CH667881A5

CH667881A5 - Absorbeurs de radiations nucleaires.

Info

Publication number: CH667881A5
Application number: CH305286A
Authority: CH
Inventors: Claude Planchamp
Original assignee: Claude Planchamp
Priority date: 1986-07-30
Filing date: 1986-07-30
Publication date: 1988-11-15
Also published as: EP0258178A1

Description

DESCRIPTION

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 d'alliage.

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.

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 réchauffement 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 œuvre.

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 et le samarium et le dysprosium.

Le cadmium a l'inconvénient d'être un produit très toxique pour l'organisme humain et son utilisation est strictement interdite dans de nombreux pays. De plus, son point de fusion (321 °C) et sa température d'ébulition (761 °C) sont très bas, et sa résistance à la corrosion en milieu aqueux est très mauvaise.

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.

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 (énérgie de 0,3 à 102 Electronvolts), les propriétés d'absorption sont très diminuées comparativement au bore.

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, nitrue etc... et de nombreux brevets ont été déposés.

La mise en œuvre 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 œuvre.

Le Hafnium a des propriétés d'absorption très inférieures au bore pour les neutrons thermiques et épithermiques, son cout est élevé et sa mise en œuvre délicate à cause de son oxy-dabilité.

Le Samarium par rapport à tous les éléments cités précédemment, présente des propriétés neutrophages extrêmement 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 résonnance 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 etre compensées par la quantité d'éléments neutrophages introduite dans l'alliage final. Par rapport au gadolinium, il est parfaitement claire que le samarium est plus intéressant globalement sur tout le spectre d'énergie de neutrons.

C'est pourquoi, le demandeur conscient de l'intérêt du

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

667 881

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.

Ces nouveaux absorbeurs sont caractérises 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'aborption 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 partier de cette section efficace a, on peut obtenir un coefficient-d'absorption |i grâce à la relation:

xi a H = pN-£

p. est eprimé en cm -1 :

p est la masse volumique du matériau en g/cm3 A est la masse atomique en g a est la section efficace de capture en cm2 N est le nombre d'Avogadro

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:

MV Cj CT

M-alIiage — pN 2-i ^ j p = masse volumique de l'alliage

C; = concentration pondérale de l'élément i dans l'alliage CT; = section efficace de l'élément i A; = masse atomique de l'élément i

En considérant un élément d'addition donné i, le coefficient d'absorption de l'alliage est directement fonction du pourcentage pondérale de cet élément dans d'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.

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 avec un pourcentage de samarium pouvant aller de 0,05 à 95% en poids de samarium par rapport au poids total de î'alliage considéré. En dessous de 0,05%, l'effet absorbant s'avère trop réduit, et au dessus de 95% on est dans le cas du samarium métal dont I'oxydabilité est élevée, les propriétés technologiques peu intéressantes, un prix élevé, et une mise en œuvre difficile.

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 four-1 chette de 0,05 à 25% en poids de Sm, et pour la famille Mg-Sm, dans une fourchette de 0,05 à 55%.

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

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 œuvre, résistance à la corrosion, usinabilité, soudabilité...) De même, parmi tous les éléments d'addition autre que l'aluminium, le cuivre, le magnesium 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..., ou pourront être inserrées des fibres (en alumine, en carbure de silicium, en bore, en carbone...)

Les alliages aluminium-samarium, ou cuivre-samarium, ou magnésium-samarium présentent une très bonne facilité de mise en œuvre par l'un au moins des procédés de fabrication choisi 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-

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.

Tableau I

Densités de différents alliages Al-Sm et Cu-Sm

Alliages

% Pondéral de Sm

Densité

Al-Sm

4

2,8

Al-Sm

10

2,9

Al-Sm

25

3,1

Sm-Al

90

7

Cu-Sm

10

8,7

Cu-Sm

20

8,5

Sm-Cu

85

7,9

Mg-Sm

10

-2,2

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 voisines (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.

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 pour sont respectivement, en W/m°K (entre 0 et 100 °C): 394,238, 155,10 (environ). On voit immédiatement que le samarium par rapport au trois autres éléments a une conductibilité 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 amélio5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

667 881

4

rer 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.

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 réchauffement 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.

Tableau II

Intervalle de solidification de quelques alliages Al-Sm, Cu-Sm, Mg-Sm (Pourcentages pondéraux)

Alliage

Début de solidification

°C

Fin de solidification °C

Al-Sm 4

651

633

Al-Sm 10

640

633

Al-Si 7 Sm 3

615

575

Al-Sm 25

800

633

Cu-Sm 10

1000

882

Cu-Sm 20

Compos. eutectique

882

Cu-Sm 48

Compos. eutectique

818

Cu-Sm 85

Compos. eutectique

597

Cu-Sm 95

1200

597

Mg-Sm 15

-620

-570

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

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 coro-sion 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, rêvetements plastiques...). Pour les alliage 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 addition de chrome, de nickel, d'aluminium, d'étain... 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.

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, ...

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

Les aborbeurs 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 supplémentaire sera effectué. Le bon compromis devra être trouvé non seulement en fonction des caractéristiques mécaniques mais aussi en fonction de la conductibilité thermique, du poids, des caractéristiques nucléaires, des possibilités de mise en œuvre. A titre d'exemple nous allons voir dans les tableaux qui suivent des résultats d'essaix mécaniques sur différents alliages Al-Sm et Cu-Sm.

Tableau 3

Propriétés mécaniques de traction d'un alliage coule Al-Sm 10 a l'état brut de moulage

Température d'essai (maintien de 1 h à T°)

Rm MPA

Rp 0,2 MPA

A%

HB

20 °C

140

60

13

40

250 °C

60

40

25

350 °C

50

35

Tableau 4

Propriétés mécaniques de traction d'un alliage Al-Sm 10 lamine, etat brut de laminage a chaud

T° d'essai Sens long Sens travers long

(maintien de Rm Rp 0,2 A % Rm Rp 0,2 A % HB

IhàT) MPA MPA MPA MPA

20 °C

120

100

10 120 100 6

42

250 °C

60

40

25

350 °C

50

35

Tableau 5

Propriétés mécaniques de traction d'un alliage Al-Si 7 Mg 0,3 Sm 2 moule

Etat de livraison T° Temps de Rm RpO,2A% HB

d'essai maintien MPA MPA àT°

avant l'essai (h)

Brut de

20 °C

-

150

80

2

55

moulage

Etat recuit

6' à 14 h à

20 JC

-

100

50

4

45

520 °C

Etat trempé et

revenu

20 °C

-

230

180

2

80

Etat trempé et

1

190

160

4

revenu

200 °C

1000

90

50

7

Etat trempé et

1

110

100

6

revenu

250 °C

1000

55

40

10

Etat trempe et

1

52

45

15

revenu

315 °C

1000

35

25

18

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

667 881

Tableau 6

Propriétés mécaniques d'un alliage Cu-Sm 5 Cr 0,5, moule ou corroyé

Etat de l'alliage

Rm MPA Rp 0,2 MPA A %

Moulé état T4

230

100

25

Moulé état T6

370

280

15

Corroyé état T4

230

100

25

Corroyé état T6

(non écroui)

430

300

10

Les 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.

5 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.

io A titre d'exemples d'application, on peut citer: les paniers de transport et de stockage de déchets nuléaires, les racks de piscine pour le stockage des éléments combustibles de réacteurs nucléaires, le blindage d'installations de décontamination, les abris anti-atomique et les protections nucléaires en

15 général, les éléments de réacteurs nucléaires, le blindage d'appareils de contrôle utilisant des rayonnements ou des sources radioactives, le blindage de boitiers électroniques, etc.

Claims

667 881

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 samarium 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.

2

REVENDICATIONS

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 la revendication 1, 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'absorbtion de radiations nucléaires, en particulier les neutrons et les rayonnements y et X.