Brevet FR2021201A1 — publié le 19700717

Le développement rapide dans le domaine de la production d'énergie nucléaire a eu pour résultat l'utilisa- tion fréquente de réacteurs à eau pour l'exploitation commerciale de lwénergie nucléaire. Dans ce type de réacteurs, l'énergie est obtenue par la fission de noyaux qui ont le plus sauvent lieu dans des barreaux combustibles à U02 lesquels sont entourés d'en- veloppes tubulaires en aNiages de zirconium. Le rôle principal de l'enveloppe de com- bustible consiste à maintenir la forme géométrique du barreau coz- bustible, la séparation physique du combustible et de l'eau- de - refroidissement et la collecte ou conservation des produits radioactifs de la fission qui sé sont produits par l'irradiation. Il en résulte que la stabilité de l'enveloppe utilisée présent une grande importance. Outre les contraintes mécaniques de 1' enveloppe tubulaire, dues aux rapports des conditions thermiques dans le combustible et dans l'enveloppe, ainsi qu'à la production des produits fissibles, le fonctionnement dans l'eau ou la vapeur d'eau est accompagné de phénomènes de corrosion. Les deux alliages du zirconium les plus utilisés, le Zircaloy-a et le Zircaloy-4 tiennent particulièrement compte de ces faits. Les expériences d'irradiation ont montré que les enveloppes tubulaires utilisées peuvent être détruites à certains endroits par l'intérieur, et ceci sous certaines conditions, après un temps d'irradiation relativement yaourt. Bien qu'il ne soit pas encore possible aujourdthui de décrire complètement les mécanismes qui conduisent à cette destruction partielle, on sait que lthydrogène emprisonné à l'intérieur du barreau combustible joue un rible décisifs Il se rassemble à certains endroits de 1' enveloppe tubulaire sous forme dthydrure de zirconium à concentration élevée, et les propriétés mécaniques et physiques différentés de celles de la matière première provoquent finalement une destruction de l'enveloppe tubulaire. Il est donc particulièrement important de veiller lors de la fabrication des barreaux de combustible, à l'élimination d'éventuelles sources d'hydrogène. Pratiquement, cela signifie qu'il faut maintenir les quantités de vapeur d'eau et de gaz absorbés lors de la préparation du combustible à un ni veau aussi bas que possible, Cette exigence ne peut être réalisée de façon relativement aisée que par l'emploi de U02 sous forme frittée et de densité élevée, Par contre, on rencontre des difficultés considérables lorsque le combustible se présente par exemple sous forme de mélanges de particule s9 comme ctest le cas pour les éléments combustibles compactés par vibrations0 Le tableau suivant donne un résumé des rapports des deux variantes de combustibles pour des barreaux type :: Combustibles Forme frittée Mélanges de particules teneur en gaz résiduels Ncm3/g oU0 (t) 0301 0,11 Teneur en eau poids ppm inférieur à 10 supérieur à 30 (1) dont environ 50 % d'hydrogène0 Des teneurs en vapeur d'eau de l'ordre de 20 - 30 ppm ne peuvent dtre atteintes dans les mélanges de particules qu2à l'aide de grands efforts techniques. -Une solution de ces problèmes a donc une très grande importance notamment à cause des frais de fabrication relativement faibles des éléments combus- tibles compactés par vibration et des combustibles contenant du plutonium, Le barreau de l'invention, évite les inconvénients décrits et est caractérisé en ce qu'il comprend,à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire au-dessus de la colonne de combustible, une substance piège capable dVabsorber de l'hydrogè- ne. Cette substance est capable de lier lu hydrogène contenu dans le barreau de combustible avant qu'il ne puisse pénétrer dans ltenveloppe du combustible. La. vapeur d'eau et les gaz résiduels peuvent être éliminés par chauffage des barreaux de combustibles pendant ou avant l'irradiation, de fa çon à ce que les différences de concentration dues à l'absorption près du piège amènent un mouvement de l'hydrogène vers le piège. Il est utile que le matériau piège, sous forme d'une matrice présente dans le barreau, dans is conditions de fonctionnement, des gradients de température dans le sens de l'axe pour garantir qutune partie du matériau piège se trouve dans la zone optimale de température0 Ce gradient de température dans l'axe du barreau peut entre réalisé par contact de la matrice piège avec la colonne de combustible et le bouchon. L'action favorable de l'invention a été démontrée par des essais à l'extérieur du réacteur, Après avoir chauffé un barreau échantillon, formé d'un mélange de particules de U02 et d'une enveloppe en zircaloyp pendant 4 heures à 4500cl le matériau piège avait absorbé plus de 83 % de la quantité de vapeur d'eau contenue dans le combustible0 Un dispositif utilisé est représenté par la figure lu Un cylindre creux 1 perforé à paroi mince en zircaloy (b) est relié d'un côté à un disque de même alliage 20 Le diamètre de ce disque est un peu plus petit que le diamètre intérieur du cylindre creux pour que le gaz ou la vapeur puissent pénétrer de la colonne de combustible dans l'espace qui reçoit le cylindre creux0 Le cylindre creux 1 est rempli avec le matériau piège utilisé 3, par exemple un alliage de zirconium spongieux. Après le remplissage le cylindre creux 1 est fermé par le bouchon tcO Le contact intime avec la colonne de combustible 5 est réalisé par le ressort à spirale 6 qui entoure le cylindre creux 1 pour stappuyerçd'une part, sur le disque 2 et, d'autre part, sur le bouchon 7o La dilatation relative qui peut se produire pendant l'irradiation de la colonne de combustible peut être absorbée par le trou prévu dans le bouchon 7. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et repré sentes, On pourra, au besoin, recourir à d'autres modes et à d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir-du cadre de l'invention0 REVENDICATIONS 10) Barreau de combustible nucléaire muni dsune enveloppe tubulaire barreau caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire, au-dessus de la colonne de combustible, une substance piège capable d'absorber de l'hydrogène. 20) Barreau de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau piège est le même que le matériau de ltenveloppe. 30) Barre de combustible conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau piège est un alliage de zirconium. 40) Barreau de combustible nucléaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matrice piège présente, dans les conditions opératoires, un gradient de température dans le sens de l'axe. 50) Barreau suivant la revendication 4 caractérisé en ce que le gradient de température dans le sens de l'axe est obtenu par le contact de la matrice piège avec la colonne combustible et le bouchon terminal.