able to range from 1000 ° C. to 2000 ° C. for a period of time. from 1 hour to 48 hours.
  • the constitution of the atmosphere may be chosen so as to obtain, in the end, a pellet having a final relative density at a defined value and / or a pellet having a ratio O / M (M corresponding to the actinide elements) final predefined.
  • the important factor in the constitution of the atmosphere is its moisture content.
  • the sintering temperature can be reached according to different modes, such as:
  • the sintering temperature can be obtained by a linear rise in temperature until reaching a temperature plateau of 1700 ° C., which can be maintained for a period of 4 hours.
  • this may be of a different nature, in particular depending on the proportion of plutonium desired in the fuel.
  • the atmosphere may consist of a mixture comprising argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and respectively a moisture content of the order of a few tens of vpm, for example, from 1 to 50 vpm of water for a mixture Ar / lh (4% by volume of hydrogen) for a plutonium content of the order of 15% and a moisture content of the order of a few hundred vpm, for example from 100 to 500 vpm of water for a mixture Ar / lh (4% by volume of hydrogen) for a plutonium content of the order of 30%.
  • the atmosphere may consist of a mixture comprising argon and hydrogen (4% in volume of hydrogen) and a humidity level of more than 1000 vpm.
  • fuel pellets having a high density in particular a relative density greater than 94%, are obtained, this relative density corresponding to the ratio of the apparent density to the theoretical density. (ie, in other words, less than 6% porosity) and, more specifically, a relative density greater than or equal to 96%.
  • a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 35.5 at%. of U 3 0 8 (ie, 7.2 g), 35.5% at. U0 2 (7.1 g) and 29 at%. of Pu0 2 (ie 5.7 g).
  • the powder of U3O8, the U0 2 powder and powder Pu0 2 respectively have a surface area of 2.2 m 2 / g, 3.7 m 2 / g and 5.7 m 2 / g.
  • the mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).
  • a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).
  • This step is intended to homogenize the mixture of powders at the micrometer scale, the mechanisms involved being mechanisms of fragmentation and deagglomeration-agglomeration and also leads to an increase in the specific surface of the powder mixture.
  • the resulting powder mixture has a specific surface area of 4.2 m 2 / g.
  • the mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 ⁇ from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture).
  • the agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve.
  • the purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the presence of large agglomerates could generate problems of filling press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.
  • the sieved mixture is shaped by compacting and more specifically by uniaxial Osterwalder floating matrix pressing under a pressure of 350 MPa. An accompanying pressure of 35 MPa is applied during the ejection.
  • the matrix is lubricated before each compacting cycle with an organometallic powder of zinc stearate. Finally, 10 tablets of 1.5 g are obtained having a geometric density of 6 g. cm 3 .
  • a first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm in which a temperature step 1700 ° C is applied for 4 hours.
  • a second batch of pellets is subjected to the same sintering cycle.
  • a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 35.5 at%. of U 3 0 8 (ie, 7.2 g), 35.5% at. U0 2 (7.1 g) and 29 at%. of Pu0 2 (ie 5.7 g).
  • the powder of U3O8, the U0 2 powder and powder Pu0 2 respectively have a surface area of 2.2 m 2 / g, 3.7 m 2 / g and 5.7 m 2 / g.
  • the mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).
  • a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).
  • the resulting powder mixture has a specific surface area of 4.2 m 2 / g.
  • the mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 ⁇ from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture).
  • the agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve.
  • the purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the the presence of large agglomerates could generate problems of filling the press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.
  • the sieved mixture (hereinafter masterbatch) is then subjected to a dilution step of adding a powder of UO2, whereby a mixture (20 g) comprising the masterbatch (at 34.6%) and a powder of U0 2 (65.4%).
  • the dilution step consists of a stirring in a mixture of Turbula type.
  • the powders are introduced into a plastic container 150 cm 3 provided with a wire, which container is then placed in the tank of a mixer.
  • Prior studies of qualification of the apparatus made it possible to set the speed of rotation of the tank at 24 rpm as well as the duration of the mixing cycle at 10 minutes.
  • this step aims to homogenize the distribution of the particles constituting the masterbatch in the UO 2 powder.
  • the diluted mixture has a specific surface area of 4.2 m 2 / g
  • the resulting mixture is shaped by compacting and more specifically by Osterwalder floating matrix uniaxial pressing under a pressure of 350 MPa. An accompanying pressure of 35 MPa is applied during the ejection.
  • the matrix is lubricated before each compacting cycle with an organometallic powder of zinc stearate.
  • a first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm in which a temperature step 1700 ° C is applied for 4 hours.
  • a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 71 at%.
  • the mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).
  • a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).
  • the mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 ⁇ from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture).
  • the agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve.
  • the purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the presence of large agglomerates could generate problems of filling press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.
  • the resulting mixture is shaped by compacting and more specifically by Osterwalder floating matrix uniaxial pressing under a pressure of 350 MPa. An accompanying pressure of 35 MPa is applied during the ejection.
  • the matrix is lubricated before each compacting cycle with an organometallic powder of zinc stearate.
  • a first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm during which a temperature plateau of 1700 ° C is applied for 4 hours.
  • a second batch of pellets is subjected to the same sintering cycle.
  • a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 71 at%. U0 2 (14.3 g) and 29 at%. of PuO 2 (ie 5.7 g), this mixture having a specific surface area of 5.4 m 2 / g.
  • the mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a cylindrical vessel of 0.5 liter filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a rotation speed of 60 revolutions / min and an inclination of 10 ° for a duration of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).
  • the mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 ⁇ from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture).
  • the agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve.
  • the purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the presence of large agglomerates could generate problems of filling press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.
  • the sieved mixture (hereinafter masterbatch) is then subjected to a dilution step of adding a powder of UO 2 to reach a final content of the mixture of 10 mol%.
  • the dilution step consists of a stirring in a mixture of Turbula type.
  • the powders are introduced into a 150 cm 3 plastic container equipped with a wire, which container is then placed in the tank of a mixer.
  • Prior studies of qualification of the apparatus made it possible to set the speed of rotation of the tank at 24 rpm as well as the duration of the mixing cycle at 10 minutes.
  • this step aims to homogenize the distribution of the particles constituting the masterbatch in the UO 2 powder.
  • the diluted mixture has a specific surface area of 4.6 m 2 / g
  • the resulting mixture is shaped by compacting and more specifically by Osterwalder floating matrix uniaxial pressing under a pressure of 350 M Pa. An accompanying pressure of 35 M Pa is applied during the ejection.
  • the matrix is lubricated before each compaction cycle with an organometallic powder of zinc stearate.
  • a first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm in which a temperature step 1700 ° C is applied for 4 hours.
  • a second batch of pellets is subjected to the same sintering cycle.
  • pellets obtained according to the different variants mentioned in paragraphs a), b), c) and d) were analyzed to determine their density, the ratio O / M (M being the elements other than oxygen), the porosity rate. open and compliance with a thermal stability test.
  • the determination of the apparent density of the cylindrical samples is carried out either from geometric measurements or by immersion in a liquid.
  • the immersion technique also called hydrostatic measurement, is more precise. It consists in impregnating the sample with a wetting liquid of known temperature and density. This impregnation is carried out under a primary vacuum to ensure complete plumping of the open porosity.
  • the liquid used in our case is bromobenzene.
  • the density of the ceramic is obtained using the formula:
  • thermochemical treatment In order to determine the O / M ratio (M corresponding to the U and Pu elements), a suitable oxido-reduction thermochemical treatment is carried out. This treatment is carried out under hydrogenated argon at 5% H 2 saturated with water at a temperature of the order of 950 ° C., which makes it possible to access a very small uncertainty on the value of the ratio O / M (typically less than to 0.003).
  • the stability cycle is defined by a 24 hour treatment at 1700 ° C under a neutral atmosphere (argon). At the furnace outlet, weighing and metrology of the pellets and / or density are carried out by hydrostatic weighing. There is conformity to the thermal stability test when the density variation is less than 1.9% in densification and without swelling after the test.
  • Theoretical Density 1.6598 * 10 6 * [((4 * M (U, Pu) + 64 * (2-x))) / (547.0-7.4y + (30, 1 + 11, 0y) * x) 3 ],
  • Theoretical Density 1.6598 * 10 6 * [((4 * M (U, Pu) + 64 * (2-x))) / (547.0-7.4y + (30, 1 + 11, 0y) * x) 3 ],

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a process for preparing pellets of a dense mixed fuel comprising uranium dioxide UO2, plutonium oxide PuO2 and optionally at least one oxide of minor actinide(s) or of a fuel comprising a solid solution of uranium dioxide, plutonium and optionally at least one minor actinide successively comprising the following steps: a) a step of co-micronization of a mixture of powders comprising a powder of uranium oxide(s), of which all or some of this powder consists of triuranium octoxide U3O8, a powder of plutonium oxide PuO2 and optionally a powder of oxide(s) of minor actinide(s); b) a step of compacting the mixture of powders in the form of pellets; c) a step of sintering the pellets obtained in b).

Description

PROCEDE DE PREPARATION DE PASTILLES D'UN COMBUSTIBLE DENSE MIXTE A BASE D'URANIUM, DE PLUTONIUM ET EVENTUELLEMENT D'ACTINIDE(S)  PROCESS FOR PREPARING PELLETS OF A MIXED DENSE FUEL BASED ON URANIUM, PLUTONIUM AND, POSSIBLY, ACTINIDE (S)

MINEUR(S)  MINOR (S)

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE DESCRIPTION TECHNICAL FIELD

L'invention a trait à un procédé de préparation d'un combustible nucléaire à base d'oxyde mixte d'uranium et de plutonium et, plus spécifiquement, à un procédé de préparation de pastilles denses à base d'oxyde mixte d'uranium et de plutonium à partir d'un mélange de poudres, dont une partie est constituée par de l'octaoxyde de triuranium (U3O8), ce type de combustible pouvant être qualifié de combustible MOX (cet acronyme correspondant à la terminologie « Mixed Oxide »). Du fait de leur haute valeur énergétique, ce type de combustibles peut être valorisé dans des réacteurs de puissance, tels que des réacteurs à neutrons rapides (connus, également, sous l'abréviation RN R) ou des réacteurs à eau légère (connus, également, sous l'abréviation REL). The invention relates to a process for the preparation of a nuclear fuel based on mixed uranium and plutonium oxide and, more specifically, to a process for preparing dense pellets based on mixed uranium oxide and plutonium from a mixture of powders, part of which is constituted by triuranium octaoxide (U3O8), this type of fuel can be qualified as MOX fuel (this acronym corresponding to the terminology "Mixed Oxide"). Because of their high energy value, this type of fuel can be upgraded in power reactors, such as fast neutron reactors (also known under the abbreviation RN R) or light water reactors (known, also , under the abbreviation REL).

Ce procédé peut donc s'inscrire dans le cadre du domaine du recyclage du plutonium, lequel est issu de l'irradiation de combustibles classiques en réacteur nucléaire. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE  This process can therefore be part of the field of plutonium recycling, which is derived from the irradiation of conventional fuels in a nuclear reactor. STATE OF THE PRIOR ART

D'une manière générale, les procédés de fabrication de combustibles nucléaires du type MOX reposent sur des procédés relevant de la métallurgie des poudres, faisant intervenir une étape de préparation d'un mélange de poudres suivie d'une étape de mise en forme du mélange (pa r exemple, par pressage) suivie d'une étape de densification du mélange mis en forme (par exemple, par frittage). Parmi ces procédés, deux grandes voies se distinguent pour la fabrication des combustibles MOX : In general, processes for the fabrication of MOX type nuclear fuels are based on powder metallurgy processes, involving a step of preparing a mixture of powders followed by a step of shaping the mixture. (For example, by pressing) followed by a densification step of the shaped mixture (for example, by sintering). Among these processes, two main ways are distinguished for the manufacture of MOX fuels:

-une première voie qui peut être qualifiée de « co-broyage direct », dans laquelle une poudre de U02 et une poudre de Pu02 sont mélangées et co-broyées d'emblée dans les proportions voulues pour obtenir la teneur en plutonium spécifiée, c'est-à-dire la teneur en plutonium que présente le combustible en fin de fabrication, à savoir après mise en forme et frittage du mélange de poudres ; a first route which may be described as "direct co-grinding", in which a powder of UO 2 and a powder of PuO 2 are mixed and co-crushed immediately in the proportions desired to obtain the specified plutonium content, that is to say the plutonium content that the fuel has at the end of manufacture, namely after shaping and sintering of the mixture of powders;

-une deuxième voie qui allie à la fois des étapes de broyage et de dilution, dans laquelle on constitue au départ un mélange primaire de poudres « surconcentré » en plutonium par rapport à la teneur en plutonium spécifiée (ce mélange pouvant être qualifié également de mélange mère), lequel mélange primaire est ensuite dilué par adjonction de dioxyde d'uranium.  a second route which combines both grinding and dilution stages, in which a primary mixture of "overconcentrated" plutonium powders is initially constituted with respect to the specified plutonium content (this mixture may also be qualified as a mixture mother), which primary mixture is then diluted by addition of uranium dioxide.

Ces deux voies sont, notamment, illustrées par deux procédés de référence, que sont le procédé COCA (pour CObroyage Cadarache) et le procédé MIMAS (pour Mlcronized MASterblend en langue anglaise). Le procédé COCA consiste, avant la mise en forme sous forme de pastilles, à cobroyer en une seule étape un mélange de poudres comprenant majoritairement une poudre de UO2 et comprenant du PuÛ2, tandis que le procédé MIMAS consiste à établir dans un premier temps un mélange d'U02 et de PuÛ2 avec une proportion élevée de PuÛ2, mélange qui est ensuite broyé puis dilué en ajoutant de l'U02 pour aboutir à la teneur visée, et ce avant la mise en forme sous forme de pastilles.  These two routes are, in particular, illustrated by two reference methods, which are the COCA process (for Cadarache crushing) and the MIMAS process (for Mlcronized MASterblend in English). The COCA process consists, before forming in the form of pellets, cobrying in a single step a mixture of powders mainly comprising a UO2 powder and comprising PuO2, while the MIMAS process consists of initially establishing a mixture of UO2 and PuO2 with a high proportion of PuO2, which mixture is then milled and then diluted by adding UO2 to achieve the target content, before shaping into pellets.

Que ce soit pour l'un ou l'autre de ces procédés, la matière première utilisée est majoritairement une poudre de UO2.  Whether for one or the other of these processes, the raw material used is mainly a UO2 powder.

Dans le domaine de la fabrication de combustibles du type In the field of fuel fabrication of the type

MOX, d'autres procédés mettent en œuvre l'utilisation, en complément d'une poudre de UO2, d'un autre intrant d'uranium, connu sous le nom d'octaoxyde de triuranium U3O8 recherché pour sa capacité à remplir la fonction d'agent porogène, tel que cela est décrit notamment dans le brevet FR 2949598. Ce brevet décrit plus particulièrement un procédé de fabrication d'un combustible nucléaire comprenant de l'uranium, éventuellement du plutonium et au moins un actinide mineur comprenant, dans un premier temps, une étape de compactage sous forme de pastilles d'un mélange de poudres (poudres d'oxyde d'uranium, éventuellement d'oxyde de plutonium et poudre d'oxyde(s) d'actinide(s) mineur(s)), une partie de la poudre d'oxyde d'uranium étant une poudre de U3O8 et comprenant, dans un deuxième temps, une étape de réduction de l'octaoxyde de triuranium U3O8 en dioxyde d'uranium U02. MOX, other processes implement the use, in addition to a powder of UO2, of another uranium input, known as U3O8 triuranium octaoxide sought for its ability to perform the function of pore-forming agent, as described in particular in patent FR 2949598. This patent more particularly describes a method of manufacturing a nuclear fuel comprising uranium, possibly plutonium and at least one minor actinide comprising, in a first step, a compaction step in the form of pellets of a mixture of powders. (uranium oxide powders, optionally plutonium oxide and minor actinide oxide (s) powder (s)), a part of the uranium oxide powder being a powder of U3O8 and comprising, in a second step, a step of reducing triuranium octaoxide U3O8 to uranium dioxide U0 2 .

Cette étape de réduction engendre une porosité au sein du combustible. En effet, la transformation allotropique de l'octaoxyde de triuranium U3O8 en dioxyde d'uranium U02 génère une réduction de volume de l'espace occupé par l'octaoxyde de triuranium d'environ 30%, l'espace laissé ainsi vacant constituant des pores dans le combustible. A titre d'exemple, avec une proportion de 40% massique de U3O8 pour une teneur (U/U+Am)=0,l, il est obtenu un combustible présentant une porosité de l'ordre de 14% (soit, en d'autres termes, une densité égale à environ 86 % de la densité théorique). Cette porosité importante va permettre ainsi l'évacuation des gaz de fission et de l'hélium de décroissance sans dégradation physique du combustible. This reduction step generates a porosity within the fuel. Indeed, the allotropic transformation of U3O8 triuranium octoxide into uranium dioxide U0 2 generates a reduction in volume of the space occupied by triuranium octoxide by approximately 30%, the space left vacant constituting pores in the fuel. For example, with a proportion of 40% by mass of U3O8 for a content (U / U + Am) = 0.1, a fuel having a porosity of about 14% is obtained (ie other words, a density equal to about 86% of the theoretical density). This large porosity will thus allow the evacuation of fission gases and decay helium without physical degradation of the fuel.

L'utilisation de l'octaoxyde de triuranium U3O8 en tant qu'agent porogène est également décrite dans WO 03/015105 mettant en œuvre des mélanges de poudres avec des teneurs en U3O8 allant jusqu'à 25%.  The use of triuranium octoxide U3O8 as a blowing agent is also described in WO 03/015105 using powder mixtures with U3O8 contents of up to 25%.

Par ailleurs, outre la possibilité pour une poudre de U3O8 de remplir la fonction d'agent porogène, d'autres avantages peuvent être mis en avant tels que :  Moreover, besides the possibility for a U3O8 powder to fulfill the function of porogenic agent, other advantages can be put forward such as:

-le caractère stable de cette poudre, la teneur en oxygène évoluant très peu par rapport à une poudre de dioxyde d'uranium U02 et ce quel que soit son mode de stockage (par exemple, sous air ou sous atmosphère inerte), ce qui constitue un élément de robustesse pour son utilisation dans un procédé industriel de céramisation ; -le caractère non pyrophorique de cette poudre par rapport à une poudre de dioxyde d'uranium U02 ; the stable nature of this powder, the oxygen content evolving very little compared to a UO 2 uranium dioxide powder whatever its storage mode (for example, under air or in an inert atmosphere), which constitutes a robustness element for its use in an industrial ceramization process; the non-pyrophoric character of this powder with respect to a UO 2 uranium dioxide powder;

-la possibilité de mettre en valeur d'autres flux de matière que U02 permettant ainsi une diversification des intrants pour fabriquer des combustibles nucléaires à base d'uranium. -the possibility of developing other material flows than U0 2 thus allowing a diversification of inputs to manufacture uranium-based nuclear fuels.

Aussi, en résumé, dans l'état de la technique illustrant la préparation de combustibles mixtes et mettant en œuvre de l'octaoxyde de triuranium U3O8, il ressort que la finalité d'utilisation de cet additif est principalement l'obtention de combustibles poreux.  Also, in summary, in the state of the art illustrating the preparation of mixed fuels and using U3O8 triuranium octaoxide, it appears that the purpose of use of this additive is mainly to obtain porous fuels.

Partant de ce constat, les auteurs se sont orientés vers un objectif antagoniste qui est celui de combustibles denses du type MOX à base de plutonium tout en utilisant comme source d'uranium, en tout ou partie, de l'octaoxyde de triuranium U3O8 profitant ainsi des avantages liés à l'utilisation de cette source (tels que ceux mentionnés ci-dessus, comme le caractère stable et non pyrophorique des poudres d'octaoxyde de triuranium).  On the basis of this observation, the authors have turned towards an antagonistic objective which is that of plutonium-based MOX-type dense fuels while using, as a whole or part of the uranium source, U3O8 triuranium octoxide. advantages associated with the use of this source (such as those mentioned above, such as the stable and non-pyrophoric character of triuranium octoxide powders).

Pour arriver à cet objectif antagoniste, les auteurs ont mis au point un procédé impliquant une étape très spécifique de préparation d'un mélange de poudres comportant de l'octaoxyde de triuranium U3O8 et, par exemple, une quantité de U3O8 pouvant dépasser 25% massique.  To achieve this antagonistic objective, the authors have developed a method involving a very specific step of preparation of a mixture of powders comprising U3O8 triuranium octaoxide and, for example, an amount of U3O8 may exceed 25% by mass. .

EXPOSÉ DE L'INVENTION STATEMENT OF THE INVENTION

Ainsi, l'invention a trait à un procédé de préparation de pastilles d'un combustible dense mixte comprenant du dioxyde d'uranium U02, de l'oxyde de plutonium Pu02 et éventuellement au moins un oxyde d'actinide(s) mineur(s) ou comprenant une solution solide de dioxyde d'uranium, de plutonium et éventuellement d'au moins un actinide mineur comprenant successivement les étapes suivantes : Thus, the invention relates to a process for preparing pellets of a dense mixed fuel comprising uranium dioxide U0 2, the Pu0 plutonium oxide 2 and optionally at least one oxide of actinide (s) minor (S) or comprising a solid solution of uranium dioxide, plutonium and optionally at least one minor actinide comprising successively the following steps:

a) une étape de co-micronisation d'un mélange de poudres comprenant une poudre d'oxyde(s) d'uranium, dont tout ou partie de cette poudre est constituée d'octaoxyde de triuranium U3O8, une poudre d'oxyde de plutonium Pu02 et éventuellement une poudre d'oxyde(s) d'actinide(s) mineur(s) ; a) a step of co-micronization of a mixture of powders comprising a powder of uranium oxide (s), all or part of which powder consists of U3O8 triuranium octaoxide, a PuO 2 plutonium oxide powder and optionally a minor actinide oxide (s) powder (s);

b) une étape de compactage du mélange de poudres sous forme de pastilles ;  b) a step of compacting the mixture of powders in the form of pellets;

c) une étape de frittage des pastilles obtenues en b).  c) a sintering step of the pellets obtained in b).

Comme déjà suggéré ci-dessus, les auteurs de la présente invention sont allés à rencontre d'un a priori technique pour proposer l'utilisation d'octaoxyde de triuranium U3O8 comme source partielle ou totale d'uranium pour la fabrication de pastilles de combustibles denses mixtes à base d'uranium, de plutonium et éventuellement d'actinide(s) mineur(s).  As already suggested above, the authors of the present invention have gone against a technical a priori to propose the use of U3O8 triuranium octoxide as a partial or total source of uranium for the manufacture of dense fuel pellets. mixtures based on uranium, plutonium and possibly minor actinide (s).

En effet, substituer en tout ou partie la source d'uranium classiquement utilisée U02 pour fabriquer des combustibles denses ne présente pas un caractère d'évidence au regard de l'état de la technique. En effet, en utilisant du U3O8, les modes de réalisation mettent en avant un phénomène de rétreint lors de l'étape de frittage en milieu hydrogéné, ce rétreint étant dû à la transformation allotropique du U3O8 en U02, qui engendre classiquement une réduction de volume de 30% avec création d'une porosité concomitante. Indeed, to substitute all or part of the uranium source conventionally used U0 2 to manufacture dense fuels does not present an obviousness in the light of the state of the art. Indeed, using U3O8, the embodiments put forward a shrinkage phenomenon during the sintering step in a hydrogenated medium, this shrinkage being due to the allotropic transformation of U3O8 into U0 2 , which conventionally generates a reduction in volume of 30% with creation of a concomitant porosity.

Avant l'étape a) de co-micronisation, le procédé de l'invention peut comprendre une étape préalable de préparation du mélange de poudres par mise en contact d'une poudre d'oxyde(s) d'uranium, dont tout ou partie de cette poudre est constituée d'octaoxyde de triuranium U3O8, d'une poudre d'oxyde de plutonium Pu02 et éventuellement d'une poudre d'oxyde(s) d'actinide(s) mineur(s). Before step a) of co-micronisation, the process of the invention may comprise a preliminary step of preparing the powder mixture by contacting a uranium oxide powder (s), all or part of which this powder consists of U3O8 triuranium octaoxide, a PuO 2 plutonium oxide powder and optionally a minor actinide oxide (s) powder (s).

Que ce soit pour l'étape préalable ou l'étape a), la poudre d'oxyde(s) d'uranium peut être composée exclusivement d'une poudre d'octaoxyde de triuranium U3O8 ou peut consister en un mélange d'octaoxyde de triuranium U3O8 et de dioxyde d'uranium U02. Lorsqu'il s'agit d'un mélange, l'octaoxyde de triuranium U3O8 peut être en proportion majoritaire, c'est-à-dire qu'il représente plus de 50% massique du mélange comprenant la poudre de U02 et la poudre de U3O8. A titre d'exemple, l'octaoxyde de triuranium U3O8 peut être présent en une proportion allant de 10 à 60% massique du mélange comprenant la poudre de U02 et la poudre de U3O8. Whether for the preceding step or step a), the uranium oxide powder (s) may be composed exclusively of a U3O8 triuranium octoxide powder or may consist of a mixture of octahydroxide oxide. U3O8 triuranium and uranium dioxide U0 2 . In the case of a mixture, U3O8 triuranium octoxide may be in a majority proportion, that is to say it represents more than 50% by weight of the mixture comprising the UO 2 powder and the U 3 O 8 powder. For example, the triuranium octoxide U3O8 may be present in a proportion ranging from 10 to 60% by weight of the mixture comprising the UO 2 powder and the U 3 O 8 powder.

Les poudres de U02 et de U3O8 peuvent être issues de tous types de procédés et, notamment, de procédés de conversion par voie sèche ou par voie humide. The UO 2 and U 3 O 8 powders may be derived from all types of processes and, in particular, from dry or wet conversion processes.

La poudre de Pu02 peut être présente en une teneur supérieure ou égale à la teneur spécifiée que l'on souhaite obtenir pour le plutonium dans le combustible final. Dans le cas où cette teneur est supérieure à la teneur spécifiée, le procédé de l'invention peut comprendre une étape de dilution qui est définie plus précisément ci-dessous. The PuO 2 powder may be present in a content greater than or equal to the specified content desired for the plutonium in the final fuel. In the case where this content is greater than the specified content, the method of the invention may comprise a dilution step which is defined more precisely below.

Lorsqu'elle est présente, la poudre d'oxyde(s) d'actinide(s) mineur(s) peut être une poudre d'oxyde(s) d'américium (telle que Am02, A1TI2O3), une poudre d'oxyde(s) de curium et/ou une poudre d'oxyde(s) de neptunium. When present, the minor actinide oxide (s) powder (s) may be an americium oxide (s) powder (such as AmO 2 , AlT 2 O 3), a powder of curium oxide (s) and / or a powder of neptunium oxide (s).

Les poudres constitutives du mélange destiné à être co- micronisé peuvent être constituées de différents types de particules, par exemple, sensiblement sphériques, tels que :  The constituent powders of the mixture intended to be co-micronized may consist of different types of particles, for example, substantially spherical, such as:

-des cristallites, qui sont les plus petites entités constitutives d'une poudre et présentant une taille généralement inférieure à 1 micromètre, par exemple, de l'ordre de 0,1 μιη ;  crystallites, which are the smallest constituents constituting a powder and having a size generally less than 1 micrometer, for example, of the order of 0.1 μιη;

-des agrégats, qui sont constitués par l'association intime et solide de cristallites et présentant une taille allant généralement de 1 à 10 μιη ;  aggregates, which consist of the intimate and solid association of crystallites and having a size generally ranging from 1 to 10 μιη;

-des agglomérats, qui sont constitués d'un ensemble d'agrégats liés par des liaisons faibles (par exemple, des liaisons du type Van der Waals, des liaisons électrostatiques) et présentant une taille allant généralement de 10 à 100 μιη.  agglomerates, which consist of a set of aggregates linked by weak bonds (for example, Van der Waals type bonds, electrostatic bonds) and having a size generally ranging from 10 to 100 μιη.

En outre, les poudres peuvent présenter une surface spécifique pouvant aller de 1 à 15 m2/g- Comme mentionné ci-dessus, le mélange de poudres est soumis à une étape de co-micronisation, c'est-à-dire une étape consistant à mélanger et à broyer, de manière concomitante, les grains de poudre constitutifs du mélange, jusqu'à obtenir un mélange intime de poudres, les poudres constitutives du mélange ainsi micronisé pouvant être constituées de différents types de particules, par exemple, sensiblement sphériques, tels que : In addition, the powders may have a specific surface area ranging from 1 to 15 m 2 / g As mentioned above, the powder mixture is subjected to a co-micronization step, that is to say a step of mixing and grinding, concomitantly, the powder grains constituting the mixture, until to obtain an intimate mixture of powders, the powders constituting the mixture thus micronized may consist of different types of particles, for example, substantially spherical, such as:

-des cristallites, qui sont les plus petites entités constitutives d'une poudre, ces cristallites présentant une taille généralement inférieure à 1 micromètre, par exemple, de l'ordre de 0,1 μιη ;  crystallites, which are the smallest constituent entities of a powder, these crystallites having a size generally less than 1 micrometer, for example, of the order of 0.1 μιη;

-des agrégats, qui sont constitués par l'association intime et solide de cristallites et présentant une taille allant généralement de 1 à 5 μιη ;  aggregates, which consist of the intimate and solid association of crystallites and having a size generally ranging from 1 to 5 μιη;

-des agglomérats, qui sont constitués d'un ensemble d'agrégats liés par des liaisons faibles (par exemple, des liaisons du type Van der Waals, des liaisons électrostatiques) et présentant une taille allant généralement de 10 à 200 μιη (la co-micronisation pouvant contribuer à désagglomérer puis à réagglomérer les particules),  agglomerates, which consist of a set of aggregates linked by weak bonds (for example, Van der Waals type bonds, electrostatic bonds) and having a size generally ranging from 10 to 200 μιη ( micronization may contribute to disaggregate and then reagglomerate the particles),

les proportions entre cristallites, agrégats et agglomérats pouvant être différentes de celles du mélange avant l'étape de co-micronisation.  the proportions between crystallites, aggregates and agglomerates may be different from those of the mixture before the co-micronization step.

En outre, les poudres peuvent présenter une surface spécifique pouvant aller de 1 à 15 m2/g-In addition, the powders may have a specific surface area ranging from 1 to 15 m 2 / g

Par cette étape, l'on accède à un mélange granulaire homogène à l'échelle de quelques micromètres, ce qui a pour effet non seulement de répartir de manière homogène l'octaoxyde de triuranium U3O8 au sein du mélange mais également de diminuer la taille de l'octaoxyde de triuranium U3O8, de sorte à ce que sa transformation allotropique en U02 lors du frittage génère des pores de taille suffisamment faible pour qu'ils ne nuisent pas à la densité du combustible. By this step, it is possible to access a homogeneous granular mixture at a scale of a few micrometers, which has the effect of not only homogeneously distributing U3O8 triuranium octaoxide within the mixture but also of reducing the size of the mixture. U3O8 triuranium octoxide, so that its allotropic conversion to U0 2 during sintering generates pores of sufficiently small size that they do not affect the density of the fuel.

D'un point de vue pratique, cette étape de co-micronisation peut être réalisée en soumettant le mélange de poudres à un broyage dans un broyeur à boulets pendant une durée suffisante pour obtenir le mélange micronisé souhaité. From a practical point of view, this co-micronization step can be carried out by subjecting the powder mixture to grinding in a ball mill for a time sufficient to obtain the desired micronized mixture.

Après cette étape de co-micronisation, le procédé de l'invention peut comprendre une étape de tamisage, et plus spécifiquement, une étape de tamisage-forçage, pour notamment éliminer les agglomérats de plus grandes dimensions.  After this co-micronization step, the method of the invention may comprise a sieving step, and more specifically, a sieving-forcing step, in particular to eliminate larger agglomerates.

Après l'étape de co-micronisation et l'éventuelle étape de tamisage, le procédé peut comprendre une étape d'ajout au mélange micronisé et éventuellement tamisé d'une poudre de dioxyde d'uranium U02, cette étape pouvant être qualifiée d'étape de dilution, en ce sens qu'elle contribue à diminuer la teneur des autres éléments que l'uranium dans le combustible et également la teneur en U3O8 dans le mélange résultant de l'étape d'ajout. Cette étape est notamment nécessaire, lorsque la teneur en Pu02 dans le mélange de poudres à l'étape a) est supérieure à la teneur spécifiée en plutonium que l'on souhaite obtenir dans le combustible final. After the co-micronization step and the possible sieving step, the process may comprise a step of adding to the micronized and optionally sieved mixture of a UO 2 uranium dioxide powder, this step being capable of being described as dilution step, in that it contributes to reducing the content of other elements than uranium in the fuel and also the U3O8 content in the mixture resulting from the adding step. This step is particularly necessary when the content of PuO 2 in the powder mixture in step a) is greater than the specified content of plutonium that is desired in the final fuel.

Dans le cas de la mise en œuvre de cette étape, le mélange micronisé obtenu à l'issue de l'étape a) peut être qualifié de « mélange mère », lequel mélange mère présente, comme mentionné ci-dessus, une source d'uranium qui peut être constituée, en tout ou partie, par de l'octaoxyde de triuranium U3O8.  In the case of the implementation of this step, the micronized mixture obtained at the end of step a) can be qualified as "mother mixture", which mother mixture has, as mentioned above, a source of uranium which may consist, in whole or in part, of triuranium octoxide U3O8.

Ensuite, le mélange de poudres (soit celui obtenu à l'issue de l'étape a) ou soit celui obtenu à l'issue de l'étape de dilution) est soumis à une étape de mise en forme sous forme de pastilles, par exemple, par pressage uniaxial. Plus spécifiquement, cette étape de mise en forme peut consister en un compactage du mélange, ce qui revient à placer le mélange dans un ou plusieurs moules de forme adaptée pour former des pastilles et, d'autre part, à soumettre ce mélange à un pressage, par exemple, uniaxial, ce pressage uniaxial pouvant être obtenu à l'aide d'un piston appliquant une pression sur le mélange placé dans le ou les moules, cette pression pouvant s'échelonner de 300 à 500 MPa pendant une durée pouvant s'échelonner de 1 seconde à 1 minute. Then, the mixture of powders (that obtained at the end of step a) or that obtained at the end of the dilution step) is subjected to a shaping step in the form of pellets, by example, by uniaxial pressing. More specifically, this shaping step may consist of compacting the mixture, which amounts to placing the mixture in one or more molds of suitable shape to form pellets and, secondly, to subject this mixture to a pressing for example, uniaxial, this uniaxial pressing being obtainable by means of a piston applying a pressure on the placed mixture in the mold or molds, this pressure may range from 300 to 500 MPa for a period ranging from 1 second to 1 minute.

A l'issue du compactage, les pastilles ainsi obtenues sont soumises à une étape de frittage, cette étape de frittage étant avantageusement réalisée dans des conditions efficaces pour l'obtention de la densité souhaitée et la réduction du U3O8 en U02 voire pour la fixation de la stœchiométrie souhaitée (à savoir, le rapport molaire entre la quantité d'oxygène et la quantité d'éléments U, Pu et/ou actinide(s) mineur(s)). L'homme du métier, en fonction de la densité et la stœchiométrie qu'il souhaite obtenir, fixera les conditions opératoires nécessaires à l'obtention de ces caractéristiques. Pour ce faire, il pourra pratiquer des essais de routine pour tester différents jeux de conditions opératoires et vérifier par des techniques d'analyse simples la densité et la stœchiométrie obtenues, jusqu'à sélectionner le jeu de conditions opératoires nécessaire à l'obtention de la densité et la stœchiométrie souhaitées. Des mesures de dilatométrie pourront également être réalisées pour déterminer les conditions optimales de frittage. At the end of the compacting, the pellets thus obtained are subjected to a sintering step, this sintering step being advantageously carried out under conditions that are effective for obtaining the desired density and the reduction of U3O8 in U0 2 or even for fixing. the desired stoichiometry (ie, the molar ratio between the amount of oxygen and the amount of U, Pu and / or minor actinide (s) elements). Those skilled in the art, depending on the density and the stoichiometry that he wishes to obtain, will determine the operating conditions necessary to obtain these characteristics. To do this, it will be able to practice routine tests to test different sets of operating conditions and verify by simple analysis techniques the density and the stoichiometry obtained, until the set of operating conditions necessary to obtain the desired density and stoichiometry desired. Dilatometry measurements may also be performed to determine the optimal sintering conditions.

Ce jeu de conditions opératoires peut être l'atmosphère, dans laquelle l'étape de frittage est mise en œuvre, la température de chauffage et la durée d'application de cette température ainsi que la vitesse de montée en température jusqu'à l'obtention de la température maximale de chauffage de palier.  This set of operating conditions can be the atmosphere in which the sintering step is carried out, the heating temperature and the duration of application of this temperature and the rate of rise in temperature until obtaining the maximum temperature of bearing heating.

A titre d'exemple, l'étape de frittage peut, ainsi, consister à soumettre la ou les pastilles préalablement obtenues à un chauffage, par exemple, en atmosphère réductrice contrôlée (par exemple, cette atmosphère pouvant consister en un mélange comprenant un gaz réducteur, éventuellement de l'oxygène et/ou de la vapeur d'eau) à une température et une durée nécessaires à l'obtention de la densité relative recherchée, cette température pouvant s'échelonner de 1000°C à 2000°C pendant une durée pouvant aller de 1 heure à 48 heures. La constitution de l'atmosphère peut être choisie de sorte à obtenir, au final, une pastille présentant une densité relative finale à une valeur définie et/ou une pastille présentant un rapport O/M (M correspondant aux éléments actinides) final prédéfini. Concernant ce dernier critère, le facteur important de la constitution de l'atmosphère est son taux d'humidité. By way of example, the sintering step may thus consist in subjecting the pre-obtained pellets or pellets to heating, for example, in a controlled reducing atmosphere (for example, this atmosphere possibly consisting of a mixture comprising a reducing gas optionally, oxygen and / or water vapor) at a temperature and a time required to obtain the desired relative density, this temperature being able to range from 1000 ° C. to 2000 ° C. for a period of time. from 1 hour to 48 hours. The constitution of the atmosphere may be chosen so as to obtain, in the end, a pellet having a final relative density at a defined value and / or a pellet having a ratio O / M (M corresponding to the actinide elements) final predefined. Regarding the latter criterion, the important factor in the constitution of the atmosphere is its moisture content.

La température de frittage peut être atteinte selon différents modes, tels que :  The sintering temperature can be reached according to different modes, such as:

-un mode dynamique où la température de chauffage est atteinte selon une montée en température linéaire ou non, cette température pouvant être ensuite maintenue jusqu'à une durée de 48 heures ;  a dynamic mode where the heating temperature is reached according to a linear rise in temperature or not, this temperature can then be maintained up to a duration of 48 hours;

-un mode de montée en température par paliers, jusqu'à atteindre un palier correspondant à la température de chauffage, ce palier de température pouvant être maintenu jusqu'à une durée de 48 heures.  a stepped temperature rise mode, until reaching a plateau corresponding to the heating temperature, this temperature step being able to be maintained up to a duration of 48 hours.

A titre d'exemple, la température de frittage peut être obtenue par une montée en température linéaire jusqu'à atteindre un palier de température de 1700°C, lequel peut être maintenu pendant une durée de 4 heures.  By way of example, the sintering temperature can be obtained by a linear rise in temperature until reaching a temperature plateau of 1700 ° C., which can be maintained for a period of 4 hours.

Concernant l'atmosphère, celle-ci peut être de nature différente, notamment selon la proportion de plutonium souhaitée dans le combustible.  As regards the atmosphere, this may be of a different nature, in particular depending on the proportion of plutonium desired in the fuel.

Ainsi, pour des combustibles dont la proportion de plutonium est de l'ordre de 15% ou de l'ordre de 30% (de tels combustibles étant appropriés pour des réacteurs à neutrons rapides), l'atmosphère peut être constituée d'un mélange comprenant de l'argon et de l'hydrogène (4% en volume d'hydrogène) et respectivement un taux d'humidité de l'ordre de quelques dizaines de vpm, par exemple, de 1 à 50 vpm d'eau pour un mélange Ar/l-h (4% en volume d'hydrogène) pour une teneur en plutonium de l'ordre de 15% et un taux d'humidité de l'ordre de quelques centaines de vpm, par exemple, de 100 à 500 vpm d'eau pour un mélange Ar/l-h (4% en volume d'hydrogène) pour une teneur en plutonium de l'ordre de 30%. Thus, for fuels whose proportion of plutonium is of the order of 15% or of the order of 30% (such fuels being suitable for fast neutron reactors), the atmosphere may consist of a mixture comprising argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and respectively a moisture content of the order of a few tens of vpm, for example, from 1 to 50 vpm of water for a mixture Ar / lh (4% by volume of hydrogen) for a plutonium content of the order of 15% and a moisture content of the order of a few hundred vpm, for example from 100 to 500 vpm of water for a mixture Ar / lh (4% by volume of hydrogen) for a plutonium content of the order of 30%.

Pour des combustibles dont la proportion en plutonium est inférieure à 12% (de tels combustibles étant appropriés pour des réacteurs à eau pressurisée), l'atmosphère peut être constituée d'un mélange comprenant de l'argon et de l'hydrogène (4% en volume d'hydrogène) et un taux d'humidité de plus de 1000 vpm.  For fuels with a plutonium content of less than 12% (such fuels being suitable for pressurized water reactors), the atmosphere may consist of a mixture comprising argon and hydrogen (4% in volume of hydrogen) and a humidity level of more than 1000 vpm.

A l'issue du procédé de l'invention, l'on obtient ainsi des pastilles de combustible présentant une densité importante, en particulier, une densité relative supérieure à 94%, cette densité relative correspondant au rapport de la densité apparente sur la densité théorique (soit, en d'autres termes, une porosité inférieure à 6%) et, plus spécifiquement une densité relative supérieure ou égale à 96%.  At the end of the process of the invention, fuel pellets having a high density, in particular a relative density greater than 94%, are obtained, this relative density corresponding to the ratio of the apparent density to the theoretical density. (ie, in other words, less than 6% porosity) and, more specifically, a relative density greater than or equal to 96%.

A titre d'exemple, la densité théorique d'une pastille de combustible MOX sous forme d'une solution solide de dioxyde d'uranium et de plutonium est déduite du paramètre de maille par l'équation suivante :  By way of example, the theoretical density of a MOX fuel pellet in the form of a solid solution of uranium dioxide and plutonium is deduced from the mesh parameter by the following equation:

Densité théorique=l,6598*106* [(4*M(U,Pu)+64*(2-x))/a3] dans laquelle : Theoretical density = 1.6598 * 10 6 * [(4 * M (U, Pu) + 64 * (2-x)) / a 3 ] in which:

-M(U,Pu) correspond à la masse molaire des éléments U et Pu -M (U, Pu) corresponds to the molar mass of the elements U and Pu

(en g. mol _1) ; (in g mol _1 );

-x correspond à l'écart à la stoechiométrie de l'oxygène de la solution solide ;  -x corresponds to the stoichiometry difference of the oxygen of the solid solution;

-a correspond au paramètre de maille (en pm).  -a corresponds to the mesh parameter (in pm).

Le paramètre de maille d'une pastille MOX frittée à base d'une solution solide (Ui-yPuy)02-x entre 0 et 30% de Pu est donné par l'équation suivante : a(pm)=547,0-7,4y+(30,l+ll,0y)*x The mesh parameter of a sintered MOX chip based on a solid solution (Ui y Pu y ) 02-x between 0 and 30% Pu is given by the following equation: a (pm) = 547,0-7,4y + (30 + II, 0y) * x

dans laquelle :  in which :

-a correspond au paramètre de maille ;  -a corresponds to the mesh parameter;

-y correspond à la teneur en plutonium de la solution solide ; et -x correspond à l'écart à la stoechiométrie de l'oxygène de la solution solide.  y corresponds to the plutonium content of the solid solution; and -x corresponds to the stoichiometry difference of the oxygen of the solid solution.

L'invention va être, à présent, décrite en référence au mode de réalisation particulier explicité ci-dessous, ce mode de réalisation réalisé en laboratoire étant fourni à titre illust ratif et non limitatif.  The invention will now be described with reference to the particular embodiment explained below, this embodiment made in the laboratory being provided for illustrative and non-limiting purposes.

EXPOSE DETAILLE D'UN MODE DE REALISATION PARTICULIER DETAILED DESCRIPTION OF A PARTICULAR EMBODIMENT

EXEMPLE  EXAMPLE

Cet exemple illustre la préparation de pastilles de combustible obtenues conformément au procédé de l'invention selon deux variantes :  This example illustrates the preparation of fuel pellets obtained according to the process of the invention according to two variants:

-une première variante n'impliquant pas d'étape de dilution du mélange micronisé avec une poudre de U02 ; a first variant that does not involve a step of diluting the micronized mixture with a UO 2 powder;

-une deuxième variante impliquant une étape de dilution du mélange micronisé avec une poudre de U02. a second variant involving a step of diluting the micronized mixture with a UO 2 powder.

A titre comparatif, il est également procédé à la préparation de pastilles de combustibles obtenues selon des procédés n'utilisant pas d'octaoxyde de triuranium U3O8 également selon une première variante n'impliquant pas d'étape de dilution du mélange micronisé et une deuxième variante impliquant une étape de dilution du mélange micronisé. a) Première variante conforme à l'invention  For comparison, it is also proceeded to the preparation of pellets of fuels obtained by processes not using U3O8 triuranium octaoxide also according to a first variant not involving a step of diluting the micronized mixture and a second variant involving a step of diluting the micronized mixture. a) First variant according to the invention

Dans cette variante, un mélange de poudres (20 g) est préparé pour obtenir un mélange correspondant à une composition comprenant 35,5% at. de U308 (soit, 7,2 g), 35,5% at. de U02 (soit 7,1 g) et 29% at. de Pu02 (soit 5,7 g). La poudre de U3O8, la poudre de U02 et la poudre de Pu02 présentent, respectivement, une surface spécifique de 2,2 m2/g, 3,7 m2/g et 5,7 m2/g. In this variant, a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 35.5 at%. of U 3 0 8 (ie, 7.2 g), 35.5% at. U0 2 (7.1 g) and 29 at%. of Pu0 2 (ie 5.7 g). The powder of U3O8, the U0 2 powder and powder Pu0 2 respectively have a surface area of 2.2 m 2 / g, 3.7 m 2 / g and 5.7 m 2 / g.

Le mélange est ensuite soumis à une co-micronisation par voie sèche au moyen d'un broyeur à boulets constitué d'une cuve cylindrique de 0,5 litre remplie de corps broyants (qui sont des galets orthocylindriques), la cuve étant soumise à une vitesse de rotation de 60 tours/min et une inclinaison de 10° pendant une durée de 4 heures (8 cycles de 30 minutes avec un décolmatage du mélange de poudres entre chaque cycle).  The mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).

Cette étape a pour but d'homogénéiser le mélange de poudres à l'échelle micrométrique, les mécanismes entrant en ligne de compte étant des mécanismes de fragmentation et de désagglomération-agglomération et conduit également à une augmentation de la surface spécifique du mélange de poudres.  This step is intended to homogenize the mixture of powders at the micrometer scale, the mechanisms involved being mechanisms of fragmentation and deagglomeration-agglomeration and also leads to an increase in the specific surface of the powder mixture.

Le mélange de poudres obtenu présente une surface spécifique de 4, 2 m2/g. The resulting powder mixture has a specific surface area of 4.2 m 2 / g.

Le mélange est ensuite tamisé de sorte à séparer du mélange de poudres les agglomérats de plus de 200 μιη (ce qui correspond à 10% en masse du mélange). Les agglomérats ainsi isolés sont ensuite broyés dans un mortier en agate puis repassés au tamis. L'objectif de ce tamisage est ainsi d'éliminer les gros agglomérats formés lors de l'étape précédente. En effet, la présence de gros agglomérats pourraient générer des problèmes de remplissage des matrices de presse ainsi que des problèmes de rétreint lors du frittage, ce qui pourrait provoquer la création d'une porosité inter-agglomérats.  The mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 μιη from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture). The agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve. The purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the presence of large agglomerates could generate problems of filling press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.

Le mélange tamisé est mis en forme par compactage et plus spécifiquement par pressage uniaxial à matrice flottante Osterwalder sous une pression de 350 MPa. Une pression d'accompagnement de 35 MPa est appliquée au cours de l'éjection. La matrice est lubrifiée avant chaque cycle de compactage avec une poudre organométallique de stéarate de zinc. Au final, 10 comprimés de 1,5 g sont obtenus présentant une masse volumique géométrique de 6 g. cm 3. The sieved mixture is shaped by compacting and more specifically by uniaxial Osterwalder floating matrix pressing under a pressure of 350 MPa. An accompanying pressure of 35 MPa is applied during the ejection. The matrix is lubricated before each compacting cycle with an organometallic powder of zinc stearate. Finally, 10 tablets of 1.5 g are obtained having a geometric density of 6 g. cm 3 .

Un premier lot de pastilles est soumis à un cycle de frittage dans une atmosphère comprenant un mélange d'argon et d'hydrogène (4% en volume d'hydrogène) et une teneur d'humidité de 1200 vpm au cours duquel un palier de température de 1700°C est appliqué pendant 4 heures.  A first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm in which a temperature step 1700 ° C is applied for 4 hours.

Un deuxième lot de pastilles est soumis au même cycle de frittage.  A second batch of pellets is subjected to the same sintering cycle.

b) Deuxième variante conforme à l'invention  b) Second variant according to the invention

Dans cette variante, un mélange de poudres (20 g) est préparé pour obtenir un mélange correspondant à une composition comprenant 35,5% at. de U308 (soit, 7,2 g), 35,5% at. de U02 (soit 7,1 g) et 29% at. de Pu02 (soit 5,7 g). In this variant, a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 35.5 at%. of U 3 0 8 (ie, 7.2 g), 35.5% at. U0 2 (7.1 g) and 29 at%. of Pu0 2 (ie 5.7 g).

La poudre de U3O8, la poudre de U02 et la poudre de Pu02 présentent, respectivement, une surface spécifique de 2,2 m2/g, 3,7 m2/g et 5,7 m2/g. The powder of U3O8, the U0 2 powder and powder Pu0 2 respectively have a surface area of 2.2 m 2 / g, 3.7 m 2 / g and 5.7 m 2 / g.

Le mélange est ensuite soumis à une co-micronisation par voie sèche au moyen d'un broyeur à boulets constitué d'une cuve cylindrique de 0,5 litre remplie de corps broyants (qui sont des galets orthocylindriques), la cuve étant soumise à une vitesse de rotation de 60 tours/min et une inclinaison de 10° pendant une durée de 4 heures (8 cycles de 30 minutes avec un décolmatage du mélange de poudres entre chaque cycle).  The mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).

Le mélange de poudres obtenu présente une surface spécifique de 4, 2 m2/g. The resulting powder mixture has a specific surface area of 4.2 m 2 / g.

Le mélange est ensuite tamisé de sorte à séparer du mélange de poudres les agglomérats de plus de 200 μιη (ce qui correspond à 10% en masse du mélange). Les agglomérats ainsi isolés sont ensuite broyés dans un mortier en agate puis repassés au tamis. L'objectif de ce tamisage est ainsi d'éliminer les gros agglomérats formés lors de l'étape précédente. En effet, la présence de gros agglomérats pourraient générer des problèmes de remplissage des matrices de presse ainsi que des problèmes de rétreint lors du frittage, ce qui pourrait provoquer la création d'une porosité inter-agglomérats. The mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 μιη from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture). The agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve. The purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the the presence of large agglomerates could generate problems of filling the press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.

Le mélange tamisé (dit ci-dessous mélange-mère) est ensuite soumis à une étape de dilution consistant à y ajouter une poudre de UO2, moyennant quoi l'on obtient un mélange (20 g) comprenant le mélange-mère (à hauteur de 34,6%) et une poudre de U02 (à hauteur de 65,4%). The sieved mixture (hereinafter masterbatch) is then subjected to a dilution step of adding a powder of UO2, whereby a mixture (20 g) comprising the masterbatch (at 34.6%) and a powder of U0 2 (65.4%).

Plus spécifiquement, l'étape de dilution consiste en un brassage dans un mélange de type Turbula. Pour ce faire, les poudres sont introduites dans un conteneur en plastique de 150 cm3 muni d'un fil de fer, lequel conteneur est ensuite placé dans la cuve d'un mélangeur. Des études préalables de qualification de l'appareil ont permis de fixer la vitesse de rotation de la cuve à 24 tours/minute ainsi que la durée du cycle du mélange à 10 minutes. Outre la dilution du mélange-mère, cette étape a pour objectif d'homogénéiser la répartition des particules constitutives du mélange-mère dans la poudre U02. More specifically, the dilution step consists of a stirring in a mixture of Turbula type. To do this, the powders are introduced into a plastic container 150 cm 3 provided with a wire, which container is then placed in the tank of a mixer. Prior studies of qualification of the apparatus made it possible to set the speed of rotation of the tank at 24 rpm as well as the duration of the mixing cycle at 10 minutes. In addition to the dilution of the masterbatch, this step aims to homogenize the distribution of the particles constituting the masterbatch in the UO 2 powder.

Le mélange dilué présente une surface spécifique de 4,2 m2/g-The diluted mixture has a specific surface area of 4.2 m 2 / g

Le mélange résultant est mis en forme par compactage et plus spécifiquement par pressage uniaxial à matrice flottante Osterwalder sous une pression de 350 MPa. Une pression d'accompagnement de 35 MPa est appliquée au cours de l'éjection. La matrice est lubrifiée avant chaque cycle de compactage avec une poudre organométallique de stéarate de zinc. The resulting mixture is shaped by compacting and more specifically by Osterwalder floating matrix uniaxial pressing under a pressure of 350 MPa. An accompanying pressure of 35 MPa is applied during the ejection. The matrix is lubricated before each compacting cycle with an organometallic powder of zinc stearate.

Au final, 10 comprimés de 1,5 g sont obtenus présentant une masse volumique géométrique de 5,7 g. cm 3. Finally, 10 tablets of 1.5 g are obtained having a geometric density of 5.7 g. cm 3 .

Un premier lot de pastilles est soumis à un cycle de frittage dans une atmosphère comprenant un mélange d'argon et d'hydrogène (4% en volume d'hydrogène) et une teneur d'humidité de 1200 vpm au cours duquel un palier de température de 1700°C est appliqué pendant 4 heures.  A first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm in which a temperature step 1700 ° C is applied for 4 hours.

Un deuxième lot de pastilles est soumis au même cycle de frittage. c) Exemple comparatif (première variante ) A second batch of pellets is subjected to the same sintering cycle. c) Comparative example (first variant)

Dans cette variante, un mélange de poudres (20 g) est préparé pour obtenir un mélange correspondant à une composition comprenant 71% at. de U02 (soit 14,3 g) et 29% at. de Pu02 (soit 5,7 g), ce mélange présentant une surface spécifique de 5,4 m2/g-In this variant, a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 71 at%. U0 2 (14.3 g) and 29 at%. of Pu0 2 (ie 5.7 g), this mixture having a specific surface area of 5.4 m 2 / g

Le mélange est ensuite soumis à une co-micronisation par voie sèche au moyen d'un broyeur à boulets constitué d'une cuve cylindrique de 0,5 litre remplie de corps broyants (qui sont des galets orthocylindriques), la cuve étant soumise à une vitesse de rotation de 60 tours/min et une inclinaison de 10° pendant une durée de 4 heures (8 cycles de 30 minutes avec un décolmatage du mélange de poudres entre chaque cycle). The mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a 0.5 liter cylindrical vessel filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a speed of rotation of 60 rpm and inclination of 10 ° for a period of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).

Le mélange est ensuite tamisé de sorte à séparer du mélange de poudres les agglomérats de plus de 200 μιη (ce qui correspond à 10% en masse du mélange). Les agglomérats ainsi isolés sont ensuite broyés dans un mortier en agate puis repassés au tamis. L'objectif de ce tamisage est ainsi d'éliminer les gros agglomérats formés lors de l'étape précédente. En effet, la présence de gros agglomérats pourraient générer des problèmes de remplissage des matrices de presse ainsi que des problèmes de rétreint lors du frittage, ce qui pourrait provoquer la création d'une porosité inter-agglomérats.  The mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 μιη from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture). The agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve. The purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the presence of large agglomerates could generate problems of filling press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.

Le mélange résultant est mis en forme par compactage et plus spécifiquement par pressage uniaxial à matrice flottante Osterwalder sous une pression de 350 MPa. Une pression d'accompagnement de 35 MPa est appliquée au cours de l'éjection. La matrice est lubrifiée avant chaque cycle de compactage avec une poudre organométallique de stéarate de zinc.  The resulting mixture is shaped by compacting and more specifically by Osterwalder floating matrix uniaxial pressing under a pressure of 350 MPa. An accompanying pressure of 35 MPa is applied during the ejection. The matrix is lubricated before each compacting cycle with an organometallic powder of zinc stearate.

Au final, 10 comprimés de 1,5 g sont obtenus présentant une masse volumique géométrique de 6,5 g. cm 3. Finally, 10 tablets of 1.5 g are obtained having a geometric density of 6.5 g. cm 3 .

Un premier lot de pastilles est soumis à un cycle de frittage dans une atmosphère comprenant un mélange d'argon et d'hydrogène (4% en volume d'hydrogène) et une teneur d'humidité de 1200 vpm au cours duquel un palier de température de 1700°C est appliqué pendant 4 heures. A first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm during which a temperature plateau of 1700 ° C is applied for 4 hours.

Un deuxième lot de pastilles est soumis au même cycle de frittage.  A second batch of pellets is subjected to the same sintering cycle.

d) Exemple comparatif (deuxième variante)  d) Comparative example (second variant)

Dans cette variante, un mélange de poudres (20 g) est préparé pour obtenir un mélange correspondant à une composition comprenant 71% at. de U02 (soit 14,3 g) et 29% at. de Pu02 (soit 5,7 g), ce mélange présentant une surface spécifique de 5,4 m2/g- Le mélange est ensuite soumis à une co-micronisation par voie sèche au moyen d'un broyeur à boulets constitué d'une cuve cylindrique de 0,5 litre remplie de corps broyants (qui sont des galets orthocylindriques), la cuve étant soumise à une vitesse de rotation de 60 tours/min et une inclinaison de 10° pendant une durée de 4 heures (8 cycles de 30 minutes avec un décolmatage du mélange de poudres entre chaque cycle). In this variant, a mixture of powders (20 g) is prepared to obtain a mixture corresponding to a composition comprising 71 at%. U0 2 (14.3 g) and 29 at%. of PuO 2 (ie 5.7 g), this mixture having a specific surface area of 5.4 m 2 / g. The mixture is then subjected to dry co-micronisation using a ball mill consisting of a cylindrical vessel of 0.5 liter filled with grinding bodies (which are orthocylindrical rollers), the tank being subjected to a rotation speed of 60 revolutions / min and an inclination of 10 ° for a duration of 4 hours (8 cycles of 30 minutes with unclogging of the powder mixture between each cycle).

Le mélange est ensuite tamisé de sorte à séparer du mélange de poudres les agglomérats de plus de 200 μιη (ce qui correspond à 10% en masse du mélange). Les agglomérats ainsi isolés sont ensuite broyés dans un mortier en agate puis repassés au tamis. L'objectif de ce tamisage est ainsi d'éliminer les gros agglomérats formés lors de l'étape précédente. En effet, la présence de gros agglomérats pourraient générer des problèmes de remplissage des matrices de presse ainsi que des problèmes de rétreint lors du frittage, ce qui pourrait provoquer la création d'une porosité inter-agglomérats.  The mixture is then screened so as to separate agglomerates of more than 200 μιη from the mixture of powders (which corresponds to 10% by weight of the mixture). The agglomerates thus isolated are then ground in an agate mortar and then ironed with a sieve. The purpose of this sieving is thus to eliminate the large agglomerates formed in the previous step. Indeed, the presence of large agglomerates could generate problems of filling press dies as well as sintering problems during sintering, which could cause the creation of inter-agglomerated porosity.

Le mélange tamisé (dit ci-dessous mélange-mère) est ensuite soumis à une étape de dilution consistant à y ajouter une poudre de U02 pour atteindre une teneur finale du mélange de 10% molaire. The sieved mixture (hereinafter masterbatch) is then subjected to a dilution step of adding a powder of UO 2 to reach a final content of the mixture of 10 mol%.

Plus spécifiquement, l'étape de dilution consiste en un brassage dans un mélange de type Turbula. Pour ce faire, les poudres sont introduites dans un conteneur en plastique de 150 cm3 muni d'un fil de fer, lequel conteneur est ensuite placé dans la cuve d'un méla ngeur. Des études préalables de qualification de l'appareil ont permis de fixer la vitesse de rotation de la cuve à 24 tours/minute ainsi que la durée du cycle du mélange à 10 minutes. Outre la dilution du mélange-mère, cette étape a pour objectif d'homogénéiser la répartition des particules constitutives du mélange-mère dans la poudre U02. More specifically, the dilution step consists of a stirring in a mixture of Turbula type. To do this, the powders are introduced into a 150 cm 3 plastic container equipped with a wire, which container is then placed in the tank of a mixer. Prior studies of qualification of the apparatus made it possible to set the speed of rotation of the tank at 24 rpm as well as the duration of the mixing cycle at 10 minutes. In addition to the dilution of the masterbatch, this step aims to homogenize the distribution of the particles constituting the masterbatch in the UO 2 powder.

Le mélange dilué présente une surface spécifique de 4,6 m2/g-The diluted mixture has a specific surface area of 4.6 m 2 / g

Le mélange résultant est mis en forme par compactage et plus spécifiquement par pressage uniaxial à matrice flottante Osterwalder sous une pression de 350 M Pa. Une pression d'accompagnement de 35 M Pa est appliquée au cours de l'éjection. La matrice est lubrifiée ava nt chaque cycle de com pactage avec une poudre organométallique de stéarate de zinc. The resulting mixture is shaped by compacting and more specifically by Osterwalder floating matrix uniaxial pressing under a pressure of 350 M Pa. An accompanying pressure of 35 M Pa is applied during the ejection. The matrix is lubricated before each compaction cycle with an organometallic powder of zinc stearate.

Au final, 10 comprimés de 1,5 g sont obtenus présentant une masse volumique géométrique de 5,9 g. cm 3. Finally, 10 tablets of 1.5 g are obtained having a geometric density of 5.9 g. cm 3 .

Un premier lot de pastilles est soumis à un cycle de frittage dans une atmosphère comprenant un mélange d'argon et d'hydrogène (4% en volume d'hydrogène) et une teneur d'humidité de 1200 vpm au cours duquel un palier de température de 1700°C est appliqué pendant 4 heures.  A first batch of pellets is subjected to a sintering cycle in an atmosphere comprising a mixture of argon and hydrogen (4% by volume of hydrogen) and a moisture content of 1200 vpm in which a temperature step 1700 ° C is applied for 4 hours.

Un deuxième lot de pastilles est soumis au même cycle de frittage.  A second batch of pellets is subjected to the same sintering cycle.

e) Résultats  e) Results

Les pastilles obtenues selon les différentes variantes susmentionnées aux paragraphes a), b), c) et d) ont été analysées pour déterminer leur densité, le rapport O/M (M étant les autres éléments que l'oxygène), le taux de porosité ouverte et la conformité à un test de stabilité thermique.  The pellets obtained according to the different variants mentioned in paragraphs a), b), c) and d) were analyzed to determine their density, the ratio O / M (M being the elements other than oxygen), the porosity rate. open and compliance with a thermal stability test.

Les protocoles de détermination pour ces paramètres sont les suivants. *Détermination de la densité apparente The determination protocols for these parameters are as follows. * Determination of apparent density

La détermination de la densité apparente des échantillons de forme cylindrique est réalisée soit à partir de mesures géométriques, soit par immersion dans un liquide.  The determination of the apparent density of the cylindrical samples is carried out either from geometric measurements or by immersion in a liquid.

Dans le premier cas, les mesures de la masse, de la hauteur et du diamètre moyen de l'échantillon permettent de déterminer la masse volumique apparente. La précision obtenue par cette technique est de l'ordre de 1 %. Cette mesure de densité est appliquée sur les matériaux compactés après pressage.  In the first case, measurements of the mass, the height and the average diameter of the sample make it possible to determine the apparent density. The precision obtained by this technique is of the order of 1%. This density measurement is applied to compacted materials after pressing.

La technique d'immersion, également appelée mesure hydrostatique, est plus précise. Elle consiste à imprégner l'échantillon d'un liquide mouillant de température et masse volumique connues. Cette imprégnation est réalisée sous vide primaire pour assurer un rem plissage total de la porosité ouverte. Le liquide utilisé dans notre cas est du bromobenzène. La masse volumique de la céramique est obtenue en utilisant la formule :  The immersion technique, also called hydrostatic measurement, is more precise. It consists in impregnating the sample with a wetting liquid of known temperature and density. This impregnation is carried out under a primary vacuum to ensure complete plumping of the open porosity. The liquid used in our case is bromobenzene. The density of the ceramic is obtained using the formula:

P = P =

m2— m3 m 2 - m 3

avec :  with:

> mi : masse de l'échantillon sec pesé à l'air  > mi: mass of the dry sample weighed in the air

> rri2 : masse de l'échantillon totalement imprégné pesé à l'air libre à 22°C  > rri2: mass of the totally impregnated sample weighed in the open air at 22 ° C

> rri3 : masse à 22°C de l'échantillon imprégné totalement immergé dans du bromobenzène pb : masse volumique du bromobenzène à 22°C La précision de la mesure sur la densité apparente est de 0,2%. Cette mesure de densité est appliquée préférentiellement pour les pastilles après frittage.  > rri3: mass at 22 ° C of the impregnated sample totally immersed in bromobenzene pb: density of bromobenzene at 22 ° C. The accuracy of the measurement on the bulk density is 0.2%. This density measurement is applied preferentially for the pellets after sintering.

La densité théorique est un paramètre intrinsèque à un matériau évalué ici par son paramètre de maille, son isotopie, sa stœchiométrie oxygène. *Détermination du rapport O/M The theoretical density is an intrinsic parameter to a material evaluated here by its mesh parameter, its isotopy, its oxygen stoichiometry. * Determination of the ratio O / M

Pour procéder à la détermination du rapport O/M (M correspondant aux éléments U et Pu), il est procédé à un traitement thermochimique adapté d'oxydo-réduction. Ce traitement est réalisé, sous argon hydrogéné à 5% H2 saturé en eau à une température de l'ordre de 950°C, ce qui permet d'accéder à une très faible incertitude sur la valeur du rapport O/M (typiquement inférieure à 0,003). In order to determine the O / M ratio (M corresponding to the U and Pu elements), a suitable oxido-reduction thermochemical treatment is carried out. This treatment is carried out under hydrogenated argon at 5% H 2 saturated with water at a temperature of the order of 950 ° C., which makes it possible to access a very small uncertainty on the value of the ratio O / M (typically less than to 0.003).

*Test de stabilité thermique  * Thermal stability test

Le cycle de stabilité est défini par un traitement de 24 heures à 1700°C sous atmosphère neutre (argon). En sortie de four, on procède à la pesée et métrologie des pastilles et/ou densité par pesée hydrostatique. Il y a conformité au test de stabilité thermique lorsque la variation de densité est inférieure à 1,9% en densification et sans gonflement après test. The stability cycle is defined by a 24 hour treatment at 1700 ° C under a neutral atmosphere (argon). At the furnace outlet, weighing and metrology of the pellets and / or density are carried out by hydrostatic weighing. There is conformity to the thermal stability test when the density variation is less than 1.9% in densification and without swelling after the test.

Les résultats figurent dans le tableau suivant. The results are shown in the following table.

Pastilles Densité Rapport O/M Taux de Test de porosité stabilité ouverte thermiquePellets Density Ratio O / M Porosity Test Rate Open Thermal Stability

Paragraphe a) 10,65 g.cnr3, 2,000 < 1% Conforme soit une Paragraph a) 10.65 g.cnr 3 , 2,000 <1% Complies with either

densité  density

relative de 96  relative of 96

% (la densité  % (the density

théorique  theoretical

étant de 11,1)  being 11.1)

Paragraphe b) 10,60 g.cnr3, 2,000 < 1% Conforme soit une Paragraph b) 10.60 g.cnr 3 , 2,000 <1% Complies with either

densité  density

relative de  relative of

96,4 % (la  96.4% (the

densité  density

théorique  theoretical

étant de 11,0)  being 11.0)

Paragraphe c) 10,73 g.cnr3, 2,000 < 1% Conforme soit une Paragraph (c) 10.73 g.cnr 3 , 2,000 <1% Complies with either

densité  density

relative de  relative of

96,7 % (la  96.7% (the

densité  density

théorique  theoretical

étant de 11,1)  being 11.1)

Paragraphe d) 10,65 g.cnr3, 2,000 < 1% Conforme soit une Paragraph d) 10.65 g.cnr 3 , 2,000 <1% Compliant be one

densité  density

relative de  relative of

96,8 % (la  96.8% (the

densité  density

théorique  theoretical

étant de 11,0)  being 11.0)

Les densités théoriques indiquées dans le tableau sont déterminées selon la méthode de la partie descriptive. The theoretical densities indicated in the table are determined according to the method of the descriptive part.

Ainsi, pour les pastilles préparées selon les modalités du paragraphe a) avec une teneur en plutonium de 29%at, une masse molaire M(U,Pu) de 238,5 g. mol 1 et un écart à la stoechiométrie de 0, la densité théorique se calcule selon l'équation suivante : Thus, for the pellets prepared according to the modalities of paragraph a) with a plutonium content of 29 at%, a molar mass M (U, Pu) of 238.5 g. mol 1 and a stoichiometric deviation of 0, the theoretical density is calculated according to the following equation:

Densité théorique=l,6598*106* [((4*M(U,Pu)+64*(2-x)))/ (547,0-7,4y+(30,l+ll,0y)*x)3], Theoretical Density = 1.6598 * 10 6 * [((4 * M (U, Pu) + 64 * (2-x))) / (547.0-7.4y + (30, 1 + 11, 0y) * x) 3 ],

soit 11,1.  that is 11.1.

Pour les pastilles préparées selon les modalités du paragraphe b) avec une teneur en plutonium de 10%at, une masse molaire M(U,Pu) de 238,2 g. mol 1 et un écart à la stoechiométrie de 0, la densité théorique se calcule selon l'équation suivante : For pellets prepared according to the modalities of paragraph b) with a plutonium content of 10 at%, a molar mass M (U, Pu) of 238.2 g. mol 1 and a stoichiometric deviation of 0, the theoretical density is calculated according to the following equation:

Densité théorique=l,6598*106* [((4*M(U,Pu)+64*(2-x)))/ (547,0-7,4y+(30,l+ll,0y)*x)3], Theoretical Density = 1.6598 * 10 6 * [((4 * M (U, Pu) + 64 * (2-x))) / (547.0-7.4y + (30, 1 + 11, 0y) * x) 3 ],

soit 11,0.  that is 11.0.

Il ressort, notamment, que toutes les pastilles présentent une densité relative supérieure ou égale à 96%.  It emerges, in particular, that all the pellets have a relative density greater than or equal to 96%.

L'on peut ainsi en conclure que l'utilisation de U3O8 comme source d'uranium ne nuit nullement à la densité des pastilles obtenues, les valeurs de densités obtenues avec U3O8 étant équivalentes à celles obtenues pour les pastilles réalisées uniquement avec du UO2, comme source d'uranium. It can thus be concluded that the use of U3O8 as a source of uranium does not in any way affect the density of the pellets obtained. density values obtained with U3O8 being equivalent to those obtained for pellets made solely with UO2, as a source of uranium.

Ainsi, grâce au procédé de l'invention, il est possible d'accéder aux avantages découlant de l'utilisation d'une poudre de U3O8 tout en accédant à des pastilles denses de combustible en utilisant cette poudre.  Thus, thanks to the method of the invention, it is possible to access the advantages arising from the use of U3O8 powder while accessing dense pellets of fuel using this powder.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de pastilles d'un combustible dense mixte comprenant du dioxyde d'uranium UO2, de l'oxyde de plutonium Pu02 et éventuellement au moins un oxyde d'actinide(s) mineur(s) ou comprenant une solution solide de dioxyde d'uranium, de plutonium et éventuellement d'au moins un actinide mineur comprenant successivement les étapes suivantes : A process for preparing pellets of a mixed dense fuel comprising uranium dioxide UO 2, plutonium oxide PuO 2 and optionally at least one minor actinide oxide (s) or comprising a solid solution of uranium dioxide, plutonium and possibly at least one minor actinide comprising successively the following steps: a) une étape de co-micronisation d'un mélange de poudres comprenant une poudre d'oxyde(s) d'uranium, dont tout ou partie de cette poudre est constituée d'octaooxyde de triuranium U3O8, une poudre d'oxyde de plutonium Pu02 et éventuellement une poudre d'oxyde(s) d'actinide(s) mineur(s) ; a) a step of co-micronization of a mixture of powders comprising a powder of uranium oxide (s), all or part of this powder consists of U3O8 triuranium octaoxide, a plutonium oxide powder; PuO 2 and optionally a minor oxide (s) oxide (s) powder (s); b) une étape de compactage du mélange de poudres sous forme de pastilles ;  b) a step of compacting the mixture of powders in the form of pellets; c) une étape de frittage des pastilles obtenues en b).  c) a sintering step of the pellets obtained in b). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la poudre d'oxyde(s) d'uranium est composée exclusivement d'une poudre d'octaoxyde de triuranium U3O8 ou d'un mélange d'octaoxyde de triuranium U3O8 et de dioxyde d'uranium U02. 2. Method according to claim 1, wherein the uranium oxide powder (s) is composed exclusively of a U3O8 triuranium octaoxide powder or a mixture of U3O8 triuranium octoxide and carbon dioxide. uranium U0 2 . 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de co-micronisation consiste à soumettre le mélange obtenu en a) à un broyage dans un broyeur à boulets pendant une durée suffisante pour obtenir le mélange micronisé. 3. A process according to any one of the preceding claims, wherein the co-micronization step comprises subjecting the mixture obtained in a) to ball milling for a time sufficient to obtain the micronized mixture. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprena nt, en outre, après l'étape de co-micronisation, une étape de tamisage et plus spécifiquement, une étape de tamisage-forçage, 4. Method according to any one of the preceding claims, furthermore comprising, after the co-micronisation step, a sieving step and more specifically, a sieving-forcing step, 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, en outre, après l'étape de co-micromisation et l'éventuelle étape de tamisage, une étape d'ajout au mélange micronisé et éventuellement tamisé d'une poudre de dioxyde d'uranium U02. 5. Method according to any one of the preceding claims, further comprising, after the step of co-micromisation and the possible sieving step, a step of adding to the micronized mixture and optionally sieved a powder of dioxide uranium U0 2 . 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de mise en forme sous forme de pastilles consiste à soumettre le mélange de poudres à un pressage unixaxial. The method of any of the preceding claims, wherein the pelletizing step comprises subjecting the powder mixture to unixaxial pressing. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de frittage est réalisée dans une atmosphère consistant en un mélange comprenant un gaz réducteur, éventuellement de l'oxygène et/ou de la vapeur d'eau. 7. A process according to any one of the preceding claims, wherein the sintering step is carried out in an atmosphere consisting of a mixture comprising a reducing gas, optionally oxygen and / or water vapor. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, avant l'étape a), une étape de préparation du mélange de poudres par mise en contact d'une poudre d'oxyde(s) d'uranium, dont tout ou partie de cette poudre est constituée d'octaoxyde de triuranium U3O8, d'une poudre d'oxyde de plutonium Pu02 et éventuellement d'une poudre d'oxyde(s) d'actinide(s) mineur(s). 8. Process according to any one of the preceding claims, comprising, before step a), a step of preparing the powder mixture by contacting a powder of uranium oxide (s), all or part of this powder consists of triuranium octaoxide U3O8, a plutonium oxide powder Pu0 2 and optionally a powder (s) actinide (s) minor (s).
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WO2003015105A2 (en) 2001-08-08 2003-02-20 Framatome Anp Gmbh Method for producing a mixed oxide nuclear fuel powder and a mixed oxide nuclear fuel sintered compact
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