Brevet FR2096796A1 — publié le 19720225

i 2096796 Dans le cas des barreaux combustibles pour réacteurs refroidis au sodium, il est connu de remplir l'intérieur du barreau avec du sodium (liaison par sodium), afin d'accroître le transfert thermique entre le combustible et la gaine. Une liaison par sodium entre le combustible et la gaine présente un intérêt particulier, notamment dans le cas des réacteurs avancés refroidis au sodium, c'est-à-dire des régénérateurs au sodium rapides avec carbure combustible, afin de résoudre d'une part le problème de gonflement du combustible dans ces réacteurs, et d'obtenir d'autre part des puissances de barreau suffisamment élevées. De tels barreaux combustibles à liaison par sodium posent un problème important, du fait que la liaison par sodium est partiellement ou totalement perdue quand : 1. des bulles de gaz se forment dans l'interstice entre la gaine et le combustible; 2. la température superficielle du combustible, dépasse le point d'ébullition du sodium, par suite de bulles de gaz ou de perturbations du refroidissement, de sorte que les vapeurs de sodium chassent le sodium liquide de l'interstice; 3. une surpression interne dans le barreau refoule le sodium de remplissage par de petites fuites. Les conséquences de la perte de liaison dépendent naturellement de son importance. Dans le cas de petites bulles dans l'interstice, la chaleur peut contourner le défaut par conduction radiale et axiale, avec une élévation de température admissible; des bulles plus grandes entraînent nécessairement une surchauffe du combustible qui, après fusion, produit une destruction massive de la gaine. Des conséquences néfastes sur les barreaux voisins ne sont pas exclues, notamment quand de vives interactions combustibles-sodium se produisent dans le canal de refroidissement. Indépendamment du problème des bulles, il faut tenir compte du fait gênant suivant : des perturbations locales du refroidissement entraînent toujours une ébullition de la liaison par "sodium avant celle du réfrigérant extérieur, sauf si le barreau se trouve sous une surpression interne suffisamment élevée. Par suite de son isolation, le combustible fond sans que le réfrigérant puisse indiquer simultanément le danger par ébullition ou élévation de température. L'instrumentation du coeur évite par suite rarement une détérioration du combustible en cas de perturbations locales, et peut tout au plus interdire sa propagation. Les 71 23648 2 2096796 thermocouples, d'un emploi courant, ne sont en outre pas des générateurs de signaux parfaitement univoques, car une ébullition soudaine de la liaison peut même entraîner un abaissement de la température du réfrigérant, le flux calorifique étant passagèrement interrompu par la perte 5 de liaison. Des détecteurs d'ébullition, qui pourraient être constitués par des débitmètres, ne sont naturellement pas indiqués, car il n'y a pas ébullition du réfrigérant avant une détérioration du combustible. On arrive ainsi à la conclusion paradoxale suivante : en dépit de la température plus faible du combustible (1000°C au-dessous du point de 10 fusion), des éléments comportant par exemple un carbure combustible et une liaison par sodium risquent beaucoup plus en fonctionnement normal de subir des détériorations par fusion du combustible que les barreaux d'oxyde combustible à liaison gazeuse, bien que la température de fusion soit pratiquement atteinte dans ce cas en fonctionnement normal. 15 Le respect des critères suivants lors de la conception du barreau combustible permet d'éviter les conséquences précitées de la liaison par sodium. 1. Critère I : "bulles" Des bulles de gaz, susceptibles de produire 1'ébullition du sodium 20 de liaison à leur voisinage, ne doivent apparaître dans l'interstice qu'avec une probabilité pratiquement nulle. 2. Critère II : "Ebullition" L'ébullition de la liaison par sodium doit être impossible avant celle du réfrigérant, avec une probabilité suffisante et quelle que 25 soit la nature des perturbations (puissance, refroidissement), à l'exception de la présence de bulles de gaz dans l'interstice. Le critère d'ébullition doit garantir dans le barreau, au moins dans le cas de perturbations extérieures, une surpression interne (ou retard d'ébullition) qui interdit pendant suffisamment longtemps une ébul-30 lition de la liaison, rapportée à celle du réfrigérant, et permet ainsi une détection en temps voulu du danger. 3. Critère III : "Fuites" La.surpression interne, souhaitable selon le critère II, ne doit pas entraîner une perte progressive de la liaison par sodium, à travers 35 de petites fuites aléatoires de la gaine. Les conceptions usuelles de barreaux combustibles ne pouvaient pas tenir compte suffisamment de ces critères. ■ 23648 5 2096796 Un barreau combustible connu comprend une surface libre du sodium de liaison et un important ciel gazeux. Une compensation de pression par rapport au sodium réfrigérant environnant est prévue à la tête du barreau, de sorte que l'intérieur de ce dernier se trouve sous une certaine dépression, car la pression du réfrigérant est plus faible à la sortie qu'à l'entrée du coeur. La dépression intérieure interdit certes toujours la perte du sodium de liaison par des fuites (critère III), mais cette conception d'élément combustible ne satisfait pas au critère I avec une sécurité suffisante et pratiquement pas au critère II; la pression interne réduite impose en effet une faible température d'ébullition du sodium de liaison, de sorte qu'un dépassement de cette température entraîne une perte de la liaison par sodium, sans aucune entrave. On connaît aussi des barreaux combustibles sans compensation de pression, dans lesquels une surface de sodium libre se trouve ainsi à l'intérieur d'un système entièrement fermé. Cette conception permet certes de satisfaire largement au critère II, par l'établissement d'une surpression intërieurej mais la satisfaction des critères I et III est par contre problématique. La surpression chasse en effet le sodium de liaison par les fuites de la gaine. Le risque d'éclatement par une pression interne trop élevée impose en outre une grande épaisseur de paroi de la gaine et un important ciel gazeux. L'invention vise à réaliser un barreau combustible à liaison par sodium, de façon qu'il satisfasse aux critères précités. La liaison par sodium doit donc être stabilisée, de façon à : a) rendre improbable la "perte de liaison" et b) interdire une ébullition du sodium de liaison avant celle du réfrigérant, en cas de perturbations locales du refroidissement, pour c) permettre une réponse des détecteurs d'ébullition en temps voulu. L'invention a pour objet un barreau combustible à liaison par sodium, dont la tête comporte une ouverture et qui est destiné à un réacteur refroidi au sodium. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une ouverture est également prévue à la base du barreau pour établir une compensation de pression entre l'intérieur du barreau et le réfrigérant, et un étrangleur perméable aux gaz est monté avant l'ouverture de tête du barreau et présente une très grande résistance à l'écoulement du sodium liquide et une très faible résistance aux gaz. Dans le barreau combustible à liaison par sodium selon l'invention, 23648 2096796 la surpression interne souhaitable selon le critère II est ainsi obtenue par compensation de pression entre l'intérieur du barreau et le réfrigérant, au pied du barreau. La surpression possible aux points les plus irenacés croît plus vite que la puissance instantanée du barreau et peut atteindre quelques atmosphères à la pleine charge. Le critère III est également satisfait, car le sodium perdu par une fuite peut être renouvelé à volonté grâce à la compensation de pression au pied du barreau. : L'étrangleur monté à l'extrémité supérieure du barreau permet aux gaz de s'échapper relativement sans entrave de l'enceinte de liaison, mais interdit pratiquement l'écoulement du sodium vers le haut. Il y a avantage à contrôler la jonction entre la liaison par sodium et le réfrigérant au pied du barreau par un clapet de retenue, de façon qu'un fort accroissement de volume à l'intérieur du barreau, par suite d'une ébullition du sodium et de dilatations thermiques, crée instantanément une pression qui interdit de nouveau 1'ébullition du sodium. Ce contrôle de 1'ébullition est d'autant plus efficace que la partie active du barreau contient moins de gaz. Cette dernière condition est imposée de toute façon par le critère I. Il n'y a toutefois pas de coussin de gaz, car la chute de pression dans le coeur refoule les gaz de l'interstice beaucoup plus facilement que le sodium liquide à travers le filtre. Selon une autre caractéristique de l'invention, le clapet de retenue monté au pied de l'élément combustible est muni d'une soupape de sûreté, afin de tenir compte des dilatations thermiques du sodium au cas où l'écoulement de faibles quantités de sodium par l'étrangleur ne permettrait pas la réduction suffisamment rapide d'une surpression interne excessive. Une cloche flottante est disposée au-dessus de l'étrangleur pour retarder la libération du gaz de l'interstice. La constitution du barreau combustible selon l'invention entraîne aussi le respect du critère I. Il faut d'abord souligner que le remplissage en sodium, sans bulles, du barreau fini, sec et chargé de combustible, devrait être beaucoup plus facile que le remplissage usuel par le haut. L'écoulement de sodium par l'étrangleur, bien que faible, crée par ailleurs un courant de sodium dirigé de bas en haut dans l'interstice et qui devrait contribuer à entraîner les bulles vers le haut et à rendre plus difficile une immobilisation de grandes bulles dans l'interstice. 1 23648 5 2096796 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation et de la figure unique annexée, qui est une coupe d'un barreau combustible selon l'invention. L'élément combustible est constitué par la gaine 1, dans laquelle le combustible est introduit sous forme de pastilles 2. L'interstice 3 entre la gaine et le combustible contient du sodium de liaison. Le barreau combustible comporte une ouverture supérieure 4 et une ouverture inférieure 5 qui, après la fabrication, c'est-à-dire après le remplissage du barreau combustible en sodium, sont obturées provisoirement, jusqu'à l'introduction dans le réacteur. Entre le combustible et l'ouverture supérieure se trouve un étrangleur 6, qui permet le passage facile des gaz, mais le passage difficile du sodium. Une cloche flottante 7 fait suite à l'étraigleur. Un clapet de retenue 8, monté au pied du barreau, ne permet normalement le passage de sodium que de l'extérieur vers l'intérieur du barreau. Ce clapet comporte en outre une soupape de sûreté 9, à bille et ressort, qui fonctionne en cas de pression interne trop élevée dans le barreau et permet l'échappement de sodium. L'élément combustible selon l'invention offre les avantages suivants . En cas de fuites, le réfrigérant renouvelle constamment le sodium de liaison, par le pied de l'élément. Par suite de l'absence d'un ciel gazeux et de la résistance à l'écoulement élevée, la liaison par sodium ne peut être perdue que très lentement par ébullition, de sorte que l'instrumentation du coeur peut intervenir en temps voulu, avec une grande probabilité, car la propagation du dommage est lente et 1'ébullition du réfrigérant est la première à se produire en cas de perturbations du refroidissement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. 23648 o 2096796 Revendications 1. Barreau combustible à liaiscn par sodium , dont la tête comporte une ouverture et destiné à un réacteur refroidi au sodium, ledit barreau étant caractérisé en ce qu'une ouverture est également prévue au pied et y assure une compensation de pression entre l'intérieur du barreau et le réfrigérant, et un étrangleur perméable aux gaz est monté avant l'ouverture de tête du barreau et présente une très grande résistance à l'écoulement du sodium liquide et une très faible résistance aux gaz. 2. Barreau combustible selon revendication 1, caractérisé par le montage d'un clapet de retenue dans l'ouverture de pied. 3. Barreau combustible selon revendication 2, caractérisé en ce que le clapet de retenue est muni d'une soupape de sûreté. 4. Barreau combustible selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le montage d'une cloche flottante au-dessus de l'étrangleur.