Brevet FR2119083A1 — publié le 19720804

L'invention concerne un élément combustible pour réacteurs nucléaires qui comporte un cpçps formé par un élément combustible et constitué par un corps poreux formé à l'aide de particules combustibles revêtues de carbone pyrolytique, de 5 carbure de silicium ou d'une autre matière appropriée et qui ont 2 3 un diamètre de 10 à 5.10 p, environ, le corps combustible présentant des canaux d'amenée et d'évacuation de réfrigérant. On connaît des éléments combustibles fabriqués avec utilisation de particules sphériques de combustible revêtues à leur surface extérieure de carbone, de carbures ou de métaux. En général, les particules revêtues sont enfermées dans une enveloppe de graphite, de carbure ou de métal et elles sont refroidies, soit de l'extérieur au moyen du réfrigérant qui traverse le coeur du réacteur, soit dans le cas d'une forme cylindrique creu-25 se en même temps, par la surface tournée vers l'intérieur du cylindre creux. Il a déjà été proposé aussi de former des éléments combustibles pour réacteurs nucléaires en liant entre elles des particules de combustibles revêtues pour former un corps 20 composite poreux présentant une résistance mécanique suffisante pour le fonctionnement du réacteur. Enfin, on connaît aussi un élément combustible pour réacteurs nucléaires présentant un canal principal fermé d'un côté, dans lequel la couche de combustible qui entoure le 25 canal est perméable au réfrigérant. Dans cet élément combustible connu, le réfrigérant s'écoule de la périphérie de l'élément dans le canal principal disposé à l'intérieur de l'élément, le corps combustible présente une épaisseur découché relativement faible. Elle est de 3 à 40 mm environ. Cette faible épaisseur de couche 30 est nécessaire' car autrement, la résistancë a l'écoulement entraînerait de trop grandes pertes de pression du réfrigérant. Il risquerait ainsi de se produire un court-circuit du réfrigérant par suite d'une fêlure mécanique se produisant pendant le fonctionnement du réacteur. Ces inconvénients ont d'autant plus d'impor-35 tance que la puissance spécifique de l'élément combustible est plus grande. Dans un autre élément combustible connu, des particules de combustible revêtues sont contenues dans une enveloppe métallique perforée conçue de manière à former un cylindre creux* A chacune des deux extrémités de cet élément combustible sont disposées des plaques filtrantes. Mais lôrsqu'on utilise cet gopy 71 46588 2 2119083 élément combustible dans le réacteur, il se produit des difficultés parce que, pour des raisons qui tiennent à la technique d'écoulement, il est difficile d'obtenir un écoulement régulier de réfrigérant en tous les points d'un corps creux cylindrique, 5 en particulier quand il est entouré d'autres corps creux similaires . L'invention a pour but de fournir un élément combustible qui présente à la fois une grande puissance spécifique et un écoulement uniforme de réfrigérant à travers les capillai-10 res formés par suite de la porosité, et dans lequel le risque de formation de fissures ou fêlures soit exclu, de sorte que l'élément a une grande longévité. Dans un élément combustible du genre ci-dessus, ce problème est résolu par le fait que le corps d'élément combus-15 tible est formé de parois de soutien poreuses et par un remplissage de particules de combustible revêtues disposées entre les parois. La disposition d'un remplissage non tassé de particules de combustible présente en outre, pour le fonctionnement d'un réacteur, l'avantage appréciable qu'il est ainsi possible d'adap-20 ter au dégagement de chaleur, variable dans chaque cas, la résistance à l'écoulement qui est variable localement au sein d'an élément combustible. Les parois de l'élément combustible selon l'invention peuvent être formées soit d'un corps poreux solide formé de manière eà elle-même cohnue de particules de combustible 25 revêtues, soit encore de tamis ou plaques perforées. Dans les deux cas, en adaptant la grandeur ou le nombre de trous ou bien, si la paroi est formée de particules de combustible revêtues liées entre elles, en faisant vaorier convenablement la quantité de liant ajoutée, il est possible sans difficulté d'augmenter ou 20 de diminuer la résistance à l'écoulement pour la partie de l'élément combustible qui subit une fatigue thermique plus ou moins grande. II est avantageux de donner à 1'élément combustible une structure telle que les sections 'des canaux d'arne-35 née et d'évacuation soient variables et cpe la vitesse du réfrigérant reste pratiquesent constante ea direction axiale. On!" obtient ainsi unie distribution! pratiquement. u®iiforme du courant de réfrigérant sur le corps ccmkmstlble » et/o-w uae distribution adaptée au dégagement die citaleux. Ea ©ariate, la perte de pression 40 est ainsi notablement diminuée. Dans mit raidie é'exêcutio® très 71 46588 3 2119083 avantageux de l'élément combustible selon l'invention, qui permet d'atteindre ce but, le corps combustible est en forme de cône creux de telle sorte qu'après l'insertion de l'élément dans le réacteur, le corps combustible est parcouru par le courant de 5 l'extérieur vers l'intérieur ou de l'intérieur vers l'extérieur. Il est apparu que la longueur du corps coaibustible conique ne devrait pas être trop grande, le diamètre total de l'élément combustible étant constaât. Il est avantageux aussi de donner à l'élément combustible selon l'invention une structure dans laquel-10 le plusieurs corps combustible en forme de cône creux sont reliés en série, de préférence de telle sorte que les pointes ou les petites circonférenees des cônes creux sont en contact mutuel. On obtient une très grande constance de la vitesse si le corps combustible présente, dans sa section longitudinale, la forme d' 15 un tube ondulé. Ce mode d'exécution de l'élément combustible selon l'invention est donc particulièrement avantageux. Dans un autre mode d'exécution très avantageux de l'élément combustible selon l'invention, qui permet une adaptation très poussée aux différentes conditions qui régnent 20 au sein d'un coeur de réacteur, le diamètre et/ou la teneur en combustible des particules de cembustible sont variables au sein de l'élément combustible. Si les parois entre lesquelles sont disposées les particules de combustible revêtues :,sont des tamis ou des plaques perforées, il est apparu avantageux, pour tenir 25 compte de la dilatation du remplissage de particules de combustible et pour les emmagasiner de façon invariable, de prévoir entre les parois de -l'élément combustible et le remplissage non tassé de particules combustibles, une couche d'un matériau poreux flexible en lui-même connu qui présente une faible section efficace 30 de capture de neutrons comme les feutres, les tissus etc. formés de graphite, de SiÛ2 ou d'autres matières appropriées connues. L'avantage en est que si la dilatation thermique des parois est différente, les parois ne se déforment pas de sorte que les particules de combustible revêtues ne peuvent pas glisser à l'in-35 térieur de la cavité délimitée par les parois et élargie par la dilatation, de sorte que l'on évite la formation indésirable de cavités qui pourraient conduire à des courts-circuits dans l'écoulement du réfrigérant. Un autre mode d'exécution avantageux de l'élément combustible selon l'invention, qui permet une grande 40 adaptation aux conditions de chaque cas d'espèce, consiste à bad original 71 46588 4 211908^ faire varier l'épaisseur et/ou la porosité du remplissage de particules de combustible et l'épaisseur et/ou la porosité des parois poreuses sur la longueur de l'élément combustible. Selon une autre forme de réalisation avanta-5 geuse,a l'intérieur des remplissages en particules de combustible, des couches intermédiaires d'un matériau flexible tel que le feutre de graphite etc. sont insérées de telle sorte que le remplissage de particules de combustible peut se dilate®* sans entrave sous l'effet de variations de température. 10 Ainsi qu'il est apparu:? par l'utilisation de l'élément combustible selon l'invention, on a déjà pu obtenir une amélioration notable du transfert de chaleur par rapport aux éléments combustibles antérieurement connus qui reçoivent l'écoulement parallèlement à leur surface, dans le cas où un courant partiel 15 représentant seulement quelques % de la quantité totale de réfrigérant traversait le corps combustible traversalement à la surface alors que le courant principal de réfrigérant était dirigé parallèlement à la surfaee. Lorsqu'on utilise l'élément combustible selon l'invention et qu'on lui donne une forme appropriée, 20 il est possible «ans difficulté de diviser le courant de réfrigérant en fonction des conditions qui régnent dans le réacteur et on peut obtenir une adaptation optimale aux conditions de transfert de chaleur. Un autre avantage est qu'en cas de besoin, par exemple quand on utilise l'élément combustible dans des réacteurs 25 de recherche, il est beaucoup plus simple d'effectuer un refroidissement de secours qu'en utilisant les éléments antérieurement connus, car on ne rencontre plus la difficulté qui consiste à distribuer uniformément, entre plusieurs passages de réfrigérant ou de tubes à combustible, le courant de réfrigérant dont on 30 dispose pour le refrodissement de.secours. Au contraire, il suffit d'amener le réfrigérant au bord supérieur du corps combustible. Au lieu de cela, il est possible aussi d'effectuer la pulvérisation sur le corps combustible de l'intérieur ou de l'extérieur, transversalement à la surface. Cela est particulièrement avanta-35 geux lorsqu'on utilise des éléments combustibles selon l'invention dans des réacteurs nucléaires à refroidissement par eau, si au moyen de dispositions constructives de la cuve du réacteur, on veille à ce que les éléments combustibles restent entourés d'eau extérieurement même en cas de rupture du circuit primaire de 40 réfrigérant. bad ORIGINAL 71 46588 5 2119083 Enfin, un avantage très notable de l'élément combustible selon l'invention réside dans le fait que l'on peut loger le combustible dans un corps combustible de quelques- millimètres seulement d'épaisseur, de sorte que l'espace nécessaire 5 autrement dans l'élément combustible pour la disposition de canaux de refrodissement devient libre pour d'autres usages. Ainsi, l'élément combustible selon l'invention présente un autre avantage, à savoir que l'on dispose d'une grande liberté dans la conception du corps combustible. En outre, quand on l'utilise 10 dans des réacteurs de recherche, un canal central d'irradiation peut présenter un plus grand diamètre que dans le cas d'un élément combustible de type antérieurement connu, devant répondre aux mêmes conditions. A titre d'exemple, quelques formes de réalisais tion de l'invention sont décrites ci-après et représentées au dessin annexé. La figure 1 est une coupe longitudinale de 1' un des côtés d'un élément combustible selon l'invention qui présente une forme annulaire; 20 Les figures 2 à 4 montrent trois autres formes de réalisation d'un élément combustible annulaire. Les figures 5 à 7 montrent trois formes de réalisation différentes d'un élément combustible tubulaire. r Dans l'exemple d'exécution représenté au 25 dessin, deux cylindres creux 1 et 2 sont disposés coaxialement avec espacement. Dans l'intervalle formé par les deux cylindres creux 1, 2 est contenu un remplissage 3 de particules de combus-tible:-revêtues. Les particules de combustible revêtues peuvent être liées entre elles de façon connue et former un corps composi-30 te ou bien elles peuvent être sous la forme de rempMisage non tassé, Comme on l'a indiqué par des flèches sur le dessin, le réfrigérant afflue, au pied 5 de l'élément combustible, dans l'intervalle ménagé entte le cylindre creux intérieur 2 et le remplissage 3, également a forme ou à disposition cylindrique. 35 Ensuite, le réfrigérant traverse radialement le remplissage 3 et sort à nouveau à travers l'intervalle ménagé entre le remplissage cylindrique 2 et le cylindre creux extérieur 1, à la tête de l'élément combustible. Par suite de la très grande surface de passage de réfrigérant, la perte de pression dans la région des 40 particules combustibles reste relativement faible. La grande 71 46588 6 2119083 surface de dissipation de chaleur des particules de combustible revêtues, dont le diamètre est généralement inférieur à 2 mm, permet une grande charge volumétrique spécifique du combustible. En cas de besoin, on peut sans difficulté se passer du cylindre 5 creux extérieur 1. Bien entendu, on peut aussi inverser le sens d'écoulement à travers le remplissage 3. Sur les figures 2 à 4, on a représenté trois formes de réalisation différentes de l'élément combustible selon l'invention, dans lesquels on obtient une distribution 10 particulièrement uniforme du courant de réfrigérant, indiqué sur les dessins par des flèches. Dans cet exemple de réalisation, on a désigné par 1 et 2 les parois tubulaires intérieure et extérieure de l'élément combustible en forme de cylindre creux, tandis que le corps combustible 3, disposé entre les parois 4 formées de 15 tamis, est de forme conique comme l'indique la figure 2, ou en double cône comme l'indique la figure 3,-ou en forme de tube ondulé comme on le voit par la figure 5. Des formes de réalisation correspondantes de l'élément combustible selon l'invention, pour un élément combustible tubulaire, sont représentées dans les 20 figures 5 à 7. Bien entendu, les exemples d'exécution cités ne limitent pas le grand nombre de possibilités de réalisation d'éléments combustibles présentant les caractéristiques de l'invention. Etant donné que - de façon non représentée 25 sur les dessins - les particules de combustible revêtues sont maintenues dans une position invariable, soit par la liaison "ferme"entre elles soit par l'insertion de feutre de graphite ou matière similaire, une configuration géométrique stable est assurée'de sorte que l'on évite des variations dans la distribu-30 tion de puissance dans le réacteur pendant le fonctionnement, ainsi que des variations brusques de réactivité. CQpy 71 46588 7 2119083 REVENDICATIONS 1. Elément combustible pour réacteurs nucléaires, comportant un corps d'élément combustible constitué par un corps poreux formé à l'aide de particules combustibles revê- 5 tues de carbone pyrolytique, de carbure de silicium ou d'une x HO autre matière appropriée et qui ont un diamètre de 10 à 5.1Q pm environ, le corps présentant des canaux d'amenée et d'évacuation de réfrigérant, caractérisé par le fait que le corps est formé de parois de soutien poreuses et d'un remplissage de parti- 10 cules de combustible revêtues disposé entre ces parois. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les sections des canaux d'amenée et d' évacuation sont variables et que la vitesse du réfrigérant reste pratiquement constante en direction axiale. 15 '3. Elément selon la revendication 2, carac térisé par le fait que le coxps de combustible est en forme de cône creux de telle sorte qu'après l'insertion de l'élément dans le réacteur, le corps combustible est parcouru de l'extérieur vers l'intérieur ou de l'intérieur vers l'extérieur. 20 4, Elément selon la revendicatior 2, carac térisé par le fait que plusieurs corps combustibles en forme de cône creux sont reliés en série de préférence, oe celle sorte que les pointes ou les petites circonférences des cônes creux sont en contact mutuel. 25 5. Elément selon la revendication 2, carac térisé par le fait que le corps combustible présente dans sa section longitudinale la forme d'un tube ondulé. 6. Elément selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé par le fait que le diamètre et/ou la 30 teneur en combustible des particules de combustible sont variables au sein de l'élément. 7. Elément selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que pour tenir compte de la dilatation du remplissage de particules de combustible et 35 pour les emmagasiner de façon invariable, eircre lés parois de l'élément combustible et le remplissage non tassé de particules combustibles est prévue une couche d'un matériau poreux flexible en lui-même connu qui présente une faible section efficace de capture de neutrons, tel que les feutres, les tissus etc. formés 40 de graphite de SiÛ2 ou d'autres matières appropriées connues. ' BAD ORIGINAL COPY 71 46588 8 2119083 8. Elément selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7 caractérisé par le fait que l'épaisseur et/ou la porosité du remplissage de particules de combustible et l'épaisseur et/ou la porosité des parois poreuses sont variables sur la longueur de l'élément combustible. 9. Elément selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8 caractérisé par le fait qu'à l'intérieur du remplissage en particules de combustible, sont insérées des couches d'un matériau flexible tel que le feutre de graphite etc. de telle sorte que le remplissage en particules de combustible peut se dilater-sans entrave' sous l'effet de variations de température. bad original