Brevet FR2117912A1 — publié le 19720728

L'invention est relative aux assemblages combustibles nucléaires et concerne plus particulièrement des appareils et des procédés de fabrication d'assemblages combustibles nucléaires qui sont mis sous pression. Il est courant d'utiliser dans les réacteurs nucléaires un certain nombre d' 5 assemblages combustibles nucléaires comprenant chacun un tube contenant un combustible nucléaire et dont les extrémités sont obturées par des bouchons. A cause de la pression à laquelle sont soumis les assemblages nucléaires, ceux-ci sont sujets à des contraintes de fluage élevées et même à un affaissement. C'est pourquoi on a proposé que les assemblages combustibles soient mis 10 sous pression par de l'hydrogène ou de l'hélium et que les extrémités du tube ou gaine soient embouties pour fournir, à peu de chose près, une enveloppe continue sans bouchons d'extrémité. La gaine est dégazée et remplie d'hélium, après quoi on applique une soudure à l'arc par points dans une atmosphère d'hélium. On a également eu recours au soudage pour fermer un élément combustible. 15 Toutefois, dans tous les procédés de soudage, il était nécessaire d'obser ver rigoureusement le déroulement du processus de soudage et d'arrêter ce processus après un temps déterminé quand l'ouverture était correctement fermée. Cependant, cette opération était difficile du fait que le soudage d'effectuait dans une enceinte complètement fermée et sous pression de gaz. 20 Par conséquent, le but principal de la présente invention est de fournir une méthode pour obturer l'ouverture d'un élément combustible suivant laquelle le processus de soudage est automatiquement arrêté lorsque la quantité correcte de matériau de l'électrode a été fondue et a obturé l'ouverture. En vue de cet objectif, la présente invention consiste en une méthode de 25 remplissage avec un gaz et de fermeture d'un élément combustible nucléaire constitué d'une gaine remplie d'une quantité déterminée de pastilles de combustibles nucléaire, la gaine ayant une portion de paroi électroconductrice percée d'une ouverture et étant disposée dans une chambre fermée, caractérisée en ce qu'une électrode de soudage fusible est appliquée fermement dans la dite ouverture pour 30 réaliser un contact sensiblement linéaire avec la paroi de la gaine formant la dite ouverture, en ce qu'un courant électrique suffisant circule à travers la dite électrode pour faire fondre celle-ci par chauffage par résistance et en ce que l'électrode est maintenue dans une position donnée pour engendrer un arc à travers l'espace créé par la fusion de l'électrode pour obturer l'ouverture 35 jusqu'à ce que l'espace devienne suffisamment grand pour interrompre automatiquement la circulation de courant. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple, d'une réalisation préférée représentée aux dessins annexés. U0 Sur ces dessins: 71 43723 2 2117912 - La figure 1 est une représentation schématique, dont certaines parties sont montrées en élévation et d'autres enlevées, d'un assemblage combustible nucléaire et d'un appareil pour la mise sous pression d'un tel assemblage. - La figure 2 est une représentation de détail avec certaines parties enle-5 vées, montrant une extrémité d'un assemblage combustible nucléaire et une électrode associée tels qu'utilisés dans le système de la figure 1. - La figure 3 est une vue schématique avec certaines parties montrées en élévation et d'autres enlevées, d'un appareil de mise sous pression et de fermeture et d'un assemblage combustible nucléaire et 10 - La figure La figure 1 représente une réalisation d'un assemblage combustible nucléaire 1 comprenant un tube allongé 3 à paroi mince qui contient un combustible nucléaire, par exemple, des pastilles combustibles d'oxyde d'uranium enrichi 15 avec ae l'U--tube 3 possède un oouchon 5 obturant son extrémité inférieure et une ;.arox en forme d'an bouchon J situé près de son extrémité supérieure. Le bouchon 5 être fixé sur le tube 3 au moyen d'un cordon de soudure circu laire réalisé ci'une manière bier. connue dans la technique. Le bouchon 7 est soudé d'une :aani-"i'v similaire sur le tube 3. 20 Le tube et les bouchons peuvent être réalisés à l'aide d'un alliage conte nant du zirccniun. !Jn tel alliage peut contenir en poids: 1,2 à 1,7 ï d'étain, 0,07 à 0,20 % :.le fer, 0,05 à 0,15 % de chrome, 0,03 à 0,08 % de nickel et 97,87 à 95 % de zireonium. Un alliage spécifique de ce type peut contenir 1,5 % d'étain, 0,12 ï le for, 0,10 S le chrome, 0,05 % de nickel, le reste étant du zir-25 coniom. Un alliage ae zircc-nium adéquat ayant une faible teneur en nickel peut contenir de 1,2 a. % d'étain, ae 0,18 à 0,2^ % de fer, de 0,07 à 0,13 % de chrome, de 0,007 « de nidkel et le reste étant du zirconium. On peut ùgaltaaerst employer ae l'acier inoxydable pour fabriquer la gaine 30 et les bouchui.i. Suivant la ~,rinvention, les bouchons 5 et 7 sont soudés sur la gaine 3 alors que celle- ci esc remplie d'un gas sous pression élevée. On a obtenu de >• 2 bons résultai s er, uti.-.isant des pressions de l'ordre de 35 a 135 kg/cm "ans les .;oiiaitx->ns d'utilisation, les éléments contenus dans la gaine 3 35 ont tendance 1 :: ;li\t r. On choisit, de préférence, une pression initiale telle qu'à la fin de la durée de vie de l'assemblage combustible nucléaire, la v 2 pression interne n'excède pas lUO - '55 kg/cm . Comme indiqué à la figure 2, le bouchon 7 est muni d'un canal axial 9 de faible section qui met l'intérieur de l'assemblage combustible nucléaire en U0 communication avec l'extérieur. Le diamètre du canal peut être de l'ordre de 71 ^3723 3 2117912 1 mm. Afin de faire régner à l'intérieur de l'assemblage nucléaire une pression sensiblement plus élevée que la pression atmosphérique, le dit assemblage est placé dans une enceinte de mise sous pression comportant un manchon 15 en acier. 5 Le manchon est soudé à sa partie inférieure sur un disque en acier 17* A sa partie supérieure, le manchon est soudé sur le pourtour d'une ouverture pratiquée dans une collerette en acier 19. Comme mesure de sécurité supplémentaire, on a prévu un manchon extérieur 21 en acier qui entoure le manchon 15 et qui peut être soudé au disque 17 et à la collerette 19-10 L'enceinte est complétée par une bride 23 en acier qui est boulonnée sur la collerette 19. Entre la bride 23 et la collerette 19 on a prévu un joint adéquat 25 qui peut se présenter sous la forme d'un anneau en acier inoxydable poli. L'ouverture centrale de la bride 23 est obturée par une coupelle 27 en acier. L'enceinte est raccordée de façon convenable à une source 29 de gaz inerte 15 et à une pompe à vide 31. Dans la réalisation particulière de la figure 1, un embout 33, logé dans une ouverture pratiquée dans la coupelle 27, est raccordé par une conduite munie d'une vanne 35 à la source 29 de gaz inerte. Un appareil indicateur 37 est prévu pour faire connaître la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte. 20 Un montage similaire permet de raccorder l'enceinte à la pompe vide 31 par l'intermédiaire d'une conduite munie d'une vanne 39» Une vanne de purge kO peut être prévue. Celle-ci peut être ouverte pour mettre l'intérieur de l'enceinte contenant la gaine 3 en communication avec 1' extérieur pour permettre au gaz inerte venant de la source 29 de purger l'en-25 ceinte. L'ensemble combustible 1 est centré à l'intérieur du manchon 15 au moyen d'isolateurs U1. Ces isolateurs peuvent être réalisés en toute matière convenable, telle que la porcelaine ou une résine fluocarbonée que l'on trouve dans le commerce sous le nom de "Teflon". Le bouchon 5 est positionné dans une douille 30 électrique U3 qui est fixée sur le disque 17 et qui est raccordée par un conducteur adéquat à la borne positive d'une source à courant continu ^5- Une électrode kj passe à travers une borne de traversée isolante b9, fixée sur la coupelle 27, et son extrémité inférieure est disposée adjacente au bouchon 7- La borne de traversée isolante 1*9 peut être réalisée à xiartir d'une ma-35 tière semblable à celle utilisée pour les isolateurs Ul. L'électrode ^7 est raccordée à la borne négative de la source U5. Afin d'assurer le maintien en position de l'électrode kj, dans les conditions de haute pression auxquelles elle est soumise, on a soudé sur cette dernière un collier 51 en acier inoxydable. En fonctionnement, le collier 51 est adjacent à l'extrémité inférieure de la borne kO de traversée isolante U9. 71 43723 i» 2117912 Il faut noter que l'électrode hf se trouve dans l'alignement de l'assemblage combustible 1. L'électrode est, de préférence, fabriquée avec un matériau semblable à celui utilisé pour le bouchon 7- L'extrémité de l'électrode est, de préférence, en forme de cône et pénètre dans le canal du bouchon 7- On peut se 5 passer de l'extrémité conique dans le cas d'une électrode de faible diamètre mais, pour des électrodes d'un diamètre supérieur, par exemple de 2,5 mm, il est préférable de prévoir une telle extrémité. Le gaz de mise sous pression doit fournir une bonne atmosphère pour le soudage. Comme gaz pouvant fournir une telle atmosphère, il faut citer: l'argon, 1' 10 hélium, les mélanges hélium-argon ainsi que les mélanges hélium-xénon et parmi ceux-ci l'hélium convient particulièrement. L'hélium possède en plus l'avantage de pouvoir être détecté, d'une manière connue, par l'utilisation d'un spectro-mètre dans le but de détecter des fuites des assemblages combustibles. Un procédé de mise sous pression d'un assemblage combustible nucléaire est 15 décrit ci-après. Un assemblage combustible chargé est disposé à l'intérieur d' un manchon 13, le bouchon 5 étant inséré dans la douille 17- La bride 23 est ensuite boulonnée sur la collerette 19 afin de comprimer le joint 25 et de réaliser ainsi une' enceinte tout-à-fait étanche pour l'assemblage combustible. Si 1* électrode 1+7 est vissée dans l'isolateur de traversée 1+9 ou rendue réglable au-20 trement, elle est alors réglée pour amener son extrémité conique dans le canal du bouchon 5 pour établir avec celui-ci un contact circulaire. On supposera que, dans le cas présent, l'électrode U7 est positionnée dans l'isolateur de traversée 1*9 pour établir le contact. Si cela est nécessaire, l'enceinte est ensuite raccordée aux vannes 35 et 39. 25 A ce moment, la vanne 39 est ouverte et la pompe 31 est mise en fonctionne ment pour faire le vide dans l'enceinte jusqu'à une pression de l'ordre de 0,1 torr. La vanne 39 est ensuite fermée et la vanne 35 est ouverte pour permettre l'admission de l'hélium sous pression dans l'enceinte. La pression est amenée à la valeur désirée qui, par exemple, peut être de l'ordre de plusieurs atmosphè- 2 30 res ou de l'ordre de 35 kg/cm ou plus. La vanne 35 est alors fermée. Au lieu de faire le vide dans l'enceinte, les vannes 35 et Uo peuvent être ouvertes pour purger l'enceinte avec un gaz inerte pendant une période de temps déterminée. La vanne ho peut ensuite être fermée pour permettre l'établissement de la pression désirée de gaz inerte dans l'enceinte. 35 Une tension électrique est ensuite appliquée entre l'électrode 1*7 et le bouchon 7. Cette tension peut avantageusement être fournie par un poste de soudure à courant continu avec commande par minuterie, représenté par la source U5. La résistance élevée de contact entre l'électrode à extrémité conique et le bouchon 7 entraîne un chauffage rapide et une fusion subséquente de la pointe de 1+0 l'électrode. Lorsque l'électrode fond en coupant le circuit métallique de 71 43723 5 2117912 soudage, un arc instantané de forte intensité s'établir entre ce qui reste de l'électrode et le bouchon, et fait fondre la pointe de l'électrode. Le matériau fondu de l'électrode tombe dans le canal du bouchon et toute la surface qui se trouve sous l'arc instantané est amenée à fondre. La fusion de l'électrode dê-5 termine un grand espacement qui éteint l'arc. A cause de sa très courte durée, l'arc est qualifié d'"instantané". Après solidification du matériau fondu, l'assemblage combustible terminé peut être enlevé de l'enceinte. Ce processus con- ^ 2 vient particulièrement pour des pressions élevées de l'ordre de 35 kg/cm ou plus. 10 La forme conique de l'enceinte de l'électrode établit avec le bouchon un contact qui est essentiellement circulaire ou linéaire. Il en résulte une tendance à la concentration du chauffage par résistance dans de faibles portions de l'électrode et du bouchon, nécessaire à la fermeture. Comme indiqué ci-dessus, la partie conique peut être éliminée quand on se 15 trouve en présence d'un fil d'électrode de faible diamètre, mais il est préférable de la prévoir. Lorsqu'il n'y a pas de pointe ou de partie conique et qu' il y a une surface de contact importante, il peut s'écouler un temps assez long après l'alimentation du circuit de soudage, avant qu'une soudure ne se forme. Dans la réalisation représentée à la figure 1, tout l'assemblage combusti-20 ble est logé dans l'enceinte sous pression. Au moment de la mise sous pression, l'assemblage combustible est étanche à l'exception du canal du bouchon 7* Pour cette raison, il est possible de limiter l'enceinte de mise sous pression à la partie de l'assemblage combustible comportant le bouchon 7• C'est ce qui est représenté à la figure 3, où une enceinte E entoure temporairement l'extrémité 25 supérieure d'un assemblage combustible d'une manière étanche. Cette enceinte E est raccordée à une source de gaz inerte 29 par l'intermédiaire d'une vanne 35 et à une pompe à vide 31 par l'intermédiaire d'une vanne 39- L'électrode kf pénètre dans l'enceinte E pour venir coopérer avec le bouchon 7 de la même manière que celle montrée à la figure 1. L'enceinte peut positionner l'assemblage com-30 bustible le long d'un axe vertical, le long d'un axe horizontal ou le long d'un axe incliné. Pour faciliter le réglage de l'électrode hj, un pont 55 est de préférence fixé sur l'enceinte E par des entretoises 57- L'extrémité supérieure de l'électrode U7 est fixée sur un dispositif de réglage 59 qui se visse dans le pont 55° 35 En faisant tourner le dispositif de réglage, on fait avancer ou reculer l'électrode hj par rapport au bouchon 7. L'isolateur de traversée 2+9 forme un joint qui permet un déplacement coulissant de l'électrode. Un dispositif de réglage 'similaire peut être employé dans la réalisation de la figure 1. Grâce à un tel réglage, l'électrode kj peut être légèrement écartée du 1+0 bouchon 7 de manière que la purge, l'évacuation ou la mise sous pression 71 43723 6 2117912 puissent s'effectuer avec un écartement appréciable entre l'électrode et le bouchon. Après la mise sous pression, 1'électrode peut être amenée en contact avec le bouchon et peut établir un contact circulaire complet avec ce dernier. Si l'électrode est en position finale de soudage pendant la purge, l'éva-5 cuation ou la mise sous pression, le contact entre l'électrode et le bouchon peut être légèrement moindre qu'un cercle complet de manière à laisser un passage pour la circulation du gaz entre l'enceinte et l'intérieur de l'assemblage combustible. Si l'électrode 1+7 est introduite dans le canal 9 avant l'évacuation ou la 10 mise sous pression de l'assemblage combustible nucléaire, elle ne doit pas boucher complètement le canal. Elle doit donc être conformée ou introduite de manière à établir un contact avec le bouchon 7 sur une portion de cercle tout en laissant un espace à travers lequel le gaz peut pénétrer dans l'assemblage combustible nucléaire ou quitter celui-ci. ue contact ainsi réalisé est suffisant 15 pour permettre le. chauffage par résistance décrit ci-dessus. En alternative, l'électrode peut, oi elle est réglable, être positionnée légèrement eu ^ehors ds sa position de contact avec le bouchon et être ensuite amenée en cc:-*.acx avec le bouchon après l'achèvement de la phase de mise sous pression - 20 Les figures i et 5 représentent une réalisation préférée de l'invention. f'Jur la figure U, l'électrode bj peut donc avoir la forme d'un cône ayant un angle de 90° au sormet. 25 A la figure , le ùcuehca ?? correspond au bouchon 7 de la figure 3» Le bouchon 7' possède également un canal axial 9' ayant ion diamètre de l'ordre de 1 mm, mais en tûuf, il possède une cuvette 9A ayant un diamètre plus grand que celui de 1'électrude. Le. cu/ette peut avoir un diamètre de 3 mm et une profondeur suffisante pour entourer une partie relativement importante de la pointe 30 de l'électrode, par ?xeir.pl«i a;,-: t-ixfadeur de 2 mm. En fonctionnement, un assemblage combustible nucléaire muni de son bouchon 7' est a.ssociê i 1 'eiu-tinte E de la même manière que celle exposée pour l'assemblage comcustir-ie nucléaire de la figure 3. L'électrode kj* est employée à la place de 1'électrode ^7. L'électrode 47' est ajustée vers le bas, comme mon-35 tré au aessir», c e que la peinte vienne en contact avec le fond de la cuvette 9A. L'électiode est ensuite ajustée vers le haut pour établir un espace de 1'ordre de G,5 mm. L'assemblage combustible nucléaire est ensuite soumis au vide, puis mis sous pression de la manière exposée ci-avant. Une tension de soudage adéquate 1*0 est alors appliquée entre l'électrode **7' et le bouchon 7' pour amorcer un arc 71 43723 7 2117912 qui peut remplir sensiblement l'espace compris entre la pointe de l'électrode et le fond de la cuvette. L'arc peut être amorcé par la superposition, dans la source d'alimentation, d'une tension à haute fréquence sur la tension continue de soudage. La chaleur dégagée par l'arc provoque la fusion de la pointe de 1' 5 électrode dans la cuvette et le soudage du métal de remplissage F apporté de la pointe au bouchon 7' pour obturer le canal 9' comme montré à la figure 5. 71 i»3723 8 2117912 REVENDICATIONS. 1. Méthode de remplissage avec un gaz et de fermeture d'un élément combustible nucléaire constitué d'une gaine remplie d'une quantité déterminée de pastilles de combustible nucléaire, la gaine ayant une portion de paroi électroconduc- 5 trice percée d'une ouverture et étant disposée dans une enceinte fermée, caractérisée en ce qu'une électrode de soudage fusible est appliquée fermement dans la dite ouverture pour réaliser un contact sensiblement linéaire avec la paroi de la gaine formant la dite ouverture, en ce qu'un courant électrique suffisant circule à travers la dite électrode pour faire fondre celle-ci par chauffage par 10 résistance et en ce qu'une électrode est maintenue dans une position donnée pour engendrer un arc à travers l'espace créé par la fusion de l'électrode pour obturer l'ouverture jusqu'à ce que l'espace devienne suffisamment grand pour interrompre automatiquement la circulation de courant. 2. Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un gaz sous pres-15 sion contenant de l'hélium est introduit dans la dite enceinte avant la fermeture de la dite ouverture. 3. Méthode suivant l'une des revendications 1 ou 2, où la dite électrode a une section transversale plus grande que la section transversale de l'ouverture, caractérisée en ce que l'extrémité de l'électrode est conique et en ce que la 20 pointe est insérée dans la dite ouverture pour établir le dit contact linéaire. 1*. Méthode suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que 1' ouverture est conique vers l'intérieur et en ce que la pointe de l'électrode a une section transversale plus grande que la section transversale de 1'ouverture à son extrémité intérieure mais plus petite que la section transversale de l'ou-25 verture à son extrémité extérieure. 5. Méthode suivant l'une des revendications 3 ou , caractérisée en ce que 1' angle total compris entre les surfaces de l'électrode et de la paroi formant la dite ouverture, de chaque côté du dit contact linéaire est d'environ 90°.