Brevet FR2013563A1 — publié le 19700403

La présente invention concerne les éléments combustibles pour les réacteurs nucléaires, et en particulier les éléments du type ventilé comportant des gaines permettant aux gaz libérés dans le combustible pendant le fonctionnement du réacteur de 'échapper vers le réfrigérant environnant à travers un enduit d'évent. Les déments combustibles ventilés sont avantageux car dans le cas de combustible dégageant des gaz5 par exemple les oxydes fissiles fonctionnant à des températures élevées la limi tationtlavle sous irradiation de l'élément du fait des contraintes de pression établies dans la gaine sont pratiquement éliminées. Différentes solutions approximatives ont été proposées pour ltéchappement des gaz de fission des barreaux ou éléments combustibles vers le réfrigérant, en particulier pour les réacteurs réfrigéés par du sodium. Les brevets des EUA n" 5 557 893 et 3 556 585 sont des exemples de ces recherches Avec ces dispositifs antérieurs, la chambre pour les gaz constitue une région intermédiaire entre le combustible nucléaire et le réfrigérant, et sa capacité est telle que des variations de la pression et de la température n' entratnent jamais une élévation du sodium ou d'un autre réfrigérant jusqu'à la partie supérieure de la chambre et le débordement du réfrigérant sur le combustible. Dans ces dispositifs antérieurs les gaz échappent lentement en bulles pendant le fonctionnement normal à travers l'ouverture d'évent vers le courant de sodium sans établissement d'une pression élevée à 1 intérieur de la gaine de lsélément combustible, le sodium s'élevant sur une hauteur partielle par rapport à la chambre à gaz quand la puissance est réduite sans mouiller le combustible. Les exemples suivants illustrent les problèmes non résolus jusqu'ici. 1- Echappement du gaz vers le réfrigérant à l'extrémité inférieure de la chambre à gaz où la pression ambiante varie considérablement en fonction du débit de sodium, ce qui nécessite une longueur supplémentaire de la chambre pour permettre les variations de la pression. 2- Utilisation d'une pièce intermédiaire de transition avec la complieaticn de soudures d'une importance critiqu 5- Utilisation d'un évent non fermé hermétiquement: pendant la manutention initiale de l'élément combustible ou du faisceau d'éléments combustibles entraînant la possibilité d'une Fuite de plutonium, par exemple, ou bien l'entrée d'air et- d'humidité Les problèmes mentionnés ci-dessus sont résolus par la présente invention suivant laquelle les gaz échappent à la partie supérieure de l'élément combustible. Cette région est å pression plus basse que celle existant près du fond de la chambre à gaz en raison de la chute de pression à travers la région de la chambre de l'élément ou du barreau combustible. Cette chute de pression est de l'ordre d'une atmosphère et même plus, et l'échappement à la partie supérieure supprime la variation du niveau de sodium dans la chambre du fait de cette variation de la pression. De plus, les soudures se trouvent dans une zone non critique et le tube d'évent supérieur remplace l'évent suivant une technique antérieure sur le côté de l'élément combustible, l'extrémité supérieure du tube d'évent étant scellée, par exemple par soudage à froid d'une partie pincée pour empêcher les fuites tiers l'intérieur ou l'extérieur de l'élément ou du barreau combustible pendant la manutention initiale de l'élément ou du barreau. La présente invention a par suite pour objet un barreau ou un élément combustible ventilé pour les réacteurs nucléaires permettant l'échappement vers l'extérieur des produits de fission gazeux et empAechant les fuites vers l'intérieur du sodium liquide. L'invention a aussi pour objet un élément combustible dans lequel l'extrémité supérieure est scellée pendant la manutention initiale pour empêcher les fuites vers l'intérieur ou l'ex- térieur, l'évent pour les gaz-se trouvant à la partie supérieure de l'élément pour supprimer toute variation du niveau du rérrigérant dans la chambre d'accumulation des gaz du fait des variations de la pression dans les différentes conditions de fonctionnement du réacteur. Les caracteristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une coupe verticale d'une partie d'un élément combustible ventilé suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, et - la figure 2 est une coupe verticale d'une partie d'un élément combustible ventilé d'un type antérieur modifié suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente un élément ou un barreau combustible 10 comportant une gaine ou un tube de confinement 11 contenant dans la partie inférieure une pastille de combustible nucléaire 12 et une pastille en matière céramique 13 dont les caractéristiques sont connues et qui ne font pas partie de la présente invention. L'extrémité supérieure de la gaine 11 est fermée par un bouchon 14 soudé ou fixé autrement en 15 de faç on étanche au tube 11 qui constitue la gaine pour définir une chambre à gaz. Entre la pastille en matière céramique 13 et le bouchon 14 est placé un élément 16 en forme de gobelet, constitué par un tube fermé à l'extrémité inférieure d'un diamètre extérieur permettant ltexistance d'un Jeu circulaire 17 pour le passage des gaz entre le tube 16 et la gaine 11 et entre le tube 16 et la pastille 15, ainsi qu'entre le tube 16 et le bouchon 14. Le bouchon d'extrémité 14 comporte une ouverture 18 traversée par un tube d'évent ou d'échappement 19 dont la partie inférieure pérèwre dans le tube 16 fermé à l'extrémité inférieure et jusqu'à une certaine distance du fond de ce tube en gobelet. Le gobelet 16 peut être fixé d'une façon non représentée entre le bouchon 14 et la pastille en matière céramique 13 au moyen d'un croisillon ou d'un dispositif équivalent fixé au tube d'échappement 19, ou de touX autre façon convenable pour maintenir les jeux voulus. L'extrémité supérieure du tube d'échappement 19 est initialement scellée, par exemple en étant pincée et soudée en 21, le soudage pouvant être un soudage à froid. Le tube d'échappement 19 peut Aetre, par exemple, en nickel parce qu'un tube en nickel convient pour le soudage à froid et qu'il est très faible à la température normale de fonctionnement du réacteur (environ 6000C), et qu'à cette température il est facilement brisé sous une pression intérieure relativement basse pour former l'ouverture d'échappement nécessaire. D'autres matières ayant les caractéristiques voulues peuvent être utilisées pour constituer le tube d'échappement 19. Le tube d'échappement 19 en nickel peut aussi être fermé par une soudure tendre dans la partie pincée 21. La soudure peut ainsi fondre quand l'élément ou le barreau combustible 10 se trouve dans le coeur du réacteur pour permettre l'échappement avant une augmentation de la pression des gaz. Les caractéristiques de rappel élastique de la partie pincée du tube permettent l'établissement de l'ouverture d'échappement dès que le point de fusion de la soudure est atteint. La quantité nécessaire de soudure tendre est très faible, et elle a un effet insignifiant sur la pureté du sodium réfrigérant . Le soudage peut être effectué par dépôt de soudure tendre au moins sur les surfaces intérieures de l'extrémité extérieure du tube d'échappement et par établissement du joint étanche soit par soudage à froid, soit par chauffage et refroidissement de la partie pincée en serrant celle-ei au moyen d'un outil. Le tube lui-même peut être formé du même acier inoxydable que le barreau combustible dans le cas d'utilisation de soudure tendre dans la partie pincée. La figure 2 représente une combinaison d'un tube ssongeur pour constituer l'évent avec scellement provisoire selon l'inven tion.L'élément ou barreau combustible 10' de la figure 2 comporte une gaine ou tube de confZnement 11' contenant à la partie supérieure une pastille de combustible 12' et une pastille en matière céramique 13' d'une façon connue. Une pièce intermédiaire 22 relie le tube 11' àune section supplémentaire de gaine tubulaire 25, et les tubes 11' et 25 sont soudés de la façon représentée en 24 ou sont fixés de façon étanche à la pièce 22, un espace ou chambre 25 existant entre la pièce 22 et la pastille 15'. L'extrémité supérieure de la partie de gaine tubulaire 25 est fermée par un bouchon 14' soudé ou fixé autrement de façon étanche en 15' au tube 23. Le bouchon 14' comporte une ouverture 18' traversée par un tube d'échappement 19' dépassant à l'intérieur d'une chambre 26 formée à l'intérieur du tube 25 entre la pièce intermédiaire 22 et le bouchon 14'. Le tube 19' est fixé au bouchon 14' par une soudure 20' ou un autre moyen d'étanchéité, et l'extrémité inférieure du tube 19' arrive à une certaine distance de la pièce 22. L'extrémité supérieure du tube d'échappement 19' est initialement scellée, par exemple par une partie pincée et soudée 21' comme dans le cas de la figure 1. La pièce intermédiaire 22 comporte une ouverture 27 faisant communiquer l'espace 25 avec la chambre 26. Un tube 29 est fixé dans l'ouverture 27, par exemple par une soudure 28 et se termine à une certaine distance du bouchon 14'. Les gaz engendrés dans l'élément ou barreau combustible 10' sont collectés dans l'espace 25 et passent ensuite à travers le tube 29 dans la chambre 6 pour échapper à travers le tube d'échappement 19' comme dans le cas des gaz engendrés dans l'élément combustible 10 de la figure 1 qui passent à travers le passage annulaire 17 dans la pièce en gobelet 16 pour échapper à travers le tube 19. Les dispositifs des figures 1 et 2 peuvént astre modifiés si désiré en supprimant l'extrémité pincée des tubes d'échappement pour former un élément combustible à échappement par ltextré- mité supérieure en supprimant au moins une partie des difficultés antérielres et sans la fermeture étanche avantageuse pour la manutention initiale de l'élément combustible. I1 résulte de ce qui précède que l'invention apporte un perfectionnement important aux éléments ou barreaux combustibles pour les réacteurs nucléaires, avec une construction simple. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 10- Un dispositif d'échappement des gaz pour un élément combustible pour réacteur nucléaire empêchant la contamination par le réfrigérant caractérisé par un tube de confinement constituant la gaine contenant le combustible nucléaire, le tube étant fermé à l'extrémité par un bouchon du côté opposé au combustible pour former une chambre à gaz entre le bouchon et le combustible nucléaire, un dispositif pour diriger les gaz engendrés dans le combustible nucléaire d'une zone de la chambre voisine du combustible nucléaire vers une zone de la chambre voisine du bouchon et un tube d'échappement traversant de façon étanche le bouchon et se terminant dans la chambre à une certaine distance du bouchon, le tube d'échappement étant scellé initialement pour empêcher l'entrée de contaminants dans la chambre à gaz et permettant ensuite l'échappement des gaz de la chambre pendant le fonctionnement normal du combustible nucléaire conteriu dans le tube de gainage. 20 Le dispositif d'échappement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif pour diriger les gaz comprend un élément en gobelet situé dans la chambre à gaz, l'élément en gobelet délimitant un passage annulaire entre la surface extérieure du gobelet et le tube de gainage nt étant espacé du bouchon et du combustible nucléaire conteru dzzletube de gainage. 50- Le dispositif d'échappement selon la renvendication 1caractérisé par une pièce intermédiaire fixée au tube de gainage à une certaine distance du combustible nucléaire contenu dans le tube et par un tube traversant la pièce intermédiaire pour établir une communication entre l'espace existant entre le combustible nucléaire et la pièce intermédiaire et la partie de la chambre à gaz voisine du bouchon. 40 Le dispositif d'échappement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le scellement du tube d'échappement est. forme dans la partie du tube d'échappement située à l'extérieur de la chambre à gaz. 5 - Le dispositif d'échappement selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins une partie du tube d'échappement est en nickel et que le scellement est établi dans cette partie en nickel et est constitué par une partie pincée et soudée 60- Le dispositif d'échappement selon la revendication 1 caractérisé par un revêtement de soudure tendre au moins sur une partie de la surface intérieure du tube d'échappement, le scellement étant formé dans la partie comportant la soudure tendre pincée pour permettre la soudure.