Brevet FR2001229A1 — publié le 19690926

La présente invention a trait à un élément combustible pour réacteur nucléaire et plus précisément à un élément combustible scellé, étanche aux fluides, constitué d'un tube métallique qui renferme un matériau fissile ainsi qu'unie certaine masse de matériau absorbant les gaz monoatomiques produits par la fission. La plupart des éléments combustibles couramment utilisés dans les réacteurs de puissance sont constitués par un combustible à céramique réfractaire contenu dans une gaine tubulaire à et paroi mince scellée/disposée dans un milieu constitué par de lteau pressurisée. Les gatnes tubulaire à paroi mince doivent conserver l'intégrité de leur structure durant de longues périodes de service à des températures élevées. Mais ces éléments combustibles voient leur durée de vie limitée par le dégagement à partir de combustible de produits gazeux de fission qui exercent une certaine pression à l'intérieur de la gaine. Le problème est aggravé par le fait qu'un réacteur de puissance a un fonctionnement variant périodiquement, la période étant données par exemple de 24 heures, ce qui se traduit par des variations importantes de température et de pression aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur de chaque élément combustible, En raison plus précisément des variations de la différence des pressions interne et externe, la gaine enfermant l'élément combustible est sujette à céder prématurément et meme à se rompre du fait des contraintes de fatigue que subit le métal constitutif de la gaine. Aux températures et pressions de fonctionnement courant la gaine s'appuie sur des blocs dilatés de combustible, en sorte que dans les conditions normales il n'existe pas de problème de fatigue de la gatne par suite de la pression élevée de Liteau qui est par exemple de 157,50 kgp/cm2. Le problème de fatigue de la gaine est créé par la succession de contractions et dilatations répétées des blocs combustibles faisant suite aux ralentissements et reprises d'activité du réacteur du fait de la variation périodique de la demande de puissance0 Quand le réacteur est mis en veilleuse les blocs de combustible se contractent par suite du refroidissement et cessent alors de soutenir par contact la face interne de la garnie. En l'absence de pression gazeuse interneS la gaine tend à se déprimer, (à moins qu'elle ne soit à paroi épaisse) sous la pression externe de l'eau réfrigérante. En sens inverse, quand le réacteur est relancé, les blocs de combustible s'écauffent et se dilatent jusqu'à reprendre contact avec la gaziez Donc en l'absence de pression gazeuse suffisante à l'intérieur de l'élément, l'oscillation du diamètre de la gaine répondant aux échauffements et refroidissements des blocs combustibles, peut causer une contrainte de fatigue du métal, conduisant éventuellement à la rupture de la gaine, La production d'une valeur commandée de pression gazeuse interne dans l'élément combustible pour contrebalancer au moins une fraction majeure de la pression externe due à 11 eau réfrigé rante est donc désirable, dans la mesure permettant d'éliminer le problème des contraintes excessives et des risques de défaillance finale de la gatne par fatigue du métal. Cependant uné certaine pression se crée à l'intérieur de l'élément combustible en cours de service au fur et à mesure que le combustible U02 subit la fission et libère des produits gazeux tels que krypton et Xénon, ce qui fait croître la pression à l'intérieur de l'élé- ment. Une méthode permettant de freiner l'établissement d'une pression excessive du fait de cette accumulation de produits gazeux de fission est de ménager une chambre à gaz, disposée à distance des éléments combustibles et communiquant avec chacun d'eux au moyen de conduites et de collecteurs, cette chambre à gaz étant en tout ou partie remplie de charbon de bois activé assurant ltad- sorption des gaz. Une telle structure est décrite dans le brevet des U.S.A. NO 2 851 409. Les inconvénients d'une telle structure tient aux éléments supplémentaires qu'elle exige soit la chambre, les conduites et le collecteur, et qui viennent grever l'encombre- ment du réacteur ainsi que son coflt de construction. C'est pourquoi la présente invention a principalement pour objet de concevoir un élément combustible dans lequel la pression des produits gazeux de fission est maintenue à une valeur relativement constante au moyeu d'une chambre à gaz interne de volume relativement faible. A cette fin suivant l'invention, un élément combustible pour réacteur nucléaire à eau pressurisée est constituée par un conteneur métallique hermétiquement scellé, dont les parois forment une chambre à combustible et une chambre à gaz, une certaine masse de matériau fissile disposée dans la première de ces chambres et un passage donnant une communication gazeuse entre cette première et la chambre à gaz caractérisé par le fait qu'une certaine massse de matériau adsorbant les gaz monoatomiques est disposée dans la seconde chambre, ce qui permet de commander la pression due aux produits gazeux de fission à l'intérieur du conteneur Grâce à cette structure les produits gazeux de fission sont adsorbés par la masse de matériau adsorbant les gaz monoatomiques, qui peut autre introduit soit sous forme de blocs compacts d'une taille facile à manipuler, soit sous forme de poudre. Le matériau adsorbant des gaz mono atomiques a une très grande surface active par rapport à son volume. Un tel matériea}de densité très faible et de porosité élevee. Ce matériau peut autre choisi dans un ensemble comprenant : charbon de bois activé, alumine (au203) activée2 dioxyde de d'uranium (U02) activé, et filtres moléculaires. Ce matériau-est disposé sous forme soit de blocs soit de poudre, dans la chambre à gaz de l'élément, à l'extrémité haute de celui-ci. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une forme préférée de réalisation, prise uni quement à titre d'exemple, ainsi qu'à ltexamen-- des dessins cor- respondants annexés dans lesquels : - La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un élément combustible suivant l'ihvention. - La Figure 2 est un graphique des Variations de la pression gazeuse interne de l'élément en fonction du temps. - La Figure 3 est un graphique des variations de la pression gazeuse interne en fonction de la masse de gaz adsorbé en milligrammes par gramme de charbon de bois activé, à différentes températures, La Figure 1 représente un élément combustible 10 particulièrement bien adapté à l'emploi dans un réacteur de puissance du type à eau pressurisée. L'élément 10 renferme un certain nombre de blocs cylindriques 12 de combustible nucléaire, disposés bout à bout dans une gamine tubulaire 14. Les deux extrémités de la gatne 14 sont fermées par des obturateurs 16, 18 respectivement qui sont fixés à leurs emplacements par des cordons annulaires de soudure 20 pour réaliser un emboîtage hermétiquement fermé. La plus grande partie de l'espace intérieur de la gaine 14 forme une chambre 22 occupée par le combustible et la partie supérieure de la gaine enferme une chambre à gaz 24 relativement petite. Comme le montre la Figure 1, les blocs de combustible 12 sont d'un diamètre légèrement plus petit que le diamètre intérieur de la gaine 14; il en résulte qu'entre les blocs et la gat- ne un intervalle 26 subsiste, qui s'étend au long de l'élément et communique avec la chambre 24. Dans la chambre 24 sont disposés un ou plusieurs blocs 28 en un matériau adsotbant les gaz et qui remplissent pratiquement la chambre 24. Les blocs de combustible 12 sont constitués par un matériau fissile convenable, par exemple du dioxyde d'uranium (U02) enrichi d'environ 3% d'U 235, mais l'importance de cet enrichissement dépend du but particulier poursuivi et de la conception du réacteur. On peut utiliser des blocs d'oxydes ou de carbures de thorium, de plutonium ou d'autres éléments fissiles, ou encore des mélanges de deux ou de plus de deux de ces matériaux combustibles. La gaine 14 est en un métal pratiquement inerte vis à vis du milieu ambiant du réacteur et sensible à l'irradiation par les blocs de combustible 12. La gaine 14 peut autre constituée par un alliage à base de zirconium, tel que ceux dits zircaloy 2 ou zircaloy 4, ou encore par un acier inoxydable austénitique tel que celui connu sous le nom de type 204. Les alliages à base de zirconium ont une adsorption neutronique plus faible que l'acier inoxydable. Mais d'un autre csté l'acier inoxydable a une vitesse de fluage plus faible que les alliages à base de zirconium, l'acier inoxydable ayant une vitesse de fluage négligea.- ble jusqu'à des températures de l'ordre de 5400C, alors que les alliages dits zircaloys n'ont une vitesse de fluage négligeable que jusqu'à des températures de l'ordre de 315Ce Les éléments combustibles 10 peuvent avoir un diamètre extérieur d'environ 9 à 15 mm, et dans un exemple préféré de 10,72 mm. La longueur des éléments combustibles qui peut autre choisie dans un large intervalle dépend du réacteur nucléaire auquel les éléments sont destinés. Cependant là ou la longueur de des éléments serait ordinairement de 3,65 m dans-le cas où la chambre à gaz ne contient pas d'adsorbant des gaz monoatomiques, la longueur totale des-éléments peut autre notablement réduite, par exemple jusqu'à 2,50 m, en utilisant une chambre à gaz beaucoup plus courte mais remplie d'un matériau adsorbant les gaz monoatomiques. Dans le cas d'éléments combustibles pour réacteur, les blocs combustibles 12 ont un diamètre de 6,35 à 14,00 mrn, le diamètre préféré étant de 9,37 mm dans le cas d'une gaine ayant le diamètre précité de 10,72 mm. La gaine a une épaisseur comprise entre environ 0,46 et environ 0,89 mm, une épaisseur de 0,61 mm étant convenable dans la plupart des cas. Le but de l'intervalle 26 est de permettre la dilatation radiale des blocs 12, quand l'élément combustible est porté aux températures- élevées de fonetionnement d'un réacteur. A de telles températures les blocs peuvent se dilater notablement par exemple de 0,13 mm auquel cas l'intervalle 26 est complètement rempli et les blocs de combustible viennent en contact franc par toute leur surface latérale avec la gaine 14 pour assurer une bonne conductibilité thermique. D'ailleurs la gaine se dilate aussi quelque peu aux températures élevées de fonctionnement du réacteur. La gaine en acier inoxydable a une épaisseur normale de l'ordre de 0,38 mm, mais elle peut être réduite notablement, par exemple jusqu'à 0,19 mm, selon les conditions finales de pression interne régnant au sein de la garnie, La masse 28 d'adsorbant des gaz mohoatomiques peut être sous la forme de poudre, ou tendre à prendre la forme de poudre en cours d'emploi au sein d'un réacteur. On peut alors disposer un disque poreux 30 entre ltextrémité inférieur de la masse 28 et l'extrémité supérieure des blocs 12, pour empêcher le matériau adsorbant en poudre de pénétrer dans l'intervalle 26 et de le remplir. Un tel disque peut être.constitué par un matériau comprimé fritté par exemple de l'alumine ou du graphite ou bien encore par une feuille de métal perforée. Etant donné que la masse adsorbante 28 en matériau à grande surface adsorbante adsorbe en fait à une pression gazeuse donnée plus de volume de gaz que le matériau en occupe, une chambre à gaz 24 relativement petite aboutit à faire régner la meme pression interne qu'une chambre à gaz plus grande dépourvue de matériau à grande surface adsorbante. Suivant une autre solution, si la longueur de la chambre à gaz est conservée constante par rapport à celle d'un élément combustible ne renfennant pas de masse adsorbante 28, la pression gazeuse interne obtenue se trouve réduite par ltemploi d'une masse adsorbante. La méthode consistant à utiliser une masse 28 dtadsor- bant de gaz monoatomiques, par exemple de charbon activé, a l'a- vantage supplémentaire d'agir comme tampon réduisant les fluctuations de la pression gazeuse interne. Par exemple, dans les débuts de la vie d'un élément combustible en service, quand le dégagement de gaz de fission est faible, la pression gazeuse interne est plus élevée que celle qu'on obtiendrait sans charbon activé car l'adsorption est faible du fait que la pression interne ltest également. I1 est donc- souhaitable qu'une pression interne s'établisse rapidement pour contrebalancer la forte pression externe s'exerçant dans le réacteur à eau pressurisée et par là réduire lé' 'fluage ou affaissement de la gaine en zircaloy sur les blocs 12. Mais à un stade plus avancé de la vie d'un élément en service, au fur et à mesure que croft la pression interne, le charbon ac tivé adsorbe proportionnellement de plus en plus de gaz, en réduisant par là les contraintes exercées sur la gaSne par la pression interne La comparaison des variations de la pression interne d'un élément combustible selon qu'il renferme ou non du charbon de bois activé fait l'objet de la Figure 2. Ce graphique indique que la pression croît pratiquement linéairement en l'absence d'adsorbant tel que charbon de bois. Mais si l'on utilise du charbon de bois activé la pression interne de l'élément combustible croît très vite durant le début de la vie en service, pour ne plus croître ensuite que lentement durant tout le reste de la vie de l'élément. Comme le charbon de bois activé est plus adsorbant à des températures relativement basses qu'à des températures plus élevées, il est préférable que la chambre à gaz 24 soit disposée à celle des extrémités de l'élément combustible où la température est la plus élevée. Basés sur des données expérimentales, les calculs de pression interne en fin de vie d'éléments combustibles, pourvus ou dépourvus de charbon de bois activé, ont donné les résultats consignés dans le tableau suivant. TABLEAU Pression Interne en Fin de Vie d'Elements Combustibles Sans charbon de Avec charbon de bois activé bois activé > Pression en Fin de Vie (Fonctionnement normal 157,5 kg/cm2 88,34 kg/cm2 sans surpuissance) Pression en Fin de Vie (Avec surpuissance - de 236,25kg/cm2 xx 101,85 kg/cm2 gaz de 50g de fission ou gaz de fission ou d'impuretés gazeuses équivalentes) x) Calculs faits au plus juste en supposant que l'adsorption de krypton est nulle et celle de xénon est de 33% inférieure à celles des meilleures données disponibles. xx) EntraSnant vraisemblablement rupture.. Il est bien clair que l'introduction de-charbon de bois activé réduittfortement la pression gazeuse interne en fin de vie de chaque élément combustible. On a recherché expérimentalement d'autre part l'effet de la température sur le pouvoir adsorbant du charbon de bois activé. Les résultats sont donnés à la Figure 3 qui fait ressortir que lorsqu'on passe de températures de fonctionnement relativement faibles (204 C) à des températures plus élevées (4270C) les quantités de krypton et xénon adsorbées par le charbon de bois activé s'accroissent, ce qui a pour effet de réduire la pression interne totale au sein de chaque élément combustible. La Figure 3 montre également que l'adsorption de xénon et krypton s'accroît plus vite que la pression gazeuse régnante. REVEND ICAT IONS 1 - Elément combustible pour réacteur nucléaire à eau pressurisée, constitué par un conteneur métallique hermétiquement scellé, dont les parois forment une chambre à combustible et une chambre à gaz, une certaine masse de matériau fissile disposée dans la première de ces chambres et un passage donnant une communication gazeuse entre cette première chambre et la chambre à gaz, caractérisé par le fait qu'une certaine masse de matériau adsorbant des gaz monoatomiquFs est disposée dans la seconde chambre, ce qui permet de commander la pression due aux produits gazeux de fission à l'intérieur du conteneur. 2 - Elément combustible selon 1), caractérisé par le fait que le matériau adsorbant est choisi dans un ensemble côrn- prenant : charbon de bois activé, alumine activée, dioxyde d'uranium activé et filtres moléculaires. 3 - Elément combustible selon 1 ou 2, caractérisd par le fait que le conteneur est en alliage à base de zirconium et la masse de matériau adsorbant en charbon de bois activé. 4 - Elément combustible selon 1, 2 ou 3),caractérisé par le fait que le conteneur métallique est un tube cylindrique, la masse de matériau fissile est constituée par des cylindres d'un diamètre légèremeht inférieur au diamètre intérieur du tube, et par le fait que la masse de matériau adsorbant est, en cour de service, disposée dans la partie la plus chaude du tube.