Brevet FR2012583A1 — publié le 19700320

La présente Invention concerne d'une manière générale les barres de combustible nucléaire pour utilisation dans des réacteurs nucléaires et vise notaiiiment une barre combustible à gaine métallique hermétiquement fermée aux extrémités par des capuchons métalli-5 que s soudés et contenant des tampons en céramique qui séparent et isolent thermiquement ces capuchons du combustible. Dans les réacteurs nucléaires, les barres de combustible utilisées pour former les éléments combustibles sont habituellement espacées et réparties suivant un motif tel quef pendant réaction de 10 fission en chaîne, la chaleur engendrée par la réaction soit prélevée par un réfrigérant qui balaie les faces extérieures de chaque barre combustible. Outre qu'elle dégage de la chaleur, la réaction de fission engendre aussi des produits gazeux qui, dans ce cas, demeurent occlus dans les gaines individuelles des barres combusti-15 bles sans entrer en contact direct avec le réfrigérant. Une barre de combustible nucléaire typique contient une certaine quantité de combustible nucléaire tassé dans une gaine ou tube métallique hermétiquement fermé aux extrémités par des capuchons métalliques. Etant donné que, pendant fonctionnement du réacteur, 20 le combustible nucléaire atteint des températures assez élevées, de l'ordre de 1 100°C, il faut l'empêcher de toucher les capuchons d' extrémitépour éviter que ces capuchons ou les parties de gaine voisines ne cèdent par suite de surchauffe du métal et de contraintes thermiques excessives. En outre, pour recevoir les produits de fis-25 sion gazeux, il faut prévoir un volume disponible à une extrémité ou aux deux extrémités de la barre combustible. Dans certaines structures de barre combustible antérieures, par exemple telles que décrites dans le brevet des Etats-Unis N° 3 141 830 aux noms de Klepfer et autres, l'élément combustible pré-30 sente intérieurement des enceintes de rétention des gaz et il est prévu une certaine limitation de la quantité de chaleur transmise par le combustible nucléaire aux capuchons d'extrémité. Toutefois, f»ana des barres combustibles de ce genre, les capuchons d'extrémité sont creux et de forme tabulaire, pour ménager le volume de récep-35 tion des gaz et pour soutenir en outre la gaine sur une longueur correspondant à celle du volume de réception des gaz. En conséquence, l'extrémité intérieure de la partie tabulaire du capuchon d'extrémité est en contact direct avec le combustible. Dans la partie creuse du capuchon suivant le brevet précité est inséré un agglomé-40 ré élastique perméable, dont il est dit qu'il s'oppose, par des mé 69 23293 2 2012583 canismes qu'on ne comprend, pas encore très bien, à la hausse de pression normalement provoquée dans la barre combustible par les produits de fission gazeux* Cet aggloméré peut se présenter sous forme de feutre ou de nappe comprimée de copeaux, grains, rognures» 5 laine, fil métallique, poudre ou analogues d'un matériau choisi Bar-mi le zirconium, le niobium, le titane, l'yttrium ou le hafni.um à l'état métallique élémentaire ou allié, isolément ou en mélangesa De toutes manières, chaque capuchon d'extrémité contient un aggloméré métallique en contact direct avec le combustible. 10 la barre combustible suivant l'invention se distingue nettement de celle suivant ce brevet en ce qu'aucune partie du capuchon ne touche directement le combustible. On obtient ce résultat en prévoyant un montage de barre combustible gainée dont l'étancMité est assurée par des capuchons d'extrémité reliés chacun à ans extrémité 15 co?,*reapondant e. de la gaine, des tampons de céramique spongieuse é-t&nt insérés dans la gaine, dans l'espace séparant le capuchon d'extrémité du combustible. On voit que cet agencement évite tout contact direct entre le capuchon d'extrémité et le combustible. Simultanément, les tampons isolent thermiquement les capuchons d'extré-20 mité du combustible nucléaire engendrant de la chaleur, les laeup.es présentes dans les tampons poreux permettent au combustible nucléaire de subir une dilatation thermique à mesure que sa température s8élève et ménagent des espaces de réception des gaz de fission résultant ds la réaction nucléaire. 25 De préférence, les tampons en céramique sont en zircone spon gieuse et occupent en quasi totalité l'espace non occupé dans la gaine par 1@ combustible nucléaire» CM les emmanche à force dans la gaine pour qu'ils maintiennent le combustible en position voulue pendant assemblage de la barre et manutention ultérieure et pour 30 qu'ils assurent pendant fonctionnement du réacteur un renforcement intérieur résistant à la pression qu'applique extérieurement le réfrigérant primaire. Il jpâ plusieurs avantages à utiliser des tampons de zircone spongieuse pour séparer les capuchons d'extrémité du combustible t 35 1. la zircone spongieuse est un bon isolant réfractaire ; 2. on peut aisément l'obtenir avec un pourcentage de lacunes de 80 à 90 ?» en volumes et, dans cet état, elle oppose encore à la compression assez de résistance pour que le combustible et les tronçons extrêmes de la barre combustible tubulaire soient bien .40 soutenus intérieurement, et 3A& ORfGfMAl 69 23293 3 2012583 3. elle peut s'écraser pour permettre la dilatation thermique de la colonne de combustible et est chimiquement inerte vis-à-vis du combustible nucléaire et du matériau de gainage des barres combustible . 5 Pour mieux faire comprendre l'invention, ses avantages fonc tionnels et les buts particuliers qu'elle permet d'atteindre, on va maintenant en décrire à titre d'exemple un mode de réalisation préféré, illustré par la figure unique du dessin annexé, qui est une vue en coupe longitudinale d'une barre de combustible nucléaire 10 suivant l'invention. le dessin représente à titre d'exemple une barre de combustible nucléaire 10 suivant l'invention, contenant âne charge de combustible nucléaire 11 tassée dans la partie moyenne d'un tube 12 gainé de métal. Le tube 12 est hermétiquement fermé aux deux extré-15 mités par des capuchons métalliques 13A et 13B, posés chacun sur 1' une de ses extrémités. Des tampons de céramique spongieuse 14A et 14B sont insérés dans le tube 12, entre les limites de la charge de combustible 11 et les capuchons 13A et 13B respectivement. Les tampons 14A, 14B séparent du combustible 11 les capuchons 20 respectifs 13A, 13B, maintiennent le combustible en position voulue dans le tube 12 et évitent la transmission aux capuchons de la chaleur engendrée par les réactions de fission nucléaire qui apparaissent dans le combustible 11 quand la barre combustible 10 est en service dans un réacteur nucléaire en fonctionnement. 25 On constate que des tampons en zircone (oxyde de zirconium) spongieuse ont l'avantage de soutenir convenablement le tube 12 et sa charge de combustible, tout en pouvant s'écraser dans une mesure suffisante pour permettre la dilatation thermique normale du combustible 11. La zircone est en fait parfaitement indiquée pour consti-30 tuer les tampons 14A et 14B parce qu'on la trouve dans le commerce sous forme de blocs qui présentent, en gros, un pourcentage en volumes de lacunes de 80 à 90 % et qui se révèlent à l'essai avoir une résistance à la compression de l'ordre de 17,6 kg/cm qui possèdent encore, après écrasement sous l'effet de forces de compres-35 sion voisines de 65 kg/cm, de bonnes caractéristiques physiques. Les tampons 14A, 14B occupent en quasi totalité les espaces demeurés libres dans le tube 12, entre les limites atteintes par le combustible 11 et les capuchons 13A et 13B associés, et on les emmanche de préférence à force dans le tube 12 pour soutenir intérieu-40 rement la charge de combustible et les tronçons du tube qui dépas 69 23293 4 2012583 sent cette charge. On peut aisément découper des tampons 14A, 14B, même de diamètre faible, dans un bloc de zircone spongieuse par simple cisaillement à l'aide d'un poinçon tubulaire, de sorte que leur réalisation n'exige aucun matériel particulier ni peu courant. 5 De plus, la zircone spongieuse étant compressible, il est inutile d'usiner avec précision les tampons 14A et 14B pour les encastrer dans le tube 12 : on peut les découper grossièrement et les emmancher à force dans ce tube, ce qui est particulièrement avantageux pour du combustible tassé, car les tampons en zircone spongieuse 10 étroitement appliqués contre le tube 12 évitent q.ue du combustible n'entre en contact par infiltration avec les capuchons 13A et 13B. Les tampons en zircone spongieuse présentent d'autres avantages : ils sont inertes vis-à-vis des combustibles à base d'oxyde d'uranium à des températures allant jusqu'à 1 100°C environ et ré-15 sistent à la dissolution par les mélanges d'acides nitrique et fluo-rhydrique couramment utilisés à la régénération du combustible pair technique de fragmentation et de lessivage de Chop-Leach. De plus, quand de la zircone non dissoute est exposée à des solutions aqueuses contenant du plutonium, ce q.ui est le cas pendant retraitement 20 du combustible, elle n'absorbe que très peu du plutonium contenu dans la solution. On notera que, suivant l'invention, on utilise le pouvoir réfrac taire et isolant d'un oxyde métallique, à savoir oxyde de zirconium, pour limiter la transmission de chaleur du combustible 11 25 aux capuchons d'extrémité 13A et 13B et limiter ainsi les températures atteintes par ces capuchons. Certes, on pourrait tasser de la matière métallique poreuse entre les capuchons 13A, 13B et le combustible, comme proposé dans le brevet précité, mais cette matière métalliq.ue aurait invariablement un coefficient de transmission de 30 chaleur supérieur à celui de l'oxyde métallique correspondant, de sorte que les capuchons 13A, 13B s'échaufferaient et que la matière métallique subirait elle-même une détérioration et/ou une fusion résultant de la haute température du combustible. On a décrit et illustré à titre d'exemple un mode particulier 35 de réalisation de l'invention, mais le technicien pourra bien entendu lui apporter diverses modifications et variantes, sans sortir pour cela du cadre de l'invention, défini par les revendications ci-dessous, et il sera parfois avantageux d'utiliser isolément une ou plusieurs des caractéristiques de l'invention. 69 23293 5 2012583 REVENDICATIONS - 1) Elément combustible nucléaire caractérisé en ce qu'il comporte un tube de gai nage, une certaine quantité de combustible nucléaire tassé dans ce tube, deux capuchons d'extrémité reliés chacun à une extrémité du tube pour la fermer hermétiquement et deux 5 tampons en céramique spongieuse insérés dans ledit tube, chacun entre un capuchon et le combustible, pour éviter tout contact entre le capuchon associé et le combustible et pour isoler thermiquement ce capuchon de la chaleur engendrés par les réactions nucléaires apparaissant au sein du combustible, les lacunes des tampons en cé- 10 ramique spongieuse étant disposées âe sanièr© à retenir les gaz engendrés par ces réactions nucléaires. 2) Elément combustible nucléaire aelon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tampons ©a. céramique spongieuse occupent en quasi-totalité l'espace libre, dans le tube de gainage, en- 15 tre les limites du combustible et du capuchon d'extrémité associé et sont emmanchés à force dans le iabs de gainage pour le soutenir intérieurement. 3) Elément combustible nucléaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tampons en céramique spongieuse peuvent su- 20 bir sans déformation une compression d'au moins 17,6 kg/cm et peuvent s'écraser, sous l'action d'une compression non supérieure à 63 kg/cm, pour permettre la dilatation thermique du combustible. 4) Elément combustible nucléaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits tampons présentent des lacunes couvrant 25 au moins 80 fé du volume qu'ils occupent dans 1© tube de gainage. 5) Elément combustible nucléaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits tampons sont inertes vis-à-vis de combustible à base d'oxyde d'uranium à des températures allant jusqu'à 1 100°0 environ. 30 6) Elément combustible nucléaire selon la revendication 2, ca ractérisé en ce que lesdits tampons en céramique résistent à la dissolution par l'acide nitrique et par les mélanges d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique à concentration limitée* 7) Elément combustible nucléaire selon la revendication 2, ca- 35 ractérisé en ce que lesdits tasipon® en céramique sont en zircone spongieuse.