Brevet FR2046726A1 — publié le 19710312

t 2046726 Les éléments combustibles (sous forme de barres ou de blocs) pour les réacteurs nucléaires à haute température consistent tous, en principe, en graphite, en tant que matériau de structure, avec un remplissage de matière combustible, le combustible -5 des. particules enrobées - se trouve de préférence dans un corps-matrice en graphite, lequel est inséré dans le matériau de structure. On a déjà proposé des éléments avec refroidis--, sèment extérieur, ou extérieur et intérieur, dans lesquels les corps-matrices en graphite contenant le combustible sont préparés à l'a-10 vance, sous forme de cylindres creux ou pleins, ou de barres cylindriques» puis sont insérés dans des tubes en graphite, ou dans des"alésages de blocs de graphite, et de géométries diverses, c'est-à-dire tétra-, penta- ou hexagonale# _ .. . Dans \in autre procédé, le remplissage de matière 15 combustible s'effectue dans des récipients à combustible en graphite préparés à l'avance, conjointement avec une matrice de graphite contenant du liant. Par cqkéfaction du liant, la matrice est consolidée, et, de ce fait, se trouve réalisé un assemblage plus ou moins résistant des particules individuelles entre elles et avec le réci-20 pient, le corps d'assemblage lui-même possédant une conductibilité thermique relativement minime# Toutes ces conceptions ont les inconvénients ^fondamentaux suivants : 1 * lie matériau de structure consiste pratique-25 ment toujours en électro-graphite bien graphitisé, tandis que la matrice ên carbone du corps à teneur de combustible contient toujours, par suite du procédé de fabrication, des portions considé- ; râbles de carbone non graphitisé, car le corps à teneur de combustible ne peut pas être amené à la température de graphitisation» 30 car alors les particules de combustible seraient détruites» "Cela conduit à des propriétés physiques — en particulier aussi de physique nucléaire»-» différentes entre le graphite de structure et. le .corps combustible. . 2» On sait que le carbone, avec le "temps de 35 séjour nécessaire de l'élément combustible, subit une variation dimensionrielle, d'abord négative puis positive, laquelle est très différente pour les diverses structures en carbone, en fonction de.la température et de la dose de neutrons rapides. En conséquence, les interstices dûs à la fabrication entre le matériau 40 de structure et le corps combustible peuvent s'accroître pendant 69 29440 2 2046726 le fonctionnements ce qui conduit à une moins bonne transmission thermique et à des températures du combustible élevées de façon indésirable ; mais d'autre part, les interstices peuvent éventuellement diminuer à un point tel qu'il en résulte un éclate-5 ment du matériau de structure. Une adaptation, entre le matériau decstructure et le corps combustible, n'est pas possible, étant donné.qu^il règne à l'intérieur du réacteur des températures et " des conditions de flax très différentes» Ces inconvénients sont éliminés complètement par -10 la présente invention» Dans l'élément selon l'invention^ les va^ -riationa dimensionnelles du graphite de structure et du corps ■ combustible sont possibles et admissiblesp sans que varient alors-les conditions thermiques et sans que les résistances mécaniques soient affectées de quelque manière que ce soit» 15 ..r L'élément combustible de l'invention est carac- - térisé en ce que des corps combustibles,, de préférence cylindriques, consistant en un mélange homogène de matrice de carbone et de vpazr^ e tieules de combustible enrobées, ainsi qu'en une enveloppe exeafpte de particules, laquelle forme de tous côtés un entourage sans trait-20 sitions ou jonctions et est constituée de la môme matrice de carbone,, sont insérés dans un tube de graphite ou dans des alésages d'un bloc de graphite, avec utilisation de pièces d'écartement appropriées. : • De ce fait, les variations dimensionnelles dés - composants, thermiques ou induites par des radiations, sont résor-25 Jbéesp sang qu'il se produise des augmentations de température «Lu ■ ;:c.QEttastible» ni des tensions mécaniques dans l'élément combuati- ' ibl®» ; » ? " La fabrication des éléments combustibles peut se faire ©n pressant de façon isoetatique ou quasi^iscstatiqtie . • -50 des.corps combustibles isotropes consistant en un mélange de ; graphite naturel et/ou d'électro-graphite et de liant, ainsi qu'en* particules de combustible enrobées, conjointement avec une enveloppe exempte de combustible et ayant la même composition que la ma -"triee* 35 : Les corps combustibles peuvent être pourvus d'un trou central, tout en conservant l'enveloppe exempte de combustible etrforaaant entourage de. tous-côtés.-Ici un refroidissement intérieur supplémentaire direct du corps combustible est possible-. „c v -■ ï© s corps ©estes t ifel© s- pewent être fixés dans 40 lêélément cGabustibls par des pièces d'écartement qui sont réa= 69 29440 3 2046726 lisées sous la forme de côtes ou nervures sur le corps combustible lui-même dès l'opération de pressage,* ou bien sur le tube de graphite ou l'alésage du matériau de structure,,ou encore constituent des pièces de construction séparées, en prévoyant entre la côte et 5 la pièce opposée autant de jeu qu'il faut pour que soient résorbée s -le s variations dimensionnelles possibles. Il est rationnel que les corps combustibles, ou;le tube de graphite, ou l'alésage du graphite de structure présentent au moins trois côtés, dont une s'engage dans une rainure 10 correspondante de la pièce opposée, pour empêcher une rotation dti . corps combustible. les pièces d'écartement peuvent aussi, entant que-pièces de construction séparées, attaquer sur des extensions cylindriques des corps combustibles ou sur leurs s.ur-15 faces d'enveloppe, et prendre appui sur la paroi intérieure du tube de graphite, ou de l'alésage du graphite de structure, avec le jeu convenable. : - .Dans le cas de corps combustibles à alésage -central, le corps combustible peut être fixé par un mandrin en 20 graphite, avec des pièces d'écartement en étoile intercalées. la description ci-après se rapporte à des' exemples de réalisation, d'éléments combustibles selon l'invention représentés aux dessins joints. . . Dans la réalisation selon les figures 1a et 1b, 25 les.pièces d'écartement 1 et 2 se trouvent, sous forme de côtés, sur l'insertion de combustible 3, ou sur la face interne du tube ou de" l'alésage, en prévoyant autant de jeu qu'il faut pour que soient résorbées les variations dimensionnelles les plus grandes possible. Avec cette réalisation, une rotation des insertions de 30 combustible est possible. Suivant la réalisation des figures 2a et 2b, la rotation est empêchée par une côte 4 ou 5. Suivant les figures 3a et 3b, grâce à trois côtes 6 où.7, qui s'engagent dans des rainures plus profondes de 35 la~ pièce opposées» le combustible peut être maintenu exactement ' dans' sa position, des variations -dimensionnelles étant sans influence. l'avantagé de la; présente invention d'un .élément combustible avec refroidissement direct du corps combus-40 tible se manifeste pleinement aussi lorsque les; pièces d'écarté- 29440 4 2046726 ment sont réalisées comme pièces de construction séparées 8„ comme cela est représenté aux figures4a et 4b. En cas d'emploi de corps combustibles avec trou centralp celui-ci peut aussi servir à la fixation de la colonne 5 constituée par les corps combustibles individuels5 au moyen d'un mandrin central 9P en combinaison avec des pièces d'écartement en étoile (figure 5)» ; les corps combustibles sont» de préférence, de -, géométrie cylindrique, mais l'avantage apporté par l'invention 10 subsiste également lorsqu'on emploie d'autres sections transversales, par exemple carrées ou hexagonales5 à arêtes vives ou arrondies. . t. . Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés. On pourra, au besoin;, recourir à d'autres modes et à d'autres formes de réa-15 lisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. . 69 29440 5 2046726 R E V E OI C.AI. I O N- S 10 ) Elément combustible pour réacteurs- nucléaires à haute température avec refroidissement direct du corps combustible, élément caractérisé en ce que des corps combustibles, de préfé-5 rence cylindriques, consistant en un mélange homogène de matrice de carbone et de particules de combustible enrobées, ainsi qu'en une enveloppe exempte de particules, laquelle forme de tous côtés ûn entourage sans transitions ou jonctions et est constituée de la5 .n même matrice de carbone, sont insérés dans un tube de graphite ou ; 10 dans des alésages d'un bloc de graphite, avec utilisation de pièces d'Jécartement appropriées. m:* 2°) Elément combustible, selon la revendication t-, caractérisé en ce que des corps combustibles isotropes, constitués d'un mélange de graphite naturel et/ou d'électro-graphite et de liant, 15 ainsi-que de .particules de combustible enrobées, conjointement avec une-enveloppe exempte de combustible et ayant la même composition ' que la matrice, sont pressés de façon isostàtique ou quasi-isosta-tique. ... - - 3°) Elément combustible selon les revendications 20 l"*fit 2, caractérisé en ce que le corps combustible est pourvu d'un: trouveentrai,- tout en conservant l'enveloppe exempte de combustible et formant entourage de tous côtés. . u 4°) Elément combustible selon les revendications- 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les corps combustibles sont fixés 25 par; des .pièces d'écartement, qui sont réalisées sous forme de côtés oo.jiervures sur le corps combustible lui-même dès l'opération de pressage, ou bien sur le tube de graphite ou l'alésage du matériau de structure, ou encore sont prévues en tant que pièces de construction sépairées, en prévoyant entre côte et pièce opposée autant de ; 30 jeu qu'il faut pour que soient résorbées des variations dimension-belles possibles. -,5°) Elément combustible selon l'une quelconque des revendications de t à 4, caractérisé en ce que les corps combustibles, ou le tube de graphite, ou l'alésage du graphite de structure 35 présentent au moins trois côtés, dont une s'engage dans une rainure .correspondante de la pièce opposée, pour empêcher une rotation du corps combustible. 6°) Elément combustible selon l'une quelconque des revendications de 1 à 5, caractérisé en ce que les trois côtés 40 ou : rainures du corps combustible s'engagent avec trois rainures ou-côtes du tube de graphite, oû de l'alésage du graphite de struc- 69 29440 6 2046726 ture. 7°) Elément combustible selon l'une quelconque des revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que des pièces d'écartement attaquent s en tant que pièces de construction séparées5 5 sur des extensions cylindriquesp des corps combustibles ou sur les surfaces d'enveloppe de ceux-cis et prennent appui sur la paroi intérieure du tube de graphites ou de l'alésage du graphite de structure» avec un jeu approprié. r. . 8®) Elément combustible selon l'une quelconque^..-; 10 des revendications de 1 à 7s caractérisé en ce que des corps combustibles ayant un alésage central sont fixés par un mandrin en gnrapihite, àve© des pièces d'écartement en étoile intercalées. = 9°) Elément combustible selon l'une quelconque des revendications de 1 à 8f caractérisé en ce que des corps combustibles 15 à-strou central peuvent être supplémentairement refroidis intérieures ment s, directement par le courant de gaz. 10°) Elément combustible selon l'une quelconque des revendications de 1 à 9S caractérisé en ce que les corps combustibles individuels sont empilés les uns sur les autres en une colon-20 ne» dans, un tube de graphite, ou dans l'alésage du matériau "de.structure.. 25-