Brevet FR2014010A1 — publié le 19700410

L'invention concerne un élément combustible en forme de berreau destiné à des réacteurs nucléaires et renfermant a l'intérieur d?une gaine métallique le combustible nucléaire et le modérateur. C'est umn pratique connue que de mélanger de maniere homogène dans de tels éléments le modérateur et le combustible, ee qui vaut au réacteur nucléaire un bilan neutronique plus favorable, car on a ain ai dans le combustible la même densité de neutrons que dans êe mo- dérateur. La température relativement élevée du modérateur de ce type d'élément combustible en cas de forte densité de puissance est en revanche tres désavantageuse, la chaleur ne pouvait parvenir dos zones centrales dudit élément à / surface réfrigérée que par condue tion sur un trajet de forte résistance thertuique.Si l'élément on ferme un modérateur à base d'hydrure métallique, on est obligé de limiter la densité de puissance autorisée à de relativement faible valeurs par suite du fort accroissement de la pression partielle de l'hydrogène avec la température. Les nécessités de compatibilité entre le combustible et le modérateur sont également désavantageuses. C'est ainsi que l'on ne peut pas utiliser de combinaisons de combustible et de modérateur telles que UO2-ZrH1,7 ou UO2 -YH1,85 sans munir les particules de combustible d'un revêtement protecteur au prix d'une réalisation beaucoup plus difficile. En l'absence de revêtement protecteur les produits de fission pénétrant dans le mod4rateur peuvent en outre provoquer le gonflement de ce dernier. L'invention a pour objet un élément combustible comparable au précédent quant à son action physique neutronique, mais exempt des inconvénients précites. Cet élément combustible est caractérisé par le fait que le combustible nucléaire et le modérateur, sans être mélangés, sont disposés en sorte que le premier constitue un tement intérieur de la gaine. Ledit revêtement comporte en face du modérateur inséré à l'intérieur un doublage métallique ainsi qu'une couche de barrage contre la diffusion de l'hydrogène. La chaleur étant exclusivement émise dans la couche de combustible nucléaire, il nty a pas à redouter de fort gradient de température.Cette chaleur est évacuée, sans avoir à franchir le modérateur, l'intervalle ni le barrage anti-diffusion, directement à travers la paroi vers le réfrigérant tel par exemple que du sodium/, si bien que les températures du modérateur et du combustible nucléaire sont beaucoup plus basses que dans l'élément combustible précédent. La pression des particules d1hydrogène, en cas de modérateur à base d'hydrure, métallique, est en conséquence beaucoup plus faible elle aussi. On peut en outre utiliser comme combustible le bioxyde d'uranium, qui possède au-dessous de 1200 C un fort pouvoir de rétention des gaz de fission : cela permet de réaliser des combustions poussées accompagnées seulement d'un faible gonflement.Pour éviter entre le combustible et le modérateur un contact direct susceptible de pro roquer des réactions chimiques, on applique aussi sur la couche de combustible un revêtement métallique intérieur pouvant être constitué comme la gaine extérieure par de l'acier inoxydable. On a également soin de prétenir des pertes d'hydrogène du modérateur, en reconvrant intéricuromont ce revêtement en acier d'une couche formant barrage vis-à-vis de la diffusion d'hydrogène et constituée, par exemple, par un émail présentant un coefficient de dilatation et une températeure de ramollissement adaptés à ceux dudit revêtement et ne renfermant pas de substances à forte absorption de neutrons.Une telle couche d'émail offre l'avantage de pouvoir facilement s'assembler par fusion, dans l'élément combustible fermé, avec une couche de même matière appliquée intérieurement sur les couvercles d'extrémité de ce dernier en serte que l'on réalise a insi un revêtement interne contimu s'opposant à la diffusion de l'hydrogène. On peut utiliser par exemple comme combustible l'UO2, déjà mentionné, ou une céramique métallique en UO2 et acier. Les autres combustibles de réacteur comnus, les quels renferment de l'uranium, du plutpriumcu du thordum, conviennent également. Le combustible peut copondant aussi fadre partie du barrage contre la diffusion et y être par exemple noyé sous la forme de particules enrobées. Le combustible Conomev dams fous les cas une couche relativement mince. Dans l'exemple, qui va suivre, d'un barreau combustible avec modérateur en hydrure de zirconium, la couche a une épaisseur de 0,5 mm pour un enrichissement maximum du combustible, une céramique métallique à 50 % en volume d'UO2 et un diamètre du barreau de 1,4 cm. Dans un coeur de réacteur formé de tels éléments combustibles, il ne se preduit donc qu'une très faible dépression de flux en ces emplacements, La structure en question permet, comme dans le cas d'éléments combustibles à mélange homogène de modérateur et de combustible, une réduction des pertes de fuite du coeur du réacteur par rapport à celles d'un réacteur hétérogène normal avec barreaux de combustible massifs.De tels eléments combustibles sont particulièrement utilisables dans des réacteurs de puissance de faibles dimensions, notamment des réacteurs nucléaires d'alimen- tation en énergie d'astronef dans lesquels une partie des éLéments combustibles, étant du type dit thermionique, permettent de transformer directement en énergie électrique la chaleur produite dans le combustible nucléaire. Les éléments combustibles conformes à l'invention forment dans un tel réacteur nucléaire ce que l9on appelle les éléments excitateurs. Ils complètent les éléments combustibles thermioniques nécessaires à la production de énergie lorsque ceux-ci ne suffisent pas à faire diverger le réacteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure 1 représente, en coupe fragmentaire, la sucession des couches dans un élément combustible conforme à ladite invention; la figure 2 est une coupe longitudinale de 1ensemble du mNme élément combustible Les références 1, 2 et 3 désignent la couche de matière fis- silo, la gaine extérieure de llélément combustible et le revêtement intérieur en acier.La couche de barrage anti-diffusion 4 est appliquée sur le revêtement 3, et le modérateur solide 6, par exemple en hydrure d'yttrium YH1 852 est placé, avec un certain intervalle 5, à lsintérieur de cet ensemble constituant une sorte de tube composite. Comme on le voit sur la figure 2, lYlément combustible en forme de barreau est fermé par deux couvercles d'extrémité 8 rev8- tus eux aussi dtune couche de barrage anti-diffusion assemblée par fusion avec celle de la partie cylindrique. Le modérateur 6 de lXélé- ment combustible se rattache de part et d'autre à un réflecteur 7 constitué par exemple par du bérylliums Un ressort à disques 9, ou un ressort de quelque autre type, empêche les réflecteurs et le modérateur, c'est-à-dire le coeur de l'élément combustible, de se déplacer en cas de secousses éventuelles et évite ainsi des dégâts audit élément. De la structure géométrique exposée ci-dessus il résulte une réalisation relativement simple de l'élément combustible, le tube composite pouvant par exemple être obtenu suivant un procédé dtéti- rage connu. On applique la couche de barrage anti-diffusion sur la partie cylindrique de l'élément combustible conformément aux techni- ques normales d'émaillage. On procede ensuite facilement à ltinser~ tion du modérateur solide et des réflecteurs grâce au jeu 5. Ce m8- ne jeu permet aussi un faible gonflement ultérieur du modérateur sans que l'on ait à craindre de déformation de 11 ensemble de l'élément combustible. REVEICAflORS 1- Elément combustible en forme de barreau destiné à des réac- teurs nucléaires et renfermant à l'intérieur d'une gaine métallique le combustible nucléaire et le modérateur, élément caractérisé par le fait que le combustible nucléaire et le modérateur, sans être mélan- géis, sont disposées en sorte que le premier forme -un revêtement inté- rieur de la gaine. 2- Elément combustible selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la couche de combustible nucléaire comporte en face du modérateur un doublage métallique ainsi qu'une couche de barrage contre la diffusion de l'hydrogène. 3. Elément combustible selon les revendications 1 et 2 caracté- risé par le fait que la gaine et la couche de doublage sont consti- tuées par de l'acier inoxydable, la couche de combustible nucléaire par une céramique métallique en U02et acier et la couche de barrage contre la diffusion par un émail. 4- Elément combustible selon les revendications 1 à 3 caracté- risé par le fait que le modérateur est constitué par de l'hydrure d'yttrium ou de zirconiua. 5-Elément combustible selon la revendication 4 caractérisé par le fait que le modérateur est placé, sous forme de corps solides de moulage, dans l'élément combustible, où il est maintenu enfoncé par des ressorts afin d'éviter des destructions en cas de secousses éven- tuelles. 6- Mode d'utilisation des éléments combustibles selon les revem dications 1 à 5 caractérisé par le fait qu'ils servent d'éléments excitateurs dans des réacteurs d1alimentation en énergie d'astronef, ainsi que des réacteurs de puissance de faibles dimensions, équipésd en partie d'éléments combustibles thermioniques.