Brevet FR2026857A1 — publié le 19700925

La présente Invention est relative à un élément combustible pour réacteur nucléaire, élément comportant une enveloppe soumise à la pression interne d'un gaz. entourant le combustible et au moins un. espabe creux, et refroidi par 5 un réfrigérant en écoulement. Lors de la fission du noyau, des gaz de fission se dégagent qui, lorsque se poursuit la consommation du combustible, créent une pression interne croissante dans l'élément combustible. La différence entre la pression interne du gaz 10 et la pression externe du réfrigérant doit essentiellement être absorbée par l'enveloppe de l'élément combustible et ne peut donc pas dépasser les valeurs déterminées en fonction de la charge maximale admissible que peut supporter le matériau de l'enveloppe. Ceci signifie en fait que le temps de service d'un élément combusti-15 ble dépend entre autres de l'accroissement de la pression et de la pression.maximale admissible des gaz de fission. Four retarder l'augmentation de la pression, il est connu d'équiper, des éléments combustibles en forme de barreau par exemple; de ce que l'on appelle un coussin de 20 gaz de fission. Pour cela, l'enveloppe est habituellement prolon-. . gée en direction du côté par où entre le réfrigérant, au-dessus de la zone contenant le combustible ou la matière active, si bien qu'il est créé un espace creux, additionnel rempli par un gaz et dans lequel, pendant le rayonnement dans le réacteur, se rassem-25 blent les gaz de fission. La quantité de gaz introduite artificiellement doit être dans ce cas déterminée de façon à ce que la pression interne à la mise en service soit plus basse que la pression externe du réfrigérant. De ce fait, l'enveloppe est tout d'abord sollicitée à la compression et, plus tard, lorsque suffisamment de 30 gaz de fission se sont accumulés, elle est sollicitée à la traction. La taille de l'espace creux servant de coussin de gaz de fission est cependant limitée pour des raisons de construction et de thermodynamique, si bien que l'accrois-35 sement de la pression ne peut pas être maintenu aussi faible que l'on veut. En partant de cet état de la technique, l'invention a pour but, avec des moyens simples, de proposer un élément combustible dont le coussin de gaz de fission permette 4-0 d'absorber des quantités essentiellement plus importantes de gaz de 69 42370 2 2026857 fission sans que la pression interné prenne des valeurs élevées inadmissibles « A cet effet, l'invention concerne un élément combustible de réacteur nucléaire avec une enveloppe 5 entourant le combustible et comportant au moins un espace creux, enveloppe soumise à une pression de gaz et refroidie par un réfrigérant en écoulement, élément caractérisé en ce que 1*espace creux contient une.vapeur qui se condense en fonction de l'accroissement delà quantité de gaz de fission. 10 Si, au début de la combustion, la vapeur est à l'état de.saturation sèche, alors la pression interne reste constante dans l'élément combustible malgré l'accroissement de la quantité de gaz de fission jusqu'à ce que la totalité de la vapeur soit condensée. Ainsi, il est possible de prolonger le temps .15 de service de façon correspondante, ou bien de concevoir que l'enveloppe ait une épaisseur de paroi plus' faible, ou encore qu'elle soit faite en tin matériau qui présente éventuellement une résistance mécanique plus faible, mais qui possède des propriétés plus fa-vorablespour.les neutrons, ce qui est particulièrement à rechercher 20 dans les réacteurs, rapides à. surrégénération lorsque l'on veut atteindre un taux de surrégénération aussi élevé que possible. Ainsi, la pression initiale à la mise en service, qui .était, jusqu'à maintenant obtenue au moyen d'un gaz sous pression, est suivant l'invention produite totale-25 ment ou partiellement à l'aide de la vapeur qui se recondense ultérieurement. Cette particularité peut naturellement aussi Ôtre utilisée pour réduire le volume du coussin de gaz de fission. Pour cela, l'espace creux est avantageusement, avant l'introduction de l'élément combustible 30 dans le réacteur, partiellement rempli par un liquide, par exemple de l'eau, qui, sous l'action de la chaleur transmise à l'enveloppe par le réfrigérant du réacteur, se vaporise et dont la température critique d'évaporation se situe au-dessus de la température de l'agent réfrigérant. 35 le liquide peut, compte tenu du volume de l'espace creux, être accompagné par un gaz de remplissage, par exemple de l'hélium, de façon à ce que la pression interne s'établissant dans, l'enveloppe après l'évaporation corresponde à peu près à la pression du réfrigérant extérieur. De ce 40 fait, à la mise en service, lorsque tout le liquide est vaporisé. COPY 69 42370 3 2026857 l'enveloppe est môme tout d'abord, à cause de la quantité de gaz de fission produite, déchargée jusqu'à ce que finalement, alors que continue à augmenter dans l'enveloppe la. quantité de gaz de fission par rapport au réfrigérant, il s'établisse grâce à la con-5 densation de la vapeur une surpression constante. Par tin choix convenable du. liquide à évaporer, par exemple des solutions organiques résistant à l'irradiation et dont la température critique se situe au-dessus de celle du réfrigérant, la présente invention peut aussi s'appliquer à des réacteurs refroidis par des gaz. 10 Par la présente invention, on fait face au "gonflement galopant" intempestif de l'élément combustible tout aussi efficacement qu'à la déformation (élargissement et éclatement) survenant par suite de la grande pression régnant,, à l'intérieur de l'enveloppe. Pour éviter que la vapeur ou le li-15 quide vienne au contact du combustible ou de la matière active, il est opportun de subdiviser l'espace creux au moyen d'un élément de séparation mobile en deux zonesfdont l'une communique avec le combustible pour recevoir les gaz de fission tandis que l'autre zone contient le liquide ou la vapeur. Comme élément de séparation, on 20 peut par exemple prévoir une membrane élastique. A la place de celle-ci, il est oependant. aussi possible de séparer les deux zones l'une de l'autre comme lorsqu'il s'agit de tubes communicants ou suivant une espèce de joint par piston plongeant, réalisé au moyen d'un agent, liquide à la température de fonctionnement, notamment 25 d'un métal liquide comme par exemple du plomb. Il est également possible d'utiliser des membranes sélectives qui ne sont perméables que pour, dea gaz de fission et ne le sont pas par contre pour la vapeur du liquide. Des modes de réalisation de 30 l'invention sont représentés à titre d'exemples non limitatifs sur les dessins ci-joints dans lesquels : - la figure 1 montre schématique-ment la partie inférieure d'un élément combustible en forme de barreau dont le coussin de gaz est subdivisé en une zone de réceptioa 35 des gaz de fission et un espace de vapeur. - la figure 2 en montre une variante dans laquelle on prévoit comme espace de vapeur plusieurs petits tubes fermés d'un côté» l'enyeloppe 1 de l'élément com-40 bustible en forme de barreau est, au-delà de la partie contenant le 69 42370 4 2026857 combustible ou la matière active 2,prolongée vers le bas et forme ainsi un espace creux 3 supplémentaire en forme de marmite et servant comme coussin de gaz de fission. Le réfrigérant, par exemple de la vapeur saturée ou de la vapeur légèrement surchauffée, vient 5 s1écouler au contact de l'élément combustible en direction de la flèche,de sorte que. la partie de l'enveloppe 1 entourant l'espace creux 3 est réchauffée.à la température du réfrigérant entrant. L'espace creux 3 est subdivisé en deux zones, un:espace 4 de collecte des gaz de fission et un espace 10 de vapeur 5. Pour recevoir le gaz de fission, il est prévu un tube 6 qui est par son extrémité supérieure raccordé à la zone 2 du combustible et qui par son extrémité inférieure débouche par une ouverture dans le fond de l'espace creux. La chambre de vapeur 5 à la partie supérieure de. l'espace creux 3 est formée par l'envelop-15 pe 1, par. un disque de séparation 7 délimitant le combustible 2, par le tube 6 et par un joint hydraulique 8. Le joint hydraulique ! peut par exemple être constitué par du plomb qui se liquéfie par réchauffage et occupe ainsi, comme liquide de séparation entre deuxti» communicants, une position différente suivant la quantité de gaz 20 ou de vapeur existant dans les deux chambres 4 et 5* Avant l'utilisation, la chambre 5 est remplie avec un liquide déterminé et l'espace 4 relié à la zone du combustible 2 est rempli par un gaz protecteur qui est normalement de l'hélium. La quantité de liquide peut ainsi être 25 dosée de façon à ce que, à la température de fonctionnement correspondant à peu près à la température du réfrigérant, la tension de vapeur qui s'établit corresponde à peu près à la pression du réfrigérant. . .. . Mais on peut aussi, suivant la 30 charge admissible du tube de l'enveloppe,maintenir au début du temps de service la pression interne un.peu plus basse de façon à ce.que l'enveloppe soit tout d'abord.soulagée par l'augmentation de la pression des gaz de fission. Alors que se poursuit l'arrivée des gaz de fission dans le volume 4, la pression interne dans les 35 volumes 4 et 5 augmente jusqu'au moment où la vapeur dans la chambre 5 atteint l'état de saturation sèche. A partir de cet état, la pression interne dans les chambres 4 et 5 reste constante, alors môme qu'arrivent d'autres quantités de gaz de fission, car la vapeur commence à se condenser et que le volume ainsi libéré profite aux 40 gaz de fission de l'espace creux 3» Ce n'est que lorsque toute la COPY 69 42370 5 2026857 vapeur est condensée que la pression interne monterait de nouveau. Sur la figure 2 sont disposés dana le coussin 10 de gaz de fission plusieurs petits tubes mincea 11, fermés à leur extrémité supérieure et débouchant à leur extré-5 mité inférieure par une ouverture dans la zone du fond du coussin, les petits tubes 11 contiennent dans la zône de leur extrémité fermée 12 le liquide à évaporer, l'écoulement du liquide, de façon analogue à ce qui se passe sur la figure 1, est empêché par un joint hydraulique 13 qui se liquéfie au réchauffage. Ce joint hy-10 draulique peut aussi le cas échéant remplir la partie inférieure du coussin 10 jusqu'au-delà de l'embouchure des petits tubes 11,de façon à ce qu'il ne puisse pas s'introduire de liquide ou de vapeur dans l'espace 14 réservé aux gaz de fission et dans lequel les dits gaz de fission s'écoulent directement en provenant de la zone 15 du combustible 2. L'utilisation de ces petits tubes 11,qui sont fixés à l'enveloppe 1 par des supports convenables 15,exploite surtout leur effet capillaire vis-à-vis des liquides. Pour le reste, le mode d'action est semblable à ce qui est expliqué sur la figure 1 . 20 Le point de fusion des joints hydrauliques 8 ou 13 doit naturellement se situer plus bas que la température de fonctionnement du réfrigérant. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et re-25 présentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 69 42370 6 2026857 REVENDICATIONS 10) Elément combustible de réao-teur nucléaire avec une enveloppe entourant le combustible et comportant au moins un espace creux, enveloppe soumise à une pression 5 de gaz et refroidie par un réfrigérant en écoulement» élément caractérisé en ce que l'espace creux contient une vapeur qui se condense en fonction de l'accroissement de la.quantité de gaz de fission. 2°) Elémént combustible de réac-10 teur nucléaire suivant la revendication 1 ,caractérisé en ce que l'espace cretuc est partiellement rempli par un liquide qui se vaporise à la chaleur transmise par le réfrigérant à l'enveloppe et dont la température de vapeur critique se situe au-dessus de la température du réfrigérant. 15 3°) Elément combustible de réac teur nucléaire suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité de liquide est, par rapport au volume de l'espace creux et à la pression, produite par un gaz de remplissage, qui y règne, dosée de façon à ce que la pression interne s'établissant 20 dans l'enveloppe après 1'évaporation se situe dans l'ordre de grandeur de la pression du réfrigérant extérieur, de préférence cependant un peu plus bas que celle-ci. 4°) Elément combustible de réacteur nucléaire suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la 25 quantité de liquide est, par rapport au volume de l'espace creux et à la pression, produite par un gaz de remplissage jul y règne, dosée de façon à ce que la vapeur se formant atteigne sensiblement l'état de saturation sèche. 5°) Elément combustible suivant 30 l'une quelconque des revendications 1 et 2pcaractérisé en ce que l'espace creux est, au moyen d'un élément de séparation mobile, subdivisé en deux compartiments séparés l'un de l'autre d'une façon étanche aux gaz, un des compartiments communiquant avec le combustible pour recevoir les gaz de fission tandis que l'autre comparti-35 ment contient le liquide ou la vapeur. 6°) Elément combustible suivant la revendication 5,caractérisé en ce que l'on utilise une membrane élastique comme élément de séparation. 7°) Elément combustible suivant 40 la revendication 5,caractérisé en ce que les deux compartiments 69 42370 7 2026857 sont disposés l'un par rapport à l'autre à la façon des tubes communicants et isolés l'un de l'autre au moyen d'un liquide de séparation, de préférence un métal liquide. 8°) Elément combustible suivant 5 la revendication 7,caractérisé en ce que dans l'espace creux sont prévus un ou plusieurs tubes raccordés par leur extrémité supérieure à la zone du combustible et dont les extrémités inférieures débouchent par une ouverture dans la partie du fond de l'espace creux, tandis qu'entre les tubes et l'epveloppe est prévu un joint hydrau-10 lique se liquéfiant à la température de fonctionnement et séparant la vapeur des gaz de fission. 9°) Elément combustible suivant la revendication 7,caractérisé en ce que dans l'espace creux sont disposés plusieurs petits tubes minces fermés à leur extrémité su-15 périeure et débouchant à leur extrémité inférieure par une ouverture dans le domaine du fond du coussin et contenant le liquide à évaporer,et que ces petits tubes sont isolés de l'espace de collecte des gaz de fission, entouré par l'enveloppe, par un liquide de séparation se liquéfiant à la température de fonctionnement. 20 10°) Elément combustible suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2fcaractérisé en ce que l'espace creux est subdivisé en deux compartiments au moyen d'une membrane sélective, l'un des compartiments communiquant avec le combustible,tandis que l'autre contient le liquide ou la vapeur, 25 la membrane étant perméable aux gaz de fission et imperméable au liquide ou à la vapeur.