Brevet FR2104669A1 — publié le 19720421

L'invention concerne les aiguilles de combustible nucléaire comprenant, dans une gaine étanche fermée par des bouchons une colonne de pastilles de matériau fissile et au moins une colonne de pastilles de matériau fertile. Des 5 aiguilles de ce type sont utilisées dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis par circulation de métal alcalin fondu : les colonnes de matériau fissile (bioxyde d'uranium et/ou de plutonium par exemple) constituent par leur juxtaposition le coeur du réacteur tandis que les colonnes de matériau 10 fertile constituent la couverture axiale. Les aiguilles sont groupées en faisceaux dans des assemblages indépendants où elles sont maintenues d'une part par une grille support, d'autre part par des entretaises portées par les aiguilles (fil enroulé en hélice en général). 15 Les observations les plus récentes permettent de penser que dans un réacteur rapide de grande puissance (250 à 1000 MWe) l'acier inoxydable gonfle sous l'effet du flux neutronique intégré dans la zone où ce flux est le plus important, c'est-à-dire dans le coeur. Par ailleurs, ces mêmes observations semblent 20 confirmer que les gaines d'aiguilles gonflent plus que le tube-hexagonal enveloppe de l'assemblage, du moins dans certains cas. Comme il a été dit plus haut, ce gonflement n'intervient qu'au niveau du matériau fissile et non à celui des couvertures fertiles et/ou du blindage, dans lesquels le flux est plus 25 faible. Ce gonflement risque d'entraîner des déformations dont les conséquences peuvent être graves. L'invention vise notamment à donner une solution à ce problème. Dans ce but, l'invention propose une aiguille de combustible nucléaire pour réacteur à neutrons rapides comprenant une 30 gaine fermée par des bouchons, contenant une colonne de pastilles de matériau fissile, ladite aiguille étant munie d'une entretoise de saillie constante enroulée en hélice sur la gaine et dont les extrémités sont fixées aux bouchons, caractérisée en ce que le diamètre du tronçon contenant le matériau fissile est légèrement 35 inférieur à celui des parties terminales portant les bouchons, lesdites parties terminales ayant chacune une longueur au moins égale au .demi-pas d'enroulement de 1'entretoise. 70 22835 2 2104669 Dans un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, l'aiguille contient non seulement une colonne de matériau' fissile, mais aussi une colonne de pastilles de matériau fertile: dans ce cas on donne au tronçon de gaine contenant le matériau 5 fertile un diamètre supérieur à celui du tronçon contenant le matériau fissile, et ce tronçon constitue avec son bouchon d'extrémité l'une des parties terminales de la gaine . Le bouchon correspondant peut alors être beaucoup plus court que l'autre dont la longueur doit être suffisante pour assurer un appui sur 1o un demi-pas. Ces dispositions permettent au tronçon de gaine contenant le matériau fissile de se gonfler légèrement au fur et à mesure de l'irradiation neutronique, puisque l'écartement entre les aiguilles adjacentes est fixé par le diamètre des parties terminales. La valeur maximum de ce gonflement est fixée par le jeu entre aiguilles au niveau du matériau fissile, jeu qui dépend directement lui-même de la différence entre le diamètre de cette partie et celui des parties terminales (quelques dixièmes de millimètres pour un diamètre de 6,5 mm environ). 20 II va sans dire que l'invention s'applique encore aussi bien au cas d'une gaine contenant deux colonnes de matériau fertile encadrant la colonne de matériau combustible qu'au cas d'une gaine contenant uniquement du matériau fissile ou une seule colonne fertile. Les .aiguilles à combustible oxyde prévues pout 25 des taux d'irradiation élevés doivent être munies d'un espace de collection des gaz de fission, sauf évidemment si elles sont équipées d'un é'vent. Dans le cas d'un réacteur à circulation ascendante de -réfrigérant , cet espace de collection sera placé à l'extrémité inférieure de l'aiguille. On donne avantageusement à 30 la portion qui délimite cet espace de collection un diamètre égal à celui du tronçon qui contient la colonne (ou les colonnes) de matériau fertile. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une aiguille constituant un mode de 35 réalisation particulier donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère au dessin qui' l'accompagne dans lequel î La Fig. 1 est une vue en coupe schématique de l'aiguille, La Fig. 2 montre schématiquement , en coupe suivant la 40 ligne II-II de la Fig. 1, la disposition relative de l'aiguille 70 22835 3 2104669 de la Fig. 1 et de deux aiguilles adjacentes. L'aiguille de combustible représentée en Fig. 1, destinée à un réacteur à neutrons rapides refroidi par circulation ascendante de sodium fondu, comprend une gaine étanche 10 formée 5 de deux tronçons tubulaires 12 et 14 reliés par un bouchon intermédiaire 16 et fermés par un bouchon supérieur 1B et un bouchon inférieur 20. Sur la gaine est enroulé en hélice à grand pas un fil entretoise 21 dont les extrémités sont solidaires des bouchons. Ce fil, de diamètre constant, est jointif avec la 1D gaine tout le long de celle-ci. On trouve dans la gaine, à partir du bouchon inférieur 20, un espace de collection de gaz de fission 22 délimité par le bouchon 20 et par une entretoise 24 sertie dans le tronçon 14 et percée d'un passage 25 d'amenée de gaz de fission. Une 15 colonne 26 de pastilles de matériau fertile (bioxyde d'uranium naturel ou appauvri par exemple) repose sur l'entretoise 24 par l'intermédiaire d'une pièce en chicane 28 qui peut Être du type décrit dans la demande de brevet français déposée le 22.5.70 par s l'organisme demandeur pour "Elément de combustible pour réacteur 20 nucléaire". Un organe de maintien 30 retient la colonne 26 contre la chicane 28 et la sépare d'un espace d'expansion du matériau fertile délimité par le bouchon intermédiaire 16 percé d'un passage 31 de gaz de fission. Sur le bouchon 16 repose, par l'intermédiaire d'une 25 pièce en chicane 32 qui peut être identique à la pièce 28, une colonne 34 de pastilles de matériau combustible (pastilles *frit-tées de bioxyde d'uranium et/ou de bioxyde de plutonium par exemple). La colonne 34 est également retenue par un organe de maintien 36. 30 Le tronçon inférieur 14 de l'aiguille suivant l'inven tion, qui contient la colonne 26 de matériau fertile et délimite l'espace 22 de collection de gaz de fission, présente un diamètre extérieur qui est égal à celui des bouchons 20 et 18. Par contre le tronçon 12, qui contient la colonne 34 de pastilles de matériau■fissile, présente un diamètre externe légèrement inférieur 35 Le fil Bntretoise21 est enroulé sur la gaine de façon jointive tout le 1-ong do l'aiguille. 70 22835 4 2104669 5 • 1 0 1 5 Comme le montre la fig. 1, le bouchon intermédiaire 16 'de raccordement entre les gaines présente une portion médiane de diamètre égal à celui du tronçon 14 contenant le matériau fertile et deux parties terminales de diamètre différent. La partie terminale inférieure s'engage à frottement doux dans le tronçon 14, raccordé au bouchon 16 par soudage dans la zone de contact entre le tronçon 14 et-la portion médiane. L'autre partie terminale du bouchon intermédiaire 16, de diamètre inférieur à celui de la première et correspondant au diamètre intérieur du tronçon 12, s'engage dans celui-ci et le. raccordement s'effectue encore par soudage dans la zone de contact entre le tronçon 12 et la portion médiane. Dans ces conditions l'espacement entre les aiguilles adjacentes d'un même faisceau est fixé par les portions du fil entretoise 21 porté par.les bouchons 18, 16 et 20 et par le tronçon 14. Il subsiste en conséquence au niveau des colonnes de matériau fissile 34 des jeux susceptibles d'être rattrapés lors du gonflement, du combustible, ces jeux n'ayant aucune incidence sur le maintien en place des aiguilles dans le faisceau. A titre d'exemple on peut noter qu'une aiguille destinée à un réacteur à neutrons rapides refroidi par circulation de sodium fondu a été prévu avec un tronçon inférieur 14 et un tronçon supérieur dont les diamètres diffèrent de 2/10 mm environ. L'aiguille représentée à titre d'exemple en fig. 1 comporte une seule colonne de matériau fertile s il va sans dire 22 • que l'invention sera également applicable à une aiguille comportant deux colonnes de matériau fertile encadrant la colonne de matériau fissile, ou au cas d'une aiguille comprenant du matériau fertile d'un'côté du matériau fissile et un bouchon de longueur suffisante de l'autre côté. Dans le premier cas,on voit par ailleurs que la portée de chaque aiguille sur les aiguilles adjacentes a lieu sur une fraction particulièrement importante de la longueur, ce qui constitue un élément favorable. 20 30 COPY 70 22835 5 2104669 REVENDICATIONS 1. Aiguille de combustible nucléaire pour réacteur à neutrons rapides comprenant une gaine fermée par des bouchons, contenant une colonne de pastilles de matériau fissile, ladite aiguille étant munie d'une entretoise enroulée en hélice sur la gaine et dont les extrémités sont fixées aux bouchons, 5 caractérisée en ce que le tronçon de la gaine qui contient le matériau fissile présente sensiblement sur toute sa longueur un diamètre constant et légèrement inférieur à celui des parties terminales comportant les bouchons, lesdites parties terminales ayant chacune une longueur au moins égale au demi-pas d'enroulement de 1'entretoise. 10 2. Aiguille suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite aiguille contient également une colonne de pastilles de matériau fertile et en ce que le tronçon de la gaine contenant le matériau fertile constitue avec son bouchon l'une desdites parties terminales. 3. Aiguille suivant la revendication 2, caractérisée en ce que 15 les bouchons d'extrémité ont un diamètre égal à celui du tronçon de gaine contenant le matériau fertile. 4. Aiguille suivant la revendication 1, 2 ou 3s caractérisée en ce qu'un espace de collection de gaz de fission est ménagé dans un des tronçons de grand diamètre de la gaine. 20 5- Aiguille suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4 pour réacteur à circulation ascendante de réfrigérant, caractérisée en ce que le tronçon contenant le matériau fertile est placé au-dessous de l'autre et comprend, de bas en haut, un espace de collection de gaz de fission, une entretoise support solidaire de la gaine et la colonne de pastilles de matériau fertile. 25 6. Aiguille suivant la revendication 2 ou l'une quelconque des revendications qui en dépendent, caractérisée par un bouchon intermédiaire, percé d'un passage pour les gaz de fission, fixé aux tronçons de la gaine contenant, l'unie matériau fertile et l'autre-le matériau fissile. 7* Aiguille suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, 30 caractérisée en ce que l'entretoise est constituée par un fil de diamètre constant. B 3695-3 JF copv