Brevet FR2032419A1 — publié le 19701127

i 2032419 La présente invention a trait à un élément combustible pour réacteur nucléaire, et plus précisément à un élément combustible préssurisé sous gaine métallique et renfermant un combustible nucléaire qui en cours de combustion dégage des gaz de fission. 5 Un grand nombre de réacteurs nucléaires industriels actuel lement construits sont de types tels que leur charge combustible en matière fissile est contenue dans une pluralité d'éléments combustibles à gaine métallique individuelle. Le combustible est généralement constitué par des pastilles céramiques par exemple 10 de bioxyde d'uranium, empilées dans la gaine métallique. La gaine elle-même est plongée dans un environnement à haute température et à haute pression. C'est ainsi que dans un réacteur à eau préssurisée chaque élément combustible est exposé à une pression dépassant 14-0 Kgp/cm et à une température supérieure à 260°C. 15 Pour pouvoir réduire l'épaisseur du gainage et maintenir son intégrité à la pression élevée régnant dans la cuve de réacteur, on a récemment trouvé intéressant de pressuriser"intérieurement les barreaux combustibles avant leur mise en place dans le coeur du réacteur. En cours de combustion des pastilles de combus-20 tible fissile, on sait que les gaz dégagés par la fission font varier la pression régnant à l'intérieur du gainage de chaque élément combustible. Bien que cette pressurisation interne réduise fortement la pression différentielle s'exerçant sur 1£ gainage et accroisse en conséquence.la fiabilité d'un tel barreau combusti-25 ble, des difficultés se présentent après combustion notable, en raison de la quantité de gaz de fission qui c'est accumulée dans un tel barreau. Donc pour pouvoir produire des éléments combustibles fiables, et en particulier des éléments combustibles qui sont à préssuriser lors de la fabrication, il faut les doter de moyens 30 permettant de s'accommoder des gaz de fission dégagés en cours de combustion. On peut trouver un exemple d'un tel élément combustible préssurisé doté de moyens d'accommodement des gaz de fission dans la demande de brevet en France PV 69/20.370 déposéele 18 juin 1969 au nom de la demanderesse. . 35 Une autre solution au problème exposé ci-dessus, créé par l'accumulation des gaz de fission, peut être trouvée dans la demande de brevet E.U.A. 752.299 du 13 août 1968 au nom de la 70 06799 2 2032419 présente demanderesse. D'après cette autre demande de brevet, à 1'intérieur de chaque élément combustible sont disposés un ou plusieurs soufflets dans chacun desquels est montée une aiguille. Au fur et à mesure que les gaz de fission se dégagent les diffé-5 rents soufflets sont perforés, et procurent ainsi un supplément d'espace vide aux gaz de fission accumulés. Mais à 1'encontre des deux demandes de brevet citées, le relevé de la pression interne en fonction du temps donne une courbe en zigzags à tronçons descendants de pente abrupte aux points prédéterminés de perforation 10 des - soufflets. Il en résulte que le gainage est exposé à des cycles de pression différentielle et il est possible que l'accroissement brutal de pression différentielle au moment où chaque soufflet est perforé ait pour effet de réduire la fiabilité de l'élément combustible, en particulier quand le matériau de gaine 15 utilisé a un module d'élasticité relativement faible. MalheurëAsen%it comme le les matériaux/zircaloy qui sont utilisé pour constituer le gainage des éléments combustibles, en raison de leur section efficace relativement faible de capture des neutrons thermiques, ont généralement un faible module d'élasticité. 20. Une autre solution de l'art antérieur peut être trouvée dans le brevet E.U.A.. 3.291.698 du 13 décembre 1966. Ce. brevet propose qu'une partie du gainagè de l'élément combustible soit constituée par des lobes expansibles. Ces.lobes ont pour rôle de se comporter comme .des soufflets pour maintenir durant la combustion l'équili-25 bre entre les pressions interne et externe. Mais il convient d'observer que l'élément combustible proposé-convient à 1ènvironnement à pression relativement faible d'un réacteur à réfrigérant gazeux et que cette•destination permet, au gainage d'être relativement mince pour pouvoir se comporter comme un soufflet. Si l'on utili-30 sait dans la région des lobes expansibles un matériau à faible section efficace de capture dés neutrons et à module d'élasticité relativement faible il serait déformé plastiquement et ne pourrait supporter qu'un petit nombre de cycles dans un environnement à haute pression» D'un autre côté il serait difficile d'appuyer 35 latéralement un tel élément combustible dans une grille du type maintenant utilisé pour les environnements â haute pression des réacteurs réfrigérés à l'eau. 70 06799 3 2032419 Or on peut suivant l'invention disposer d'un élément combustible plus fiable qui ne soit soumis ni à une pression différentielle couramment notable d'une face à l'autre de son gainage, ni à une pression différentielle variable, du fait de 5 l'accumulation des gaz de fission, sous la forme d'un élément combustible intérieurement préssurisé et doté d'un soufflet intérieurement supporté par l'élément, et qui communique librement avec l'espace environnant l'élément combustible. L'élément combustible est de forme extérieure pratiquement 10 identique à celle actuellement utilisée et peut en conséquence s'appuyer dans une structure de type grille à ressorts., dont un exemple est donné par le brevet E.U.A. 3.379.617 au nom de la présente demanderesse. Un soufflet est intérieurement supporté par l'élément combustible, ce soufflet étant par exemple soudé ou 15 - brasë ou fixé de toute autre manière convenable à un tampon obturateur terminal. L'intérieur du soufflet communique librement avec l'espace environnant l'élément combustible au moyen d'un trou pratiqué dans le tampon auquel il est fixé. Dans ces conditions la pression régnant à l'intérieur du soufflet est en tout temps la 20 même que celle de l'espace environnant, donc que celle s'exerçant sur la face extérieure du gainage. Au fur et à mesure que les gaz de fission s'accumulent, le soufflet se contracte de façon à maintenir la pression interne égale à la pression externe. Pour de qu'en début de vie/l'élément sa pression interne soit suffisamment 25 élevée pour contrebalancer la pression de l'environnement agissant dans le soufflet, l'élément peut-être préssurisé par exemple en le scellant dans un conteneur où règne une pression gazeuse élevée ou en le dotant drune substance qui opère un dégagement notable de gaz quand elle est portée à température suffisamment élevée. 30 Le soufflet peut être en un matériau tel que nickel, acier inoxydable ou alliage à base de nickel, ayant un module d'élasticité. élevé. Des matériaux tels1 que ceux que l'an vient d ' énumérer ne conviendraient pas à la constitution du gainage, car ils ont d'une façon générale une section efficace de capture des neutrons 35 relativement élevée dans la gamme thermique intéressée et abaisseraient fortement le rendement du réacteur et l'efficacité d'utilisation de sa charge en combustible fissile. Les études de fatigue 70 06799 2032419 par contraintes s'exerçant suivant deux axes, comparant le comportement de matériaux à fort module d'élasticité utilisables à la construction de soufflets, et celui de matériaux a faible section efficace de capture des neutrons, utilisables à la" fabrication de 5 gainages, montrent que le soufflet peut supporter des cycles d'amplitude relativement élevée et peut donc être utilisé pour encaisser les contraintes qui autrement devraient être supportées par le gainage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 10 description qui suit et à l'examen du dessin annexé dont la figure unique est une vue en coupe longitudinale d'un élément combustible,suivant l'invention, à soufflet, intérieurement supporté par lui. Tel qu'il est représenté à la figure un élément combusti-15 ble 10 suivant l'invention renferme des pastilles 12 d'un combustible nucléaire convenable, par exemple de bioxyde d'uranium, gainées dans une enveloppe métallique 14 avantageusement en zircaloy. Les extrémités de la gaine 14- sont hermétiquement fermées par exemple au moyen de tampons obturateurs 16, 18 soudés. 20 L'élément combustible 10 comporte un soufflet 20 intérieu rement supporté par l'élément et pour bien faire en nickel, acier inoxydable ou alliage à base de nickel, ce soufflet étant soudé ^ v. un ou fixe de toute autre manière convenable à/des tampons, par exemple 16 terminant la gaine. Le soufflet a de préférence tin 25 certain nombre de plis 21 perpendiculairement à son axe de façon â lui laisser une grande latitude de déplacement en direction axiale dans l'élément combustible 10. L'espace intérieur au soufflet 20 communique librement avec celui environnant l'élément combustible, du fait qu'un trou 22 a été pratiqué dans le tampon 30 16. Le trou 22 est de dimensions suffisantes pour que les dépôts n'interdisent pas l'accès du réfrigérant, par exemple d'eau préssurisée, à l'intérieur du soufflet 20. Le volume intérieur de l'élément combustible 10 peut comporter un espace entourant le soufflet 20 et désigné par le 35 repère 24-. Cet espace peut au choix être préssurisé au moyen d'un gaz tel qu'hélium ou bien être bourré d'une substance qui dégage un gaz au fur et à mesure que l'élément combustible est porté: à sa température de fonctionnement. Ce dernier point assure un 70 06799 5 2032419 meilleur équilibre entre la pression interne dans la gaine 14 de la cartouche de combustible et la pression externe du réfrigérant, 2 laquelle dans, un réacteur à eau préssurisée dépasse 140 Kgp/cm et garantit également que le soufflet 20 ne sera pas arraché du 5 tampon 16, quand il subit pour la première fois la pression de 1'environnement. On peut, si on 1e: veut faire supporter un ressort 25 de faible raideur par l'autre tampon 18, opposé à celui 16, sur lequel est fixé le soufflet 20. Le ressort 25 a pour rôle" 10 d'empêcher les pastilles 12 de se déplacer, en cours de transport et lors de la mise en place de l'élément. En cours de fonctionnement, le soufflet 20 se contracte en offrant un supplément d'espace vide permettant 1'accumulation des gaz de fission. La pression interne doit être portée aussi 15 . vite que possible au.niveau de la pression externe de façon que le soufflet 20 prenne: sa position initiale d'équilibre tout aussi rapidement. Ceci peut être réalisé si dans l'espace 24- avant soudage du tampon 18 on dispose d'une pression gazeuse suffisante ou d'une substance dégageant les gaz. De tels moyens de préssurisa-20 tion sont décrits: avec plus de détails dans la demande de brevet E.U.A. 706.291 du 19 février 1968 -au nom de la présente demanderesse. Il importe d'observer qu'au cours des variations périodiques de température -dans l'environnement intérieur au réacteu^ à la suite d'enfournements et d'arrêts d'urgence, le soufflet/agit, en 25 s'étendant et en se contractant, pour maintenir une pression différentielle pratiquement nulle entre lui et la gaine 14. Le soufflet assure ainsi sa fonction qui est de soulager la gaine des charges qu'autrement celle-ci aurait à supporter. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de 30 réalisation représenté, et décrit qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. 70 06799 6 2032419 REVENDICATIONS 1. Elément combustible pour réacteur nucléaire dont le matériau combustible est logé dans une gaine hermétiquement fermée, caractérisé par le fait qu'un dispositif du type soufflet est positionné dans ladite gaine et a son espace intérieur en 5 communication avec le milieu environnant l'élément combustible. 2. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif du type soufflet est en un matériau à fort module d'élasticité. 3. Elément combustible selon la revendication 1 dans 10 lequel la gaine est de forme tubulaire et pourvue de tampons d'extrémité qui la ferment, caractérisé par le fait qu'un dispositif du type soufflet est fixé à l'un au moins desdits tampons terminaux, lequel est alors percé d'un trou pour mettre l'espace intérieur du soufflet en communication avec le milieu environnant 15 l'élément combustible.