La présente invention concerne le domaine des éléments de combustible nucléaire, en particulier ceux destinés à être utilisés par exemple comme cible primaire ou comme combustible nucléaire dans les réacteurs de recherche.

Il est possible de prévoir un élément de combustible nucléaire comprenant un noyau en forme de feuille contenant un matériau fissile tel qu’un alliage à base d’uranium, et une gaine enveloppant le noyau de manière étanche, la gaine étant réalisée par exemple dans un alliage à base d’aluminium.

Un tel élément de combustible nucléaire peut être inséré dans un réacteur nucléaire pour y être irradié de manière à obtenir des produits de fissions particuliers, ou dans un réacteur de recherche pour produire des neutrons.

Un tel élément de combustible nucléaire peut être utilisé par exemple comme cible primaire pour la production de molybdène-99 utilisable ensuite comme source de technetium-99, et en particulier comme source de technetium-99 métastable utilisable comme traceur radioactif en médecine et en biologie.

Pour la fabrication d’un élément de combustible nucléaire, il est possible d’utiliser un procédé de fabrication de type « image dans un cadre » (ou « picture-in-frame » selon la terminologie anglaise).

Selon cette technique, un noyau contenant un matériau fissile et ayant une forme de feuille rectangulaire est inséré dans une ouverture d’un cadre de forme rectangulaire, et le cadre contenant le noyau est intercalé entre deux plaques de fermeture. L’ensemble est ensuite pressé pour obtenir l’adhésion des plaques de fermeture sur le cadre et le noyau.

Le pressage est réalisé par exemple par laminage entre des rouleaux, par pressage isostatique à chaud (ou HIP pour « Hot Isostatic Pressure » en anglais), par frittage flash (ou SPS pour « Spark Plasma Sintering » en anglais) ou par pressage à froid par une presse en soumettant l’ensemble à une pression.

Lors du pressage, il est préférable d’appliquer une pression élevée à température ambiante ou à une température élevée, pour obtenir une bonne adhésion des plaques de fermeture sur le cadre et sur le noyau, mais une température trop élevée ou une pression trop élevée peuvent affecter le noyau, et ainsi affecter les performances de l’élément de combustible nucléaire. Un des buts de l’invention est de proposer un procédé de fabrication d’un élément de combustible nucléaire qui puisse être mis en œuvre facilement tout en permettant d’obtenir un élément de combustible nucléaire qui présente des performances satisfaisantes.

A cet effet, l’invention propose un procédé de fabrication d’un élément de combustible nucléaire, le procédé de fabrication comprenant l’obtention d’un noyau en forme de feuille contenant un matériau fissile uranifère, le revêtement du noyau d’une couche anti-diffusion pour obtenir un noyau revêtu, l’insertion du noyau revêtu dans une gaine avec interposition, entre le noyau revêtu et la gaine, d’une ou plusieurs couche(s) intermédiaire(s), et le pressage de l’ensemble multicouche ainsi obtenu de manière à fermer la gaine de manière étanche, chaque couche intermédiaire étant réalisée dans un alliage métallique ductile et/ou possédant une limite d’élasticité conventionnelle qui ne diffère pas de plus de 30 % de celle du matériau de la gaine, un allongement à la rupture qui ne diffère pas de plus de 30 % celui du matériau de la gaine et/ou un allongement relatif réparti qui ne diffère de plus de 30% de celui du matériau de la gaine.

La couche anti-diffusion empêche la diffusion du matériau fissile vers les couches plus externes de l’élément de combustible nucléaire, en particulier vers la gaine.

Chaque couche intermédiaire, réalisée dans un matériau ductile et/ou possédant des propriétés mécaniques proches de celui de la gaine et interposée entre la gaine et le noyau revêtu de la couche anti-diffusion, facilite l’adhésion entre la gaine et le noyau revêtu de la couche anti-diffusion. Elle permet notamment de limiter la pression et le cas échéant la température auxquelles le pressage de l’ensemble est effectué, et ainsi de limiter les contraintes thermique et mécaniques, en particulier celles appliquées sur le noyau.

Chaque couche intermédiaire permet également de limiter le risque d’oxydation de la couche anti-diffusion au cours du procédé de fabrication, en particulier au cours du chauffage lorsque le pressage est réalisé à chaud.

Le procédé permet in fine d’obtenir un élément de combustible nucléaire présentant de bonnes performances, et en particulier une densité en combustible nucléaire élevée, avec une mise en pression réalisée à une température et une pression acceptables.

Selon des modes de mise en œuvre particuliers, le procédé de fabrication comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prise individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- chaque couche intermédiaire est appliquée sur le noyau revêtu ou sur une surface interne de la gaine avant d’envelopper le noyau revêtu dans la gaine ;

- chaque couche intermédiaire est appliquée sur le noyau revêtu ou sur la gaine par pulvérisation avant d’envelopper le noyau revêtu dans la gaine ; - le matériau de la couche intermédiaire ou d’au moins une parmi les couches intermédiaires comprend une matrice et au moins un élément additif ;

- le matériau de la couche intermédiaire ou d’au moins une parmi les couches intermédiaires comprend une matrice et au moins un élément additif ;

- le noyau est un noyau monolithique constitué du matériau fissile ou un noyau dispersé contenant le matériau fissile dispersé dans une matrice ;

- la couche anti-diffusion est réalisée en un matériau choisi parmi un alliage à base de zirconium, un alliage à base de molybdène, un alliage à base de titane, un alliage à base de silicium ou un mélange d’au moins deux parmi ces alliages ;

- chaque couche intermédiaire est réalisée dans un matériau présentant une ductilité égale ou supérieure à celle du matériau de la couche anti-diffusion et égale ou supérieure à celle du matériau de la gaine ;

- chaque couche intermédiaire est réalisée en aluminium pur ou en un alliage d’aluminium ou en un matériau comprenant une matrice réalisée en aluminium pur ou en alliage d’aluminium.

Selon un autre aspect, l’invention concerne un élément de combustible nucléaire comprenant un noyau en forme de feuille contenant un matériau fissile uranifère, le noyau étant revêtu d’une couche anti-diffusion et enveloppé dans une gaine, l’élément de combustible nucléaire comprenant au moins une couche intermédiaire, chaque couche intermédiaire étant interposée entre la couche anti-diffusion et la gaine, chaque couche intermédiaire étant réalisée dans un alliage métallique ductile et/ou possédant une limite d’élasticité conventionnelle, un allongement à la rupture et/ou un allongement relatif proches de ceux du matériau de la gaine.

Selon des modes de mise en œuvre particuliers, l’élément de combustible comprend une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, prise individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- le matériau fissile contient au moins un alliage d’uranium et/ou au moins un composé de l’uranium ;

- le noyau est un noyau monolithique constitué du matériau fissile ou un noyau dispersé contenant le matériau fissile dispersé dans une matrice ;

- la couche anti-diffusion est réalisée en un matériau choisi parmi un alliage à base de zirconium, un alliage à base de molybdène, un alliage à base de titane, un alliage à base de silicium ou un mélange d’au moins deux parmi ces alliages ;

- chaque couche intermédiaire est réalisée dans un matériau plus ductile que le matériau de la couche anti-diffusion et plus ductile que le matériau de la gaine ; - chaque couche intermédiaire est réalisée en aluminium pur ou en un alliage d’aluminium ou en un matériau comprenant une matrice réalisée en aluminium pur ou en alliage d’aluminium.

L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence au dessins annexés, sur lesquels :

- la Figure 1 est une vue schématique de face d’un élément de combustible nucléaire;

- la Figure 2 est une vue schématique en coupe de l’élément de combustible nucléaire, selon II - Il sur la Figure 1 ; et

- les Figures 3 à 6 sont des vues schématiques illustrant des étapes d’un procédé de fabrication de l’élément de combustible nucléaire des Figures 1 et 2.

L’élément de combustible nucléaire 2 illustré sur la Figure 1 est destiné à être utilisé par exemple comme cible primaire dans un réacteur nucléaire pour obtenir des produits de fission ou comme combustible nucléaire dans un réacteur de recherche pour obtenir des neutrons.

L’élément de combustible nucléaire 2 présente la forme d’une plaque., par exemple la forme d’une plaque rectangulaire,

Comme dans l’exemple illustré sur la Figure 1, dans un exemple de réalisation, l’élément de combustible nucléaire 2 présente la forme d’une plaque plane.

Dans d’autres exemples de réalisation, l’élément de combustible nucléaire 2 présente la forme d’une plaque cintrée ou d’une plaque mise en forme de tube, par exemple et de manière non limitative un tube de section transversale circulaire, elliptique ou polygonale, en particulier carrée ou hexagonale.

L’élément de combustible nucléaire 2 en forme de plaque rectangulaire a par exemple une longueur L d’environ 80 mm pour une « mini-plaque » ou une cible primaire ou une longueur L comprise entre 600 mm et 1.200 mm, par exemple une longueur L d’environ 800 mm, pour du combustible de réacteur nucléaire, une largeur I de 20 à 90 mm et une épaisseur E comprise entre 1 ,2 mm et 2,6 mm, en particulier une épaisseur E d’environ 2 mm.

Comme visible sur la Figure 2 représentant une vue en coupe de l’élément de combustible nucléaire 2, l’élément de combustible nucléaire 2 comprend un noyau 4 contenant un matériau fissile, et une gaine 6 enveloppant le noyau 4 de manière étanche.

La gaine 6 empêche le matériau fissile contenu dans le noyau 4 de s’échapper à l’extérieur. La gaine 6 retient aussi les produits de fission qui sont générés lors de l’irradiation de l’élément de combustible nucléaire 2. La gaine 6 est par exemple réalisée en un alliage d’aluminium, en particulier un alliage à base d’aluminium. La gaine 6 est en particulier réalisée en un alliage d’aluminium de la série 6061, un alliage d’aluminium de la série 5754 ou un alliage d’aluminium AlFeNi.

La noyau 4 présente la forme d’une feuille. Le noyau 4 possède deux faces opposées 4A et une tranche 4B.

Le noyau 4 possède de préférence un contour correspondant à celui de l’élément de combustible nucléaire 2.

Lorsque l’élément de combustible nucléaire 2 présente la forme d’une plaque rectangulaire (par ex. plane, cintrée ou mise en forme de tube), le noyau 4 a la forme d’une feuille rectangulaire, comme dans l’exemple des Figures 1 et 2.

Dans un exemple de réalisation, le noyau 4 possède une épaisseur sensiblement constante. En variante, le noyau 4 possède une épaisseur variable. Dans un exemple de réalisation particulier, le noyau 4 d’épaisseur variable présente une épaisseur qui diminue depuis le centre du noyau vers sa périphérie. Le noyau 4 es plus épais au centre et plus fin à sa périphérie.

Le matériau fissile est un matériau uranifère, i.e. un matériau contenant de l’uranium. L’uranium contenu dans le matériau fissile est par exemple de l’uranium faiblement enrichi (ou LEU pour « Low Enriched Uranium » en anglais).

Dans l’uranium faiblement enrichi, la proportion d’isotope U235 dans l’uranium est inférieure à 20% en poids, en particulier autour de 19,75 % en poids.

Le matériau fissile contient par exemple un alliage d’uranium et/ou un composé d’uranium. Le matériau fissile est en particulier constitué d’un alliage d’uranium ou constitué d’un composé d’uranium ou constitué d’un mélange d’un alliage d’uranium et d’un composé d’uranium.

Un alliage d’uranium est un alliage contenant de l’uranium et au moins un autre composé métallique, et, optionnellement, un ou plusieurs composés non métalliques.

Un alliage d’uranium est par exemple un alliage métallique à base d’uranium. Par alliage « à base d’uranium » on entend un alliage contenant au moins 60% en masse d’uranium. L’alliage d’uranium est par exemple du UAI4 contenant 68,80% en masse d’uranium.

Dans un exemple de réalisation, le matériau fissile contient un alliage d’uranium qui est un alliage binaire d’uranium, i.e. un alliage strictement composé d’uranium et d’un autre composé, par exemple un alliage binaire uranium-silicium, un alliage binaire uranium- molybdène, un alliage binaire uranium-aluminium, un alliage binaire uranium-zirconium...

En variante, le matériau fissile contient un alliage d’uranium qui est un alliage ternaire d’uranium, i.e. un alliage strictement composé d’uranium et de deux autres composés, par exemple un alliage ternaire uranium-molybdène-X, X étant un troisième élément chimique métallique ou non métallique.

Le troisième élément chimique X est par exemple choisi parmi l’étain (Sn), le titane (Ti), le palladium (Pd), l’osmium (Os), le rhodium (Rh), le ruthénium (Ru), le vanadium (V), le silicium (Si), le chrome (Cr), le nobium (Nb), le strontium (Sr), le platine (Pt), l’hydrogène (H), le zirconium (Zr), l’oxygène (O), l’azote (N), l’aluminium (Al), le germanium (Gr), le gallium (Ga) ou l’antimoine (Sb).

Dans un exemple particulier de réalisation, le matériau fissile est un alliage binaire uranium-molybdène.

De préférence, l’alliage binaire uranium-molybdène du matériau fissile contient moins 15% en poids de molybdène, le reste étant constitué d’uranium et d’inévitables impuretés.

Un composé d’uranium est un composé chimique comprenant de l’uranium associé à un ou plusieurs composés chimiques non-métalliques. Un composé d’uranium est par exemple un oxide d’uranium (U _x O _y ), en particulier du dioxyde d’uranium (UO2), un nitrure d’uranium (U _x N _y ) ou un hydrure d’uranium (U _x H _y ).

Le noyau 4 est constitué du matériau fissile (noyau dit « monolithique ») ou contient le matériau fissile dispersé dans une matrice réalisée dans un autre matériau (noyau dit « dispersé ») par exemple un matériau métallique, en particulier de l’aluminium.

Le matériau fissile dispersé dans une matrice est par exemple obtenu par mélange, et de préférence compactage, d’une poudre constituée du matériau fissile et d’une poudre constituée du matériau de la matrice, par exemple une poudre d’aluminium.

Le noyau 4 est revêtu d’une couche anti-diffusion 8. La couche anti-diffusion 8 recouvre au moins chacune des deux faces 4A opposées du noyau 4, et recouvre optionnellement la tranche 4B du noyau 4. De préférence, la couche anti-diffusion recouvre chacune des deux faces 4A opposées et la tranche 4B du noyau 4.

Le noyau 4 revêtu de la couche anti-diffusion 8 est aussi désigné par la suite « noyau revêtu 10 ». Il présente la forme d’une feuille et possède deux faces opposées 10A et une tranche 10B

La gaine 6 enveloppe le noyau 4 revêtu de la couche anti-diffusion 8. La couche anti-diffusion 8 est ainsi interposé entre le noyau 4 et la gaine 6. La couche anti-diffusion 8 empêche la diffusion d’espèces chimiques depuis le noyau 4 vers la gaine 6.

La couche anti-diffusion 8 possède de préférence une température de fusion élevée. Dans un exemple de réalisation, la couche anti-diffusion 8 possède une température de fusion égale ou supérieure à la température de fusion du noyau 4. Lorsque le noyau 4 est un noyau monolithique dont le matériau fissile est constitué d’un alliage binaire uranium-molybdène, par exemple un alliage U ₇ M0, la température de fusion de la couche anti-diffusion est égale ou supérieure à 1250°C, qui est la température de fusion de l’alliage binaire uranium-molybdène U ₇ M0.

La couche anti-diffusion 8 est réalisée par exemple dans un alliage de zirconium, ou un alliage de molybdène ou un alliage de silicium ou un alliage binaire métallique, par exemple un alliage zirconium-aluminium (Zr/AI) ou un alliage molybdène-aluminium (Mo/Al) ou un alliage silicium-aluminium (Si/Al).

L’élément de combustible nucléaire 2 comprend une ou plusieurs couche(s) intermédiaire(s) 12, chaque couche intermédiaire 12 étant interposée entre le noyau 4 revêtu de la couche anti-diffusion 8 et la gaine 6.

Chaque couche intermédiaire 12 est située entre la couche anti-diffusion 8 et la gaine 6. La couche anti-diffusion 8 empêche donc la diffusion d’espèces chimiques du noyau 4 vers chaque couche intermédiaire 12.

Dans un exemple de réalisation, l’élément de combustible nucléaire 2 comprend une seule couche intermédiaire 12 interposée entre le noyau revêtu 10 et la gaine 6.

En variante, l’élément de combustible nucléaire 2 comprend plusieurs couches intermédiaires 12 superposées interposées entre le noyau revêtu 10 et la gaine 6. Les couches intermédiaires 12 superposées forment alors un stratifié multicouche formé de la superposition des couches intermédiaires 12 et interposé entre le noyau 4 revêtu et la gaine 6.

Lorsque l’élément de combustible nucléaire 2 possède plusieurs couches intermédiaires 12, les couches intermédiaires 12 sont réalisées dans le même matériau ou au moins deux parmi les couches intermédiaires 12 sont réalisées dans des matériaux différents, et, dans un exemple de réalisation particulier, chaque couche intermédiaire 12 est réalisée dans un matériau différent de celui de chacune des autres couches intermédiaires 12.

Chaque couche intermédiaire 12 est réalisée dans un matériau qui est ductile et/ou qui possède une limite d’élasticité conventionnelle (R _p o _, 2), un allongement à la rupture (A%) et/ou un allongement relatif réparti (A%S) proches de ceux du matériau de la gaine 6.

On considère qu’une propriété mécanique d’un premier matériau est proche de celle d’un deuxième matériau lorsque la valeur de la propriété mécanique du premier matériau ne diffère pas de la valeur de la même propriété mécanique du deuxième matériau de plus de 30 %, i.e. la valeur de la propriété mécanique du premier matériau est comprise entre 70% et 130% de la valeur de cette propriété mécanique du deuxième matériau. Ainsi, de préférence :

- le matériau de chaque couche intermédiaire 12 possède une limite d’élasticité conventionnelle inférieure ou égale à 60 MPa, ce qui correspond à une couche intermédiaire 12 réalisée dans un alliage métallique ductile, et/ou

- la valeur de la limite d’élasticité conventionnelle du matériau de la couche intermédiaire 12 ne diffère pas de la valeur de la limite d’élasticité conventionnelle du matériau de la gaine 6 de plus de 30 %, et/ou

- la valeur de l’allongement à la rupture du matériau de la couche intermédiaire 12 ne diffère pas de la valeur de l’allongement à la rupture du matériau de la gaine 6 de plus de 30 %, et/ou

- la valeur de l’allongement relatif réparti du matériau de la couche intermédiaire 12 ne diffère pas de la valeur de l’allongement relatif réparti du matériau de la gaine 6 de plus de 30 %.

De préférence, le matériau de chaque couche intermédiaire 12 possède un allongement à la rupture compris entre 10% et 40%, et/ou le matériau de la gaine 6 possède un allongement à la rupture compris entre 10% et 40%.

De préférence, le matériau de chaque couche intermédiaire 12 possède un allongement relatif réparti (A%S) supérieur ou égal à 10% et/ou le matériau de la gaine 6 possède un allongement relatif réparti (A%S) supérieur ou égal à 10%.

Comme indiqué, de préférence, chaque couche intermédiaire 12 réalisée dans un matériau ductile. Avantageusement, chaque couche intermédiaire 12 est réalisée dans un matériau possédant une ductilité égale ou supérieure à celle du matériau de la gaine 6 et/ou celle du matériau de la couche anti-diffusion 8.

De préférence, le matériau de chaque couche intermédiaire 12 est choisi de manière à ne pas interagir chimiquement avec la gaine 6 et/ou le noyau 4. En particulier, le matériau de chaque couche intermédiaire 12 est choisi de manière à ne pas interagir chimiquement avec l’uranium et/ou avec l’aluminium.

Par « interagir chimiquement » on entend qu’il existe une attractivité entre les atomes ou les molécules de ces matériaux, l’attractivité étant par exemple d’origine électrostatique (liaison ionique ou liaison hydrogène) ou quantique (liaison covalente, liaison métallique ou liaison de Van der Waals).

Dans un exemple de réalisation, l’unique couche intermédiaire 12 ou au moins une parmi la pluralité de couches intermédiaires 12 ou chacune parmi la pluralité de couches intermédiaires 12 est réalisée en aluminium pur ou en un alliage d’aluminium, en particulier un alliage à base d’aluminium. Un alliage à base d’aluminium désigne un alliage d’aluminium contenant au moins 80 % en poids d’aluminium.

Dans un exemple de réalisation, l’alliage d’aluminium ou l’alliage à base d’aluminium contient du cuivre (Cu), du manganèse (Mn) et/ou du zinc (Zn).

En variante, l’unique couche intermédiaire 12 ou au moins une parmi la pluralité de couches intermédiaires 12 ou chacune parmi la pluralité de couches intermédiaires 12 est formée d’une matrice contenant des éléments additifs. La matrice est par exemple choisie parmi les matériaux indiqués ci-dessus.

Chaque élément additif est par exemple dispersé dans la matrice ou dissout dans la matrice.

Chaque élément additif est choisi pour améliorer les propriétés mécaniques, les propriétés thermiques et/ou les propriétés neutroniques de la couche intermédiaire 12.

Des éléments additifs sont par exemple des inclusions de titane (Ti) ou de silicium (Si) ou du poison neutronique.

Chaque couche intermédiaire 12 est interposée entre chacune des deux faces 10A opposées du noyau revêtu 10 et la gaine 6, et optionnellement entre la tranche 10B du noyau revêtu 10 par la couche anti-diffusion 8 et la gaine 6.

De préférence, chaque couche intermédiaire 12 est interposée entre chacune des deux faces 10A opposées du noyau revêtu 10 et la gaine 6, et entre la tranche 10B du noyau revêtu 10B et la gaine 6. Le noyau revêtu 10 est alors complètement entouré par la couche intermédiaire 12.

L’unique couche intermédiaire 12 ou la pluralité de couches intermédiaires 12 prises collectivement présente de préférence une épaisseur e comprise entre 10 pm et 500 pm, en particulier une épaisseur comprise entre 20 pm et 60 pm, encore plus en particulier une épaisseur comprise entre 30 pm et 50 pm.

Un procédé de fabrication de l’élément de combustible nucléaire 2 va maintenant être décrit en référence aux Figures 3 à 6 qui illustrent des étapes successives du procédé de fabrication.

Le procédé de fabrication comprend l’obtention du noyau 4.

Le noyau 4 est par exemple obtenu de manière connue en mélangeant des poudres dans un four, chaque poudre métallique correspondant à un des composés de l’alliage métallique formant le noyau 4.

Le noyau 4 contenant un matériau fissile formé d’un alliage binaire uranium- composé métallique (par ex. molybdène) est par exemple obtenu en mélangeant de la poudre ou du fil ou des morceaux d’uranium et de la poudre ou du fil ou des morceaux du composé métallique (par ex. de molybdène) dans un four afin de les allier par un processus de fusion.

Une technique similaire est utilisable de manière générale pour un alliage d’uranium, chaque autre composé de l’alliage étant mélangé, selon sa nature, sous forme de morceaux, de fils ou de poudre, à l’uranium avant fusion du mélange dans un four.

Dans un exemple de réalisation, le procédé de fabrication comprend la formation d’une feuille strictement à partir du matériau fissile, de manière à obtenir le noyau 4. Le noyau 4 est dans ce cas un noyau dit « monolithique ».

Dans un autre exemple de réalisation, le procédé de fabrication comprend la formation d’un lingot à partir du matériau fissile, la réduction du lingot en poudre, par exemple par broyage, le mélange de la poudre de matériau fissile avec un autre matériau destiné à former une matrice, le compactage du mélange pour former un compact, puis le frittage ou simple compactage du compact pour obtenir le noyau 4. Le noyau 4 est dans ce cas un noyau dit « dispersé ».

Le procédé de fabrication comprend le dépôt de la couche anti-diffusion 8 sur le noyau 4, de manière à obtenir le noyau revêtu 10.

La couche anti-diffusion 8 est appliquée sur le noyau 4 par exemple par co laminage. Dans ce cas, le noyau 4 est intercalé entre deux feuilles réalisées dans le matériau de la couche anti-diffusion 8, et l’ensemble stratifié ainsi formé est laminé entre des rouleaux.

Ceci permet de faire adhérer la couche anti-diffusion 8 au noyau 4. Dans un tel cas, la couche anti-diffusion 8 recouvre les deux faces 4A opposées du noyau 4 sans recouvrir la tranche 4B du noyau 4.

En variante, comme illustré sur la Figure 3, la couche anti-diffusion 8 est appliquée sur le noyau 4 par dépôt physique en phase vapeur (ou PVD pour « Physical Vapor Déposition » en anglais), par exemple par dépôt physique en phase vapeur par pulvérisation, ou par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour « Chemical Vapor Déposition » en anglais) ou par dépôt de couches minces atomiques (ou ALD pour « Atomic Layer Déposition » pour en anglais) ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour « Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition).

En variante, la couche anti-diffusion 8 est appliquée sur la noyau par projection, par exemple par projection à froid, par projection thermique, ou par projection plasma (ou « plasma spray »).

Dans le cas d’une application de la couche anti-diffusion 8 par une méthode du type dépôt physique en phase vapeur ou projection, le couche anti-diffusion 8 peut recouvrir la tranche 4B du noyau 4. Le procédé de fabrication comprend ensuite l’insertion du noyau revêtu 10 dans la gaine 6 avec interposition de la ou des couche(s) intermédiaire(s) 12 entre le noyau revêtu 10 et la gaine 6 (Figure 4 et 5).

Chaque couche intermédiaire 12 peut être déposée sur le noyau revêtu 10 ou sur la gaine 6 avant l’insertion du noyau revêtu 10 dans la gaine 6.

Lorsque l’élément de combustible nucléaire 2 comprend plusieurs couches intermédiaires 12 superposées, celles-ci sont déposées successivement.

Dans un exemple de réalisation, le procédé de fabrication comprend le dépôt de chaque couche intermédiaire 12 sur le noyau revêtu 10 avant l’insertion du noyau revêtu 10 dans la gaine 6 (Figure 4).

Dans ce cas, chaque couche intermédiaire 12 est déposée au moins sur chacune des deux faces 10A opposées du noyau revêtu 10, et optionnellement sur la tranche 10B du noyau revêtu 10. De préférence, chaque couche intermédiaire 12 est déposée sur chacune des deux faces 10A opposées du noyau revêtu 10 et sur la tranche 10B du noyau revêtu 10.

En variante, le procédé de fabrication comprend le dépôt de chaque couche intermédiaire 12 sur la gaine 6, plus précisément sur une surface interne de la gaine 6 tournée vers le noyau 4, avant d’insérer le noyau 4 dans la gaine 6.

En variante, lorsque l’élément de combustible nucléaire 2 comprend plusieurs couches intermédiaires 12, le procédé de fabrication comprend le dépôt d’au moins une parmi les couches intermédiaires 12 sur le noyau revêtu 10 ou sur la gaine 6, et le dépôt d’au moins une parmi les couches intermédiaires 12 sur la gaine 6.

Lorsque le noyau revêtu 10 est enveloppé dans la gaine 6, chaque couche intermédiaire 12 déposée sur le noyau revêtu 10 se superpose avec chaque couche intermédiaire 12 déposée sur la gaine 6 pour former le stratifié multicouche.

Le dépôt de chaque couche intermédiaire 12 est réalisé par exemple par projection, en particulier par projection à froid, par projection thermique, par projection plasma, par projection à la flamme (ou « flame spraying » en anglais), par projection à flamme d’oxygène à haute vitesse (ou FIVOF pour « High Velocity OPxygen Flame » en anglais) ou par projection arc fil (ou AWS pour « Arc Wire Spraying » en anglais).

Dans un exemple de réalisation particulier, le dépôt de la couche intermédiaire 12, d’au moins une couche intermédiaire 12 ou de chaque couche intermédiaire 12 est effectué par projection thermique à la flamme (ou « flame spray » selon la terminologie anglaise). La projection thermique à la flamme est réalisée en fondant le matériau dans une flamme, par exemple une flamme à l’oxyacétylène, le matériau fondu étant projeté sur le substrat (noyau 4 ou gaine 6) à l’aide d’un flux de gaz, de préférence un gaz neutre, en particulier de l’argon.

La gaine 6 est par exemple formée de plusieurs éléments de gaine qui sont assemblés entre eux et autour du noyau 4 revêtu pour fermer la gaine 6 de manière étanche, la gaine 6 enveloppant complètement le noyau 4.

Dans un exemple de réalisation, la gaine 6 comprend un cadre 14 possédant une ouverture 16 pour la réception du noyau 4, et deux plaques de fermeture 18 disposées de part et d’autre du cadre 14. Le cadre 14 recevant le noyau 4 est intercalé entre les deux plaques de fermeture 18. Les deux plaques de fermeture 18 prennent le cadre 14 et le noyau 4 en sandwich.

Comme illustré sur la Figure 4, dans un exemple de réalisation particulier, les deux plaques de fermeture 18 sont formées en une seule pièce à partir d’une même feuille 18 de fermeture pliée en deux pour former les deux plaques de fermeture 18 séparées par un pli 20.

En variante, les deux plaques de fermetures 18 sont deux pièces séparées.

Le cadre 14 possède un bord interne 14A délimitant l’ouverture 16. Chaque plaque de fermeture 18 possède une surface interne 18A.

Lorsque la couche intermédiaire 12 ou au moins une parmi les couche(s) intermédiaire(s) 12 est déposée sur une surface interne de la gaine 6, le dépôt est effectué sur la surface interne 16A d’une ou de chacune des plaques de fermeture 18, et optionnellement sur le bord interne 14A du cadre 14. De préférence, le dépôt est effectué sur la surface interne 18A de chacune des plaques de fermeture 18, et sur le bord interne 14A du cadre 14.

Le procédé de fabrication comprend le pressage de l’ensemble multicouche 22 formé par le noyau revêtu 10 inséré dans la gaine 6 avec interposition de la couche intermédiaire 12.

Avantageusement, le pressage est réalisé à chaud. Le procédé comprend dans ce cas le chauffage de l’ensemble multicouche 22 avant et/ou pendant du pressage.

Dans un exemple de réalisation, le pressage est réalisé par laminage de l’ensemble multicouche 22 entre des rouleaux, comme illustré par la flèche R sur la Figure 4. Le laminage peut être réalisé à froid ou à chaud.

Lors du laminage, la pression est appliquée suivant la direction de l’épaisseur de l’ensemble multicouche 22. L’ensemble multicouche 22 tend à s’allonger.

Dans un autre exemple de réalisation, le pressage est réalisé par pression isostatique à chaud (ou HIP pour « Flot Isostatic Pressure »). Un tel pressage comprend l’assujettissement de l’ensemble multicouche 22 à la pression d’un fluide, dans une enceinte de pressurisation, de sorte que la pression agit de manière identique dans toutes les directions. Le fluide est par exemple un gaz, en particulier de l’air ou un gaz neutre.

Une telle mise en pression conduit à un allongement très faible.

Dans tous les cas, de préférence, le pressage est réalisé de telle manière que l’allongement ou le taux de réduction de l’ensemble multicouche 22 à l’issue du laminage est inférieure à 15%, de préférence inférieur à 10%.

L’allongement exprimé en pourcent de l’ensemble multicouche 22 est la différence entre la longueur de l’ensemble multicouche 22 après pressage et la longueur de l’ensemble multicouche 22 avant pressage, multiplié par la valeur 100 et divisé par la longueur de l’ensemble multicouche 22 après pressage.

Le taux de réduction est la différence entre l’épaisseur de l’ensemble multicouche 22 après pressage et l’épaisseur de l’ensemble multicouche 22 avant pressage, multiplié par la valeur 100 et divisé par l’épaisseur de l’ensemble multicouche 22 après pressage.

L’allongement et le taux de réduction sont en pratique sensiblement égaux.

Grâce à l’invention, il est possible de fabriquer facilement un élément de combustible nucléaire 2 possédant des performances neutroniques satisfaisantes.

La couche anti-diffusion 8 empêche la diffusion du matériau fissile vers les couches plus externes de l’élément de combustible nucléaire 2, en particulier vers la gaine 8, et aussi vers chaque couche intermédiaire 12.

En particulier, la couche anti-diffusion 8 possédant une température de fusion élevée empêche un telle diffusion lorsque la température du noyau 4 augmente, par exemple du fait du pressage ou du chauffage lorsque le pressage est réalisé à chaud.

Chaque couche intermédiaire 12 ductile interposée entre la gaine 6 et le noyau 4 revêtu de la couche anti-diffusion 8 facilite l’adhésion entre la gaine 6 et le noyau 4 revêtu de la couche anti-diffusion 8 et permet de limiter les défauts de qualité dans l’élément de combustible.

Elle permet notamment de limiter la pression et le cas échéant la température auxquelles le pressage de l’ensemble est effectué, et ainsi de limiter les contraintes thermique et mécaniques appliquées sur le noyau 4.

Chaque couche intermédiaire 12 permet également de limiter le risque d’oxydation de la couche anti-diffusion 8 au cours du procédé de fabrication, en particulier au cours du chauffage lorsque le pressage est réalisé à chaud.

Le procédé de fabrication permet in fine d’obtenir un élément de combustible nucléaire présentant de bonnes performances, et en particulier peu de défauts qualité, une densité en combustible nucléaire élevée, avec un pressage réalisé à une température et une pression acceptables.

Le procédé de fabrication peut être mise en œuvre avec des appareils de type connu, en particulier de dépôt, des appareils de laminage ou des appareils de pressage de types connus.

L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation discuté ci-dessus et illustré sur les dessins. D’autres exemples de réalisation sont envisageables.

L’élément de combustible nucléaire 2 est utilisable comme cible pour la production d’isotopes et/ou comme combustible pour la production d’énergie, par exemple dans un réacteur nucléaire de recherche.