Brevet FR2126433A1 — publié le 19721006

L'invention se rapporte à un dispositif d'évacuation, pour les gaz de fission des barreaux gainés de combustible pour réacteur nucléaire, constitué d'un système à siphon rempli d'un agent d'obturation liquide et dont un c8té est relié à 11 espace dans le barreau contenant le combustible, et l'autre côté avec l'espace recevant les gaz à évacuer. Dans les éléments combustibles comportant de tels dispositifs d'évacuation du gaz de fission, ceuxci sont libérés de façon dosée en fonction de la pression intérieure et, ensuite, évacués par l'agent de refroidissement (brevet français 1 537 085). La pression de réponse d'un tel dispositif d'évacuation du gaz de fission, ne fonctionnant que sous 1'influence de la pesanteur, dépend cependant de la géométrie du siphon, c'est-à-dire de sa hauteur, et est donc limitée. Partant de là, l'invention a pour but de réaliser un élément combustible comportant une évacuation du gaz de fission vers un système à siphon, dans lequel on augmente la pression de réponse du système à siphon pur, donc on élargit le domaine de pression pour, tout au moins au début, obtenir une rétention plus importante du gaz de fission. Ce problème est, suivant la présente invention, résolu grâce au fait que, dans le parcours du siphon, on introduit une ou plusieurs pièces frittées prenant sur toute la section d'écoulement. L'agent d'obturation du siphon peut ici se trouver avantageusement des deux côtés des pièces frittées, celles-ci étant au contact de l'agent d'obturation, ou étant traversées par lui. Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, le côté de la pièce frittée opposé à l'espace de réception des gaz de fission, est formé en biais par rapport à la section de passage. En outre, on peut aussi disposer dans le parcours du siphon plusieurs pièces frittées, décalées en hauteur.L'agent d'obturation dans le siphon est constitué au choix par un liquide mouillant ou ne mouillant pas la pièce frittée, ledit liquide étant de plus, d'une façon particulièrement avantageuse, constitué d'un métal qui soit liquide à la température de fonctionnement du réacteur, comme, par exemple, du plomb, du bismuth ou du thallium. Suivant l'invention, la pièce frittée peut entre constituée d'un corps en acier spécial, fritté, ayant une porosité irrégulière ou étant traversé par des fentes ou des alésages définis. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - la figure 1 représente le coussin de gaz de fission d'un barreau combustible équipé du siphon conforme à l'invention, - les figures 2a-c illustrent le principe du siphon contenant un liquide d'obturation mouillant, - les figures 3a-c illustrent le principe du siphon contenant un liquide d'obturation non mouillant, - les figures 4a-c représentent diverses exécutions de pièces frittées, - la figure 5 représente un barreau combustible dans lequel on a incorporé un siphon à la fois audessus et au-dessous du combustible. La figure 1 montre l'enveloppe 21 du barreau de combustible, dans laquelle le combustible 22 est séparé au moyen d'un bouchon 23, perméable aux gaz, de la zone 24 renfermant le gaz de fission. Dans la zone 24 renfermant le gaz de fission, on a soudé, de façon concentrique, un tube intérieur 25 de façon à former, entre l'enveloppe 21 du barreau de combustible et le tube intérieur 25, un espace annulaire 26 à la façon d'un siphon. Le tube intérieur 25 va presque jusqu'au fond du tube enveloppant 21, y laissant un passage libre. Dans I'espace interne 24 et dans l'espace annulaire 26, sont installés sur toute leur section, des éléments filtrants en céramique 27, 28 (piè- ces frittées).En vue de l'évacuation des gaz de fission vers 1'- extérieur, le tube enveloppant 21 comporte un orifice de sortie 29. L'extrémité inférieure de la zone 24 renfermant le gaz de fission, constituée par le système de siphon, est remplie de l'- agent d'obturation 30. Le gaz de fission sort du combustible 22 à travers le bouchon 23 et se rend dans l'espace 24 de réception du gaz de fission; il traverse la pièce frittée 27, tandis que, si la pression d'élève, l'agent d'obturation 30 se trouvant dans l'espace annulaire 26 traverse la pièce frittée 28 et se dégage par l'orifice de sortie 29 dans le milieu de refroidissement. Les figures 2a-c montrent le système de siphon représenté schématiquement. Il est constitué du tube externe de siphon 1, et du tube intérieur de siphon 2 concentrique au premier. Dans le tube intérieur 2 du siphon, on a enfoncé à l'extrémité inférieure, la pièce frittée 3. les deux plongent ensemble dans le liquide d'obturation 4. La chambre 5 est reliée à la zone où se trouve le combustible dans le barreau (qui ne sera plus représenté en détail), et la chambre 6 est reliée à la zone de réception du gaz à évacuer (qui n'est pas non plus représentée en détail). Le tube intérieur 2 va jusqu'à proximité du fond du tube externe 1 dans le liquide mouillant la pièce frittée 3. Pour la poursuite de l'explication, on représente de façon idéale la pièce frittée comme une structure comportant des canaux de même diamètre, ce diamètre devant rester constant le long des canaux. Lorsque le liquide d'obturation mouille le matériau fritté, les creux de la pièce frittée 3 sont, suivant la figure 2a, remplis de liquide. Si la surface du liquide dans le tube intérieur 2 est atteinte par une pression de gaz de fission PD, l'action de cette pression repousse le liquide à travers la pièce frittée, tout d'abord jusqu'à la configuration où le niveau du liquide dans le tube intérieur 2 s'abaisse jusqu'à la surface de la pièce frittée, cf. la figure 2b. Dans le passage de la figure 2a à la figure 2b, l'élément d'obturation travaille comme un siphon normal, à la différence que la pièce frittée 3 agit comme une résistance à l'écoulement avec une action de ralentissement pour le liquide 4 et, dans le cas d'oscillations, avec une action d'amortissement sur le processus d'égalisation des pressions. Dès lors que la surface du liquide dans le tube interne 2 se compose de la somme des ménisques, dont on admet qu'ils ont la même allure dans les pores de la pièce frittée, il faut, pour continuer à déplacer le liquide, appliquer encore la pression de capillarité, en plus de la pression hydrostatique se déduisant, du principe du siphon pur. Ceci est valable quelle que soit l'épaisseur de la pièce frittée 3, et ne dépend que de l'existence des courbures de la surface du liquide. Du moment où le liquide 4 est complètement sorti de la pièce frittée 3, l'élément d'obturation fonctionne de nouveau comme un siphon normal (cf. la figure 2c), avec seulement la pièce frittée 3 comme résistance à l'écoulement sur le trajet du gaz. Cette séparation complète du liquide 4 d'avec la pièce frittée 3 ne se produira que pour des débits de gaz élevés. Pour les petits débits, les ménisques du liquide sont chassés des pores pour les plus importants diamètres efficaces de capillaires; mais, dans l'ensemble, cependant, le liquide reste en contact avec la pièce frittée, et la pression de traversée de l'élément d'obturation se compose, en faisant abstraction de la pression nécessaire à la formation des bulles de gaz, de la pression hydrostatique et la pression de capillarité. Si la surpression dans le tube intérieur 2 disparaît, le système retourne de lui-même à son état de départ suivant la figure 2a. Il faut ici poser comme condition préalable que la quantité de liquide reste intacte. Si maintenant la pression du gaz de fission s'exerce dans le dispositif de la figure 2a, à la surface du liquide dans le tube externe 1 (dans la chambre 6), alors le liquide 4 est repoussé de l'espace extérieur 6 dans le tube intérieur 2 à travers la pièce frittée 3, jusqu'à ce que les premiers pores de la pièce frittée remplis de liquide soient directement touchés par le gaz. Alors il existe encore un fond de liquide au-dessous de la pièce frittée. Et le gaz de fission ne peut, maintenant, passer de nouveau à travers l'élément d'obturation que contre la somme de la pression hydrostatique et de la pression capillaire. A la disparition de la différence de pression, l'élément revient de nouveau à son état de départ. Dans les pièces frittées normales, la pression capillaire est la même dans les deux sens possibles de passage. Le rapport des pressions hydrostatiques qui stétabli5- sent dans les deux états de traversée possibles, peut, cependant être choisi, par choix des surfaces libres de liquide dans le tube intérieur et dans le tube extérieur. Les figures 3a-b représentent le principe de fonctionnement de l'élément d'obturation dans lequel le liquide ne mouille pas la pièce frittée. La forme de réalisation de l'élément d'obturation est ici identique à celle de la figure 2. Sur la figure 3a, le niveau du liquide est le même dans le tube intérieur et dans le tube externe, de sorte que la pièce frittée est recouverte. La pièce frittée sera idéalisée par une structure avec des canaux de même rayon capillaire, gardant la même efficacité le long des canaux. La dépression capillaire ho du liquide d'obturation dans les canaux de la pièce frittée, se déduit des équations capillaires connues en physique. On distingue dans ces conditions, trois situations initiales différentes 1.- La profondeur de plongée du bord inférieur de la pièce frit tée est inférieure à la dépression capillaire (cf. figure 3a). ceci signifie aussi dans cette disposition, que l'épaisseur de la pièce frittée est inférieure à la dépression capillai re. Dans ce cas, il n'y aura pas de liquide qui pénètre dans la pièce frittée. Dans cette pièce se trouve le gaz avec le quel on a effectué à l'origine le remplissage de l'élément combustible, et la vapeur du liquide d'obturation. 2.- La profondeur de plongée du bord inférieur de la pièce frit tée est supérieure à la dépression capillaire ho, mais la profondeur de plongée du bord supérieur de la pièce frittée est inférieure à la dépression capillaire ho (cf. fig. 3b). L'épaisseur totale de la pièce frittée n'est soumise à aucu ne limitation. Dans ce cas, la pression hydrostatique s'e xerce sur le liquide dans la pièce frittée, du bas vers le haut, jusqu'à ce que les ménisques se déplacent du montant de la dépression capillaire ho au-dessous du niveau du liqui de. Le reste de la pièce frittée est, comme dans le cas 1, rempli du restant de l'atmosphère du gaz de remplissage, et de la vapeur du liquide d'obturation. 3.- La profondeur de plongée du bord supérieur de la pièce frit tée est supérieure au montant de la dépression capillaire ho (cf. fig. 3c). L'épaisseur de la pièce frittée n'est a lors soumise à aucune limitation. La pièce frittée est com plètement remplie du liquide d'obturation. Si, maintenant, dans les figures 3a et 3b, on applique dans le tube intérieur une pression à la surface du liquide, rien ne se modifie à la surface du liquide jusqu'à ce que l'on atteigne la pression de capillarité à la face supérieure de la pièce frittée. Ce n'est qu'après l'obtention de cette pression que le liquide d'obturation est poussé d'en haut dans les canaux de la pièce frittée. le gaz se trouvant dans la pièce frittée est tout d'abord comprimé et ensuite : dans le cas 1, il est repoussé contre la pression hydraulique à la surface inférieure de la pièce frittée; dans le cas 2, les colonnes de liquide se trouvant dans la pièce frittée avant le coussin de gaz sont aussi repoussées, et les pièces frittées se remplissent par le haut.Dès que les pièces frittées sont remplies et que disparaissent les surfaces libres du liquide des ménisques, la pression capillaire disparaSt aussi. Les dispositifs des cas 1 et 2 fonctionnent alors de la même façon que le dispositif-du cas 3 (figure 3c), c'est-à-dire comme des fermetures à siphon normales, présentant une résistance à l'écoulement. La différence entre les dispositifs réside dans les pressions différentes que l'on doit appliquer pour atteindre cet état, à partir des états initiaux. Pour une augmentation suppémentaire de la pression interne, le liquide est repoussé contre la pression hydrostatique croissante, à travers la pièce frittée dans le tube externe, jusqu'à ce que le niveau intérieur du liquide atteigne la surface de la pièce frittée. Avec la création des surfaces courbes dans les pores de la pièce frittée, on en arrive de nouveau à l'apparition d'une pression capillaire qui, en plus de la pression interne, cherche encore à repousser le liquide vers l'extérieur à travers la pièce frittée. Les ménisques migreront vers le bas, du montant de la dépression capillaire how sans qu'augmente la différence de la pression entre les zones renfermant du gaz.On admet alors que les volumes de liquide repoussés de la pièce frittée, ne provoquent pas de variation sensible de niveau dans la zone externe. Au cas où l'épaisseur de la pièce frittée est inférieure à la dépression capillaire, la pièce frittée se vide du liquide d'obturation; au cas où les ménisques restent encore à l'intérieur de la pièce frittée, ils n'en sont repoussés que par une augmentation supplémentaire de la pression interne. Une fois la pièce frittéavide, l'élément d'obturation fonctionne de nouveau comme un siphon comportant une résistance à l'écoulement dans le trajet du gaz. Si maintenant il se produit un relachement de la pression, le dispositif reste inchangé si la pression hydrostatique de la colonne de liquide est inférieure à la pression capillaire, car le liquide d'obturation ne peut pas alors pénétrer dans la pièce frittée. Si la pression hydrostatique est supérieure à la pression capillaire, alors le liquide pénè trera dans les capillaires, jusqu'à ce que la pression hydrostatique et la pression capillaire soient égales. Si cette condition ne peut pas être satisfaite à l'intérieur de la pièce frittée ni à sa surface, alors la dite pièce frittée est complètement traversée et il se rétablit la situation initiale, d'après les cas i, 2 ou 3, le gaz emprisonné dans la pièce frittée étant, éventuellement, de la vapeur pure du liquide d'obturation. Si maintenant la pression s'exerce dans les cas 1, 2 et 3, suivant les figures 3a, b, c, sur le niveau du liquide dans le tube externe, alors : dans le cas 1, figure 3a, le nouveau du liquide ne se modifie pas jusqu'à ce que la pression capillaire soit atteinte à la face inférieure de la pièce frittée. Pour une augmentation supplémentaire de la pression, le liquide pénétrera dans la pièce frittée. Dans le cas 2, figure 3b, le ménisque continue à se déplacer plus loin dans la pièce frittée, dès l'apparition d'une pression différentielle. Le gaz se trouvant éventuellement dans la pièce frittée est comprimé et repoussé vers le haut dans le tube intérieur. Lorsque la pièce frittée est complètement remplie de liquide, la pression capillaire disparates et les dispositifs des cas 1, 2 et 3 fonctionnent comme un siphon comportant une résistance à l'écou- lement. Pour une nouvelle augmentation de la pression extérieure, le liquide est repoussé vers le haut, à travers la pièce frittée, dans le tube intérieur contre la pression hydrostatique croissante, jusqu'à ce que le côté inférieur de la pièce frittée se trouve directement au contact du gaz. il reste alors un fond de liquide sous la pièce frittée.Suivant l'épaisseur de la pièce frittée, et l'importance de la pression hydrostatique régnant maintenant à la face inférieure de la pièce frittée, le ménisque reste à la face inférieure, repart dans la pièce frittée, ou la retraverse. La position limite à laquelle commence la traversée du gaz contre la pression hydrostatique est atteinte lorsque le liquide non mouillant passe au-dessus de la pièce frittée. Par relâchement de la pression, le dispositif retourne à la situation initiale lorsque la pression hydrostatique dans le tube intérieur suffit pour comprimer le liquide vers le bas à travers la pièce frittée, sinon la configuration reste inchangée. Sur la figure 4, on a de nouveau représenté la même installation de sortie du gaz de fission que dans la figure 2, mais avec plusieurs pièces frittées (dans la figure 4a) disposées sur le trajet du siphon, décalées en hauteur. Les figures 4b et 4c représentent des formes de réalisation dans lesquelles les faces inférieures des pièces frittées sont en biseau de différentes façons, pour faciliter le décrochement des bulles de gaz. Finalement, la figure 5 représente schématiquement un élément combustible dans lequel on a installé une évacuation de gaz de fission, suivant l'invention, à la fois au-dessus et en-dessous du combustible. Le système inférieur travaille ici avec application de la pression sur le tube intérieur et le système supérieur avec application de la pression sur le tube externe. Comme liquide d'obturation du siphon, on peut, avec succès, utiliser un métal qui soit liquide à la température de fonctionnement du réacteur, et solide à la température ambiante, comme, par exemple, du plomb, du bismuth, du thallium, etc.. Comme matériau de constitution de la pièce frittée, on peut, avantageusement, employer un acier spécial, c'est-àdire un matériau analogue à celui qui constitue l'enveloppe de l'élément combustible. La porosité, soit les fentes et alésages traversant la pièce frittée, sont obtenus par frittage d'une poudre métallique comprimée au préalable. le siphon peut alors fonctionner, aussi bien avec un liquide mouillant qu'avec un liquide non mouillant; et il reste ainsi capable de fonctionner complètement même pour un changement de comportement mouillant en cours d'utilisation. On a, en outre, l'avantage d'un amortissement des processus d'égalisation, et d'une sécurité accrue à l'égard de l'entratnement et de l'expulsion du liquide d'obturation. Le fonctionnement du siphon n'est pas non plus gêné par la dilatation thermique au liquide d'obturation. En raison du mode de réalisation symétrique de l'élément décrit, on peut, en outre, utiliser avantageusement un seul et même dispositif aussi bien au-dessus que au-dessous du combustible de l'élément du réacteur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R B V E N D I C A T I O N S 1.- Dispositif d'évacuation des gaz de fission des barreaux gainés de combustible de réacteur nucléaire, constitué par un siphon rempli d'un agent d'obturation liquide, dont une face est en contact avec la zone renfermant le combustible du barreau, et l'autre face en contact avec la zone recevant le gaz à évacuer, dispositif caractérisé en ce que, au moins une pièce frittée prenant toute la section d'écoulement est prévue sur le parcours du siphon. 20- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent d'obturation se trouve dans le siphon des deux cttés de la pièce frittée, ladite pièce frittée étant au contact de l'agent d'obturation ou étant traversée par celui-ci. 3.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face de la pièce frittée se trouvant du côté opposé à la zone de réception des gaz de fission est en biais par rapport à la section de passage, ou a une forme de toit. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que plusieurs pièces frittées décalées en hauteur sont prévues sur le parcours du siphon. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'agent d'obturation du siphon est constitué à volonté d'un liquide mouillant ou d'un liquide non mouillant sur la pièce frittée. 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 52 caractérisé en ce que l'agent d'obturation du siphon est constitué d'un métal, liquide à la température de fonctionnement du réacteur, comme par exemple du plomb, du bismuth ou du thallium. 70- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce frittée est constituée deux corps en acier spécial qui est d'une porosité irrégullère, ou qui est traversé par des fentes ou des alésages définis.