Absorbeurs de radiations nucléaires

Abstract

 Les absorbeurs métalliques de radiations nucléaires contiennent du samarium métallique sous forme d'alliage métallique choisi parmi l'une au moins des familles d'alliages suivantes: cuivre-samarium, aluminium-samarium et magnésium-samarium, respectivement, chacune desdites familles d'alliages contenant de 0,05 à 95% en poids de samarium par rapport au poids total de l'alliage.
Ils peuvent en outre contenir des éléments addi­tionnels tels qu'éléments neutrophages, éléments renforça­teurs des propriétés physiques, mécaniques, technologiques, des fibres ou des éléments anti-corrosion.
Ils peuvent être notamment utilisés pour absorber des neutrons et des rayonnements γ et X.

Description

[0001] La présente invention concerne des absorbeurs métalliques de radiations nucléaires. Elle a plus parti­culièrement pour objet des absorbeurs métalliques de radiations nucléaires contenant du samarium métallique sous forme d'alliage métallique choisi parmi l'une au moins des familles d'alliages cuivre-samarium, aluminium-samarium et magnésium-samarium, respectivement, chacune desdites familles d'alliages contenant de 0,05 à 95% en poids de samarium par rapport au poids total de l'alliage.

[0002] L'importance des programmes énergétiques électro­nucléaires dans le monde et le développement des techniques nucléaires nécessitent des solutions de protection contre les radiations nucléaires (périphérie des réacteurs, transport et stockage des déchets radioactifs, machines nucléaires...). Il est donc de première importance et de première nécessité de concevoir et fabriquer des absorbeurs de radiations efficaces et compétitifs.

[0003] Les matériaux d'absorption doivent répondre aux critères suivants:
- en premier lieu, posséder des propriétés nucléaires spéci­fiques: grande section efficace de capture neutronique, faible émission de rayonnement secondaire, bonne stabilité dans le temps par rapport aux rayonnements;
- avoir un point de fusion élevé pour supporter l'échauffe­ment engendré par l'absorption des rayonnements, et notamment des flux neutroniques;
- être bon conducteur de la chaleur pour faciliter le refroidissement vers l'extérieur;
- chaleur résiduelle pas trop importante (se dégageant sous forme de rayonnement après l'arrêt);
- résistance mécanique suffisamment grande;
- résistance à la corrosion par rapport au réfrigérant, ou dans l'atmosphère de travail;
- présenter une bonne stabilité par rapport à la chaleur et au rayonnement;
- coût compétitif, tant sur le plan de la matière première que dans la mise en oeuvre.

[0004] Tous les éléments absorbent plus ou moins les radiations nucléaires, mais ceux qui ont les propriétés neutrophages les plus marquantes sont: le cadmium, le bore, l'europium, le hafnium, le gadolinium, le samarium et le dysprosium.

[0005] L'europium et le dysprosium, bien qu'ayant une grande section efficace de capture, donnent lieu à des applications très limitées, étant donné leur prix très élevé.

[0006] Le gadolinium présente dans le spectre de neutrons thermiques la section efficace de capture la plus élevée de tous les absorbeurs connus. On peut observer que par exemple pour des neutrons d'énergie initiale de 10⁻¹ à 10⁻³ Electronvolts, sa section efficace de capture est environ 100 fois plus élevée que celle du bore. Malheureusement, dans la zone des neutrons épithermiques et des neutrons lents (énergie de 0,3 à 10² Electronvolts, les propriétés d'absorption sont très diminuées comparativement au bore.

[0007] Le matériau absorbeur le plus répandu et le plus connu sur le plan de la criticité est sans conteste possible le bore, qui est utilisé sous différentes formes: bore élé­mentaire, borures, carbure de bore, acide borique, oxyde, nitrure, etc. et de nombreux brevets ont été déposés.

[0008] La mise en oeuvre des matériaux à base de bore est délicate: le bore élémentaire a de mauvaises propriétés mécaniques, il est hautement oxydable à haute température et sa résistance à la corrosion est mauvaise; il faut alors l'insérer sous forme de composés chimiques définis dans diverses matrices, et ces matériaux composites posent des problèmes d'homogénéité et sont délicats de mise en oeuvre.

[0009] Le hafnium a des propriétés d'absorption très inférieures au bore pour les neutrons thermiques et épi­thermiques, son coût est élevé et sa mise en oeuvre délicate à cause de son oxydabilité.

[0010] Le samarium, par rapport à tous les éléments cités précédemment, présente des propriétés neutrophages extrême­ ment intéressantes, intermédiaires entre le bore et le gadolinium pour les neutrons thermiques, supérieures au bore et au gadolinium pour les neutrons intermédiaires et rapi­des; deux zones de résonance donnent deux faiblesses seule­ment pour le samarium par rapport au bore, la première entre 1 et 5 eV d'énergie de neutron, et la deuxième entre 30 et 40 eV, mais ces faiblesses peuvent être compensées par la quantité d'éléments neutrophages introduite dans l'alliage final. Par rapport au gadolinium, il est parfaitement clair que le samarium est plus intéressant globalement sur tout le spectre d'énergie de neutrons.

[0011] C'est pourquoi le demandeur, conscient de l'inté­rêt du samarium, a cherché et trouvé des moyens de l'allier à d'autres matières métalliques pour en faire des absorbeurs de radiations nucléaires présentant toutes les qualités citées précédemment.

[0012] Ces nouveaux absorbeurs sont caractérisés par le fait qu'ils constituent essentiellement trois familles d'alliages, une famille ayant pour métal de base l'alu­minium, une autre famille ayant pour métal de base le cuivre, et une troisième ayant pour métal de base le magné­sium. Ces trois familles de nouveaux alliages présentent globalement des intérêts complémentaires. En effet, l'alu­minium est très léger mais présente au-dessus de 300°C des propriétés mécaniques assez faibles. En comparaison, le cuivre est plus lourd, mais a une conductibilité thermique supérieure à celle de l'aluminium (qui est déjà excellente) et donne des propriétés mécaniques élevées jusqu'à 500°C. Le magnésium va donner lieu aux alliages les plus légers, mais sa tenue à la corrosion est faible, et sa conductivité thermique plus basse que celle de l'aluminium. Dans ces trois familles, les propriétés d'absorption des radiations nucléaires sont données par la masse relative de samarium présente dans les matrices métalliques concernées. La capa­cité d'absorption d'un élément est définie par sa section efficace de capture neutronique, exprimée en BARN. A partir de cette section efficace

, on peut obtenir un coefficient d'absorption µ grâce à la relation:
µ = PN


µ est exprimé en cm⁻¹
P est la masse volumique du matériau en g/cm3
A est la masse atomique en g
est la section efficace de capture en cm2
N est le nombre d'Avogadro.

[0013] Pour calculer le coefficient d'absorption d'un alliage, il faut tenir compte de tous les éléments d'addi­tion présents, et utiliser alors la formule:

[0014] En considérant un élément d'addition donné i, le coefficient d'absorption de l'alliage est directement fonction du pourcentage pondéral de cet élément dans l'alliage. Ainsi, pour tous les alliages Al-Sm, Cu-Sm et Mg-Sm faisant l'objet du présent brevet, leur coefficient d'absorption sera directement fonction du pourcentage en poids de samarium.

[0015] Mais venons-en aux familles d'alliages Al-Sm, Cu-Sm et Mg-Sm, donc d'alliages comportant comme éléments principaux l'aluminium, le cuivre et le magnésium, associés au samarium pouvant aller de 0,05% à 95% en poids de samarium par rapport au poids total de l'alliage considéré. En-dessous de 0,05%, l'effet absorbant s'avère trop réduit, et au-dessus de 95% en tombe dans le cas du samarium métal dont l'oxydabilité est élevée, les propriétés technologiques peu intéressantes, un prix élevé et une mise en oeuvre difficile.

[0016] De préférence, on se situera avec les alliages de la famille Cu-Sm, dans une fourchette de 0,05% à 50% de Sm, ou dans une fourchette de 70% à 90% de Sm. Avec les alliages de la famille Al-Sm, on se situera préférentiellement dans une fourchette de 0,05% à 25% en poids de Sm, et pour la famille Mg-Sm, dans une fourchette de 0,05 à 55%.

[0017] Ces fourchettes, sans être exclusives, présentent les meilleurs compromis de propriétés technologiques et la teneur en samarium sera calculée en fonction du flux de radiation à absorber.

[0018] L'aluminium, le cuivre et le magnésium utilisés peuvent être purs, ou alliés avec n'importe quels autres éléments d'addition qui vont permettre de renforcer les propriétés mécaniques des absorbeurs ou de modifier leurs propriétés technologiques (facilité de mise en oeuvre, résistance à la corrosion, usinabilité, soudabilité...). De même, parmi tous les éléments d'addition autres que l'aluminium, le cuivre, le magnésium et le samarium, pourront être ajoutés d'autres éléments neutrophages tels que le gadolinium, l'europium, le hafnium, le bore (en phase dispersée ou non), le cadmium, le lithium, le dysprosium, etc. où pourront être insérées des fibres (en alumine, en carbure de silicium, en bore, en carbone...).

[0019] Les alliages aluminium-samarium, ou cuivre-­samarium, ou magnésium-samarium présentent une très bonne facilité de mise en oeuvre par l'un au moins des procédés de fabrication choisis parmi le moulage, que ce soit en sable, en coquille, sous haute ou basse pression, le laminage à chaud ou à froid, l'extrusion, le forgeage, le formage sous vide...

[0020] Ces alliages faisant l'objet du présent brevet donnent des structures parfaitement homogènes avec des sections efficaces de capture neutronique très régulières. La densité des mélanges va être variable en fonction des proportions de samarium introduites dans l'aluminium, le cuivre ou le magnésium. A titre indicatif, le tableau I donne des valeurs de densité pour différentes compositions.

[0021] On peut voir que pour l'aluminium avec des allia­ges allant jusqu'à environ 25% en poids de samarium, la densité reste faible et va donc permettre la fabrication d'absorbeurs de radiations très légers. Par contre, avec les alliages Cu-Sm, la densité des deux métaux étant plus voisine (8,92 pour le cuivre et 7,52 pour le samarium), les valeurs de densités sont assez peu affectées par la teneur en samarium. Les alliages Mg-Sm présentent bien évidemment les densités les plus faibles.

[0022] En ce qui concerne la conductibilité thermique, elle va être très variable en fonction des alliages finale­ment retenus pour la fabrication des absorbeurs: les valeurs pour le cuivre pur, l'aluminium pur, le magnésium pur et le samarium sont respectivement, en W/m°K (entre 0 et 100°C): 394, 238, 155 et 10 (environ). On voit immédiatement que le samarium par rapport aux trois autres éléments a une conduc­ tibilité très faible. La conductibilité thermique du maté­riau métallique absorbeur final va dépendre fortement du mélange retenu (Al-Sm, Cu-Sm ou Mg-Sm) et éventuellement des autres éléments d'addition introduits dans les alliages pour en améliorer leurs propriétés mécaniques, technologiques ou d'absorption. A titre d'exemple, un alliage Al-Sm à 10% de Sm va avoir une conductibilité thermique de 150 W/m°K, un alliage Al-Si-Sm à 7% de silicium et 2% de samarium, la même chose, enfin un alliage Cu-Sm à 4% de Sm montrera une conductibilité thermique de 250 W/m°K environ. Cette notion de conductibilité thermique est importante et va fortement influencer le choix de la composition optimale recherchée pour le matériau absorbeur, car toute absorption de radia­tion (et spécialement la capture neutronique) s'accompagne d'un dégagement de chaleur qu'il faudra évacuer des parties chaudes vers les parties froides aussi rapidement que possi­ble. On remarquera que les matrices aluminium et cuivre sont de ce point de vue très bien placées.

[0023] En général, les points de début de fusion des alliages Al-Sm, Cu-Sm, Mg-Sm sont élevés, ce qui leur con­fère une très bonne stabilité à haute température, et qui leur permet de supporter sans problème l'échauffement provo­qué par l'absorption des neutrons ou d'autres rayonnements. L'intervalle de solidification varie en fonction de la composition chimique et le tableau II indique quelques valeurs d'alliages étudiés.

[0024] Les masses atomiques du samarium (150,33 g) et du cuivre (63,5 g) étant élevées, les radiations γ et χ seront fortement absorbées par ces deux éléments, tandis que l'effet de l'aluminium et du magnésium est beaucoup plus faible.

[0025] La résistance à la corrosion, d'une manière géné­rale, n'est pas ou peu affectée par la présence de samarium pour des teneurs inférieures à 25% en poids, et les proprié­tés de corrosion vont essentiellement dépendre de la nature des matrices aluminium, cuivre et magnésium utilisées. Pour l'aluminium par exemple, des matrices aluminium-silicium (7 à 10% de Si) et aluminium-magnésium vont présenter une bonne tenue à la corrosion contre les agents atmosphériques, contre l'eau déminéralisée à 50°C ou en atmosphère marine. Cette tenue pourrait encore être améliorée par des traite­ments de surface appropriés (anodisation, alodine, pein­tures, revêtements plastiques...). Pour les alliages cuivre-­samarium ayant une teneur en samarium inférieure à 20% en poids, la tenue à la corrosion n'est pratiquement pas affec­tée par la présence du samarium. Cette tenue à la corrosion peut encore être améliorée par des additions de chrome, de nickel, d'aluminium, d'étain...

[0026] En ce qui concerne les alliages magnésium-­samarium, la tenue à la corrosion sera en général faible, et l'utilisation de ceux-ci sera réservée à des applications en milieu non corrosif.

[0027] A haute température, la tenue à l'oxydation des alliages Al-Sm est remarquable, du même ordre de grandeur que celle des alliages conventionnels d'aluminium. L'utili­sation de tels matériaux à haute température ne posera donc pas de problème de tenue dans le temps. Par contre, les alliages cuivre-samarium binaires peuvent poser problème, car le cuivre s'oxyde à partir de 250°C et l'oxyde de cuivre est soluble dans le cuivre. Pour les hautes températures, il est donc nécessaire d'utiliser un élément d'addition supplé­mentaire qui va donner à la matrice ses propriétés de résis­tance à l'oxydation. Ce sera par exemple le nickel, le chrome, l'aluminium...

[0028] Aux basses températures, il faut noter que toutes les familles Al-Sm, Cu-Sm et Mg-Sm ne présentent aucun signe de fragilisation.

[0029] Les absorbeurs de radiations doivent présenter des propriétés mécaniques élevées et aussi stables que possible à hautes températures. Pour ce faire, et en fonction du cahier des charges imposé, un choix judicieux des alliages Al-Sm, Cu-Sm et Mg-Sm et de leurs éléments d'addition supplémentaires sera effectué. Le bon compromis devra être trouvé non seulement en fonction des caractéristiques méca­ niques, mais aussi en fonction de la conductibilité thermi­que du poids, des caractéristiques nucléaires, des possibi­lités de mise en oeuvre. A titre d'exemple, nous allons voir dans les tableaux qui suivent des résultats d'essais mécani­ques sur différents alliages Al-Sm et Cu-Sm.

[0030] Le cas des alliages magnésium-samarium est un peu particulier; en effet, le cuivre et l'aluminium ne dissol­vent pas de samarium à l'état solide. Par contre, le magné­sium peut dissoudre jusqu'à 12% de samarium aux environs de 550°C, et cette solidibilité n'est plus que de 2 ou 3% à température ambiante: cette particularité montre une possi­bilité de durcissement structural par trempe et revenu sur ces alliages binaires.

[0031] L'usinage et le soudage des alliages Al-Sm, Cu-Sm et Mg-Sm, alliés ou non à d'autres éléments conventionnels, ne posent pas de problèmes particuliers et toutes techniques couramment utilisées dans la pratique pour ce type de matrice métallique conviennent.

[0032] A titre d'exemples d'application, on peut citer: les paniers de transport et de stockage de déchets nucléai­res, les racks de piscine pour le stockage des éléments combustibles de réacteurs nucléaires, le blindage d'instal­lations de décontamination, les abris anti-atomiques et les protections nucléaires en général, les éléments de réacteurs nucléaires, le blindage d'appareils de contrôle utilisant des rayonnements ou des sources radioactives, le blindage de boîtiers électroniques, etc.

Préparation d'un alliage absorbeur de radiations nucléaires Cu-Sm 17-Cr 0,4

[0033] On place dans un creuset de graphite 1922 grammes de samarium métallique en morceaux, 9294 grammes de cuivre pur sous forme de lingots et 56 grammes de chrome pur. Le creuset est ensuite introduit dans un four à chauffage électrique ou à chauffage par induction: la fusion des métaux peut être effectuée sous vide ou sous atmosphère inerte.

[0034] Les métaux placés dans le creuset sont chauffés durant 1 heure à 1200°C, puis le mélange résultant est maintenu durant 1 heure à 1100°C en vue de l'obtention d'une masse liquide parfaitement homogène. Le four est ensuite ouvert, le sommet du creuset débarrassé de ses incrustations et son contenu versé dans un moule tel un moule à lingots, qui peut être refroidi à l'eau.

Préparation d'un alliage absorbeur de radiations nucléaires Al-Sm 12

[0035] On place 3740 grammes d'aluminium pur en morceaux et 510 grammes de samarium métallique en morceaux dans un creuset de graphite. La fusion des métaux peut être effec­tuée sous vide ou sous atmosphère inerte, une fois le creuset introduit dans un four à chauffage électrique ou à chauffage par induction.

[0036] Avant de démarrer le chauffage, il convient de débarrasser les morceaux de samarium de toute trace d'humi­dité, car il y aurait risque d'explosion lors du contact avec l'aluminium en fusion. La masse métallique est premièrement portée à 660°C pour faire fondre l'aluminium, puis portée à 1100°C durant environ 1 heure. Le samarium se dissout progressivement dans l'aluminium liquide. Après dissolution complète du samarium, la température est réduite à 800°C, le four est ouvert, les oxydes surnageant à la surface du liquide éliminés et le contenu du creuset versé dans un moule, tel un moule métallique, un moule de sable, un moule en céramique ou un moule à lingots.

[0037] Dans les deux cas ci-dessus, une fois la préforme obtenue par moulage ou la mise en lingot, l'alliage obtenu peut être mis dans sa forme définitive à l'aide des techni­ques de transformation usuelles, telles l'usinage, le forgeage, le laminage ou l'extrusion.

Revendications

1. Absorbeurs métalliques de radiations nucléaires contenant du samarium métallique sous forme d'alliage métal­lique choisi parmi l'une au moins des familles d'alliages cuivre-samarium, aluminium-samarium et magnésium-samarium, respectivement, chacune desdites familles d'alliages con­tenant de 0,05 à 95% en poids de gadolinium par rapport au poids total de l'alliage.

2. Absorbeurs métalliques selon la revendication 1, caractérisés en ce que la famille d'alliages cuivre-­samarium contient de 0,05 à 50% ou de 70 à 90% en poids de samarium par rapport au poids total de l'alliage.

3. Absorbeurs métalliques selon la revendication 1, caractérisés en ce que la famille d'alliages aluminium-­samarium contient de 0,05 à 25% en poids de samarium par rapport au poids total de l'alliage.

4. Absorbeurs métalliques selon l'une des reven­dications 1 à 3, caractérisés en ce que la famille d'allia­ges magnésium-samarium contient de 0,05 à 55% en poids de samarium par rapport au poids total de l'alliage.

5. Absorbeurs métalliques selon l'une des reven­dications 1 à 4, caractérisés en ce que les alliages métal­liques contiennent un ou plusieurs éléments métalliques additionnels destinés à renforcer ou améliorer les proprié­tés mécaniques, physiques ou technologiques des absorbeurs.

6. Absorbeurs métalliques selon l'une des reven­dications 1 à 5, caractérisés en ce que les alliages métal­liques contiennent un ou plusieurs éléments métalliques neutrophages additionnels.

7. Absorbeurs métalliques selon l'une des reven­dications 1 à 6, caractérisés en ce que les alliages métal­liques contiennent des fibres, telles des fibres d'alumine, de carbure de silicium, de bore ou de carbone par exemple.

8. Absorbeurs métalliques selon l'une des reven­dications 1 à 7, caractérisés en ce que les alliages métal­liques contiennent un ou plusieurs éléments métalliques additionnels destinés à renforcer ou améliorer la résistance à la corrosion des absorbeurs.

9. Utilisation des absorbeurs métalliques selon l'une des revendications 1 à 8 pour l'absorption de radia­tions nucléaires, en particulier les neutrons et les rayon­nements γ et X.