• La fabrication des assemblages de combustible

    Le combustible des réacteurs à eau sous pression se présente sous la forme d’un ensemble de crayons contenant de la matière nucléaire qui, regroupés dans une structure support appelée squelette, constitue un assemblage. La fabrication est l’ensemble des opérations industrielles qui permettent, à partir de la matière nucléaire (UF6 enrichi ou poudre d’oxyde de plutonium) et de la mise en œuvre  de divers composants, d’obtenir l’assemblage de combustible.

     

     

    I – Description d’un assemblage

     

    Le combustible, dans son état de produit fini, se présente sous forme d’un assemblage de crayons contenant des pastilles de combustible.

    Les crayons sont maintenus dans une structure métallique de section carrée constituée de grilles reliées par des tubes-guides. Deux pièces d’extrémité ou embouts complètent cette structure.

    La fabrication des assemblages de combustible

    • Le crayon

    Il est constitué d’un empilement de pastilles de combustible enfermées dans un tube de gainage obturé à chaque extrémité par un bouchon soudé.

    Hermétique, le crayon s’oppose ainsi à la diffusion des produits de fission radioactifs dans le circuit d’eau de refroidissement du cœur du réacteur.

    La pastille, céramique de poudre d’oxydes frittés (UO2 ou UO2 + PuO2 dans le cas du MOX), est un cylindre d’environ 12 mm de hauteur et 8 mm de diamètre. Un crayon pour assemblage 900 MWe contient environ 360 pastilles ; il y en a environ 420 dans un crayon pour assemblage 1300 MWe.

    La gaine est un tube en alliage de zirconium de faible épaisseur (entre 0,5 et 0,6 mm) et d’une longueur d’environ 4 m pour les assemblages destinés aux réacteurs 900 MWe et d’environ 5 m pour les 1300 MWe.

    Les pastilles empilées dans la gaine constituent la colonne fissile, celle-ci est maintenue dans le crayon par un ressort.

     

    • La structure

    24 tubes-guides assurent la rigidité de l’assemblage en reliant, d’une part, les grilles support des crayons entre elles et, d’autre part, les deux embouts. Plus épais et plus longs que les gaines, ils sont aussi en alliage de zirconium.

    Les tubes-guides sont également destinés au guidage des crayons des grappes de commande et conçus pour en permettre le refroidissement. Ils jouent aussi le rôle d’amortisseur lors de leur chute rapide.

    Le tube d’instrumentation, en alliage de zirconium, est situé au centre de la structure et permet l’insertion, par le bas de la cuve, de l’instrumentation du cœur du réacteur.

    La grille est un composant dont le rôle est de maintenir l’écartement entre les crayons qui la traversent, tout en empêchant les vibrations. Les grilles permettent le brassage de l’eau de refroidissement des crayons et jouent un rôle thermohydraulique fondamental. Les grilles sont formées par assemblage de plaquettes minces (environ 0,4 mm d’épaisseur) en alliage de zirconium et de quelques cm de hauteur (4 à 8 selon les fabricants). Ces plaquettes sont soudées à leur point de croisement pour constituer un réseau carré comportant 17 x 17 alvéoles.

    Dans chacune des 264 alvéoles destinées au passage des crayons, des lames métalliques, rapportées ou obtenues par déformation des plaquettes, assurent le maintien des crayons en jouant le rôle de ressort. Les 25 autres alvéoles permettent le passage des tubes-guides et du tube d’instrumentation auxquels elles sont fixées rigidement. Un assemblage de combustible pour réacteur 900 MWe comporte 8 grilles ; celui destiné au réacteur 1300 MWe en comporte 10.

    Les embouts, inférieur et supérieur sont des pièces en acier inoxydable mécano-soudées ou moulées. L’embout inférieur comporte une plaque perforée et 4 pieds. Il assure la distribution de l’eau dans l’assemblage, constitue la butée au déplacement des crayons vers le bas, sert au positionnement de l’assemblage dans le réacteur et supporte les charges verticales imposées par la structure. Il est aussi le support su dispositif anti-débris qui protège l’assemblage des corps migrants susceptibles d’être présents dans le circuit primaire.

    L’embout supérieur porte 4 ressorts multilames en inconel. Ces ressorts, comprimés par les équipements internes supérieurs de la cuve lors de la fermeture de celle-ci, assurent le maintien des assemblages face à la poussée hydraulique. L’embout est convenablement ajouré pour permettre la sortie de l’eau et le passage des crayons des grappes de commande. Il sert de tête de préhension de l’assemblage lors des manutentions et de butée lors de la chute des grappes de commande. La fixation des 24 tubes-guides sur l’embout supérieur est démontable de manière à permettre le remplacement exceptionnel de crayons défectueux en exploitation.

     

    II – La fabrication des assemblages

     

    La plupart des opérations de fabrication des assemblages à l’uranium enrichi se retrouve pour la fabrication es assemblages au plutonium ou celle des assemblages utilisant l’uranium de retraitement. L’UF6 enrichi est mis à disposition en usine de fabrication par les clients électriciens et constitue le point de départ de la fabrication du combustible.

     

    • Les pastilles

    L’UF6, livré dans les conteneurs 30B est transformé en une poudre de dioxyde d’uranium (UO2). Cette opération appelée conversion est obtenue par vaporisation de l’UF6 et réaction en présence de vapeur d’eau et d’hydrogène dans les fours de conversion. Elle s’accompagne de la production d’acide fluorhydrique gazeux qui sera condensé.

    Une suite d’opérations complexes (homogénéisation, granulation, broyage, tamisage, ajout d’additifs…) permet, dans un premier temps, de préparer la poudre en lui apportant tous les éléments nécessaires à la fabrication des pastilles.

    Dans un 2ème temps, la poudre ainsi préparée est compressée sous forme de pastilles, dites vertes, qui sont ensuite frittées dans des fours électriques sous atmosphère d’hydrogène pendant plusieurs heures à une température de 1700°C.

    Cette opération de frittage, qui transforme la pastille verte en une céramique, donne la résistance et la densité spécifiée aux pastilles et crée les porosités qui contiendront les produits de fission gazeux lors de l’irradiation du réacteur. L’ensemble de ces opérations est appelé pastillage. Les pastilles frittées sont ensuite rectifiées par meulage afin d’ajuster avec précision leur diamètre.

    Pour éliminer tout défaut, les pastilles sont contrôlées soit à 100 %, soit par échantillonnage. Ces contrôles concernent notamment :

    • l’aspect des pastilles,
    • leur densité et dimension,
    • leur stabilité thermique,
    • leur structure (taille de grain, porosité),
    • leur enrichissement,
    • leur composition chimique.

    Le diamètre d’une pastille d’UO2 usinée sera d’environ 8 mm et sa hauteur de l’ordre de 13,5 mm. Sa masse sera d’environ 6 g pour une densité maximum de 10,4 g/cm3. Chaque assemblage de combustible renferme environ 70 000 pastilles.

     

    • Les gaines

    Le tube de gainage du crayon de combustible REP est en alliage de zirconium. Le zirconium est un métal obtenu à partir du minerai de zircon, peu répandu dans le monde et que l’on trouve principalement dans les sables en provenance d’Australie. Ce métal possède de bonnes propriétés mécaniques et présente, comme le magnésium et le béryllium, une bonne transparence aux neutrons (c’est-à-dire qu’il ne les absorbe pas trop).

    Toutefois, les caractéristiques mécaniques et la bonne résistance à la corrosion requises ont nécessité la mise au point d’un alliage répondant à des spécifications très précises. Afin d’obtenir des performances accrues, notamment en ce qui concerne la tenue des gaines à des irradiations élevées, de nouveaux alliages ont été mis au point.

    L’élaboration du tube de gainage est le résultat d’une chaîne d’opérations complexes et délicates et de nombreux contrôles sont réalisés au cours de sa fabrication.

     

    • Les crayons

    Outre le tube de gainage et les pastilles qui y sont introduites, le crayon est complété d’un ressort hélicoïdal en sa partie interne supérieure et de 2 bouchons d’extrémité.

    Les bouchons sont usinés de manière à posséder une forme appropriée au passage du crayon à travers les grilles du squelette de l’assemblage. Le bouchon inférieur est préalablement soudé au tube de gainage avant que ce dernier soit placé sur la chaîne de montage.

    Les pastilles frittées sont disposées en colonnes fissiles sur des plateaux cannelés, puis glissées dans les tubes de gainage. La colonne de pastilles est ajustée en longueur (certains fabricants utilisent des demi-pastilles pour cette opération). Le ressort, destiné  empêcher les déplacements de la colonne de pastilles lors du transport des assemblages est mis en place. Le bouchon supérieur est ensuite emmanché puis soudé. Il est percé en son axe d’un fin canal, le queusot, qui permet le remplissage en hélium puis la mise en pression interne du crayon. Une soudure finale obture cet orifice rendant désormais le crayon étanche, isolant les pastilles de combustible de l’extérieur.

    Après contrôle des soudures, les crayons subissent les contrôles ultimes garantissant un haut niveau de qualité.

     

    • L’assemblage

    L’ensemble rigide tubes-guides/grilles, encore appelé squelette, est placé sur le banc de montage qui est généralement un marbre muni de dispositifs de fixation des grilles. Les crayons sont introduits par nappes successives dans le squelette. Dans la plupart des usines de montage, les crayons sont tirés à travers le squelette jusqu’à leur position finale ; une barre, munie à son extrémité d’un dispositif type « pince à sucre » traverse le squelette, agrippe les crayons par le bouchon supérieur et tire les crayons à travers les grilles. Le chargement des crayons dans le squelette est une opération délicate ; les précautions consistent, notamment, à ne pas déformer les ressorts des grilles de manière à ne pas entamer leur rôle de maintien des crayons et à ne pas rayer ces derniers.

    Pour éviter la création de contraintes résiduelles dans le squelette, un plan de montage est respecté. Le montage de l’assemblage se termine par la mise en place des embouts inférieurs et supérieurs.

    L’assemblage est ensuite relevé avec son dispositif de fixation sur le banc de montage car sa rigidité propre ne permet que les manutentions en position verticale. Libéré de son support et avant d’être stocké, l’assemblage subit des vérifications ultimes quant à son aspect, sa verticalité, l’emplacement de ses crayons, sa propreté…

    A ces opérations principales de fabrication, il convient d’ajouter les opérations parallèles, dites de recyclage, qui consistent à récupérer puis traiter les rebuts divers d’uranium ou de plutonium apparaissant à divers stades, de façon à les réinjecter dans les fabrications.

    La fabrication des assemblages de combustible

    III – Le marché de la fabrication d’assemblages

     

    La conception des assemblages de combustible et leurs caractéristiques sont liées à celles de la chaudière nucléaire ou du réacteur ; tous les constructeurs de réacteurs ont donc, dès le début de l’ère nucléaire industrielle, mis en place des capacités de fabrication du combustible.

    Lorsqu’une centrale est construite, peu de paramètres peuvent être modifiés pour en améliorer les performances. Le combustible est l’élément renouvelable qui peut permettre les gains les plus substantiels si l’on parvient à accroître son irradiation. Les exploitants des réacteurs se sont employés à faire jouer la concurrence entre les divers fournisseurs possibles afin de maintenir un effort de progrès technologique. Par ailleurs, la durée de vie des centrales (> 40 ans) crée un marché à long terme.

    La création de nouvelles usines de fabrication, associée au nombre limité de nouvelles constructions de centrales a conduit à un excédent de capacité de fabrication et aussi au désir, pour les gros constructeurs, d’élargir leur marché. La fabrication du combustible est donc un domaine où règne une compétition très vive. En parallèle, chaque concepteur essaye de promouvoir des produits nouveaux plus fiables et plus performants, visant à attirer de nouveaux clients.

     

                    Les fabricants du combustible

    En ce qui concerne le combustible des réacteurs à eau sous pression ou bouillante (REP et REB), quelques consortiums de fabricants se partagent près de 90 % du marché évalué à quelque 6000 t/an d’uranium enrichi contenu.

    Les fabricants ont internationalisé leurs ventes, permettant à chacun de disposer d’un volume de production leur permettant d’assurer le développement de nouveaux produits. Les principaux acteurs du marché d combustible des réacteurs à eau sont :

    • Framatome ANP dont les usines de fabrication de combustible sont situées en France et en Belgique (FBFC), en Allemagne (ANF) et aux États-Unis.
    • British Nuclear Fuels Plc/Westinghouse et leurs licenciés, en particulier l’espagnol Enusa et le japonais Mitsubishi Heavy Industries, dont les principales usines de fabrication de combustible sont situées aux États-Unis, en Suède, en Espagne, en Grande-Bretagne et au Japon.
    • General Electric, associée aux japonais Hitachi et Toshiba à travers la filiale commune Global Nuclear Fuel, et ses licenciés, dont Enusa, qui possède des usines de fabrication de combustible pour réacteur à eau bouillante (REB) au Japon, aux États-Unis et en Espagne.
    • Le japonais Nuclear Fuel Industries
    • Le russe TVEL principal fournisseur de combustible VVER.

     

    Les assemblages de combustible à l’uranium de retraitement enrichi réalisés à ce jour sont en nombre limité et sont fabriqués en prenant des précautions supplémentaires concernant la protection radiologique du personnel. Framatome ANP a équipé une chaîne de l’usine FBFC à Romans pour ce type de production.

    Les spécificités du plutonium qui entre dans la composition du combustible des assemblages MOX imposent la construction d’usines adaptées. En France, l’usine Melox à Marcoule est entrée en service en 1995 ; entièrement automatisée, elle a atteint, en 1998, sa capacité autorisée de 100 tonnes/an.

    Dans l’ensemble du coût du cycle du combustible nucléaire, le coût de fabrication est d’environ 20 %.


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