Brevet FR2116195A1 — publié le 19720713

L'invention concerne les éléments de combustible pour réacteur nucléaire et, plus particulièrement, les éléments destinés à être utilisés en position verticale et qui comprennent, dans une gaine étanche, une colonne de pastiii.es empilées 5 qui repose sur une pièce d'appui, et un espace de collection des gaz de fassi.on. Des éléments de combustible de ce type, couramment ■^"nommés "aiguilles" sont utilisés dans les réacteurs à ■ jeutrons rapides. Lorsque la circulation du réfrigérant dans 10 le coeur est ascendante, ce qui est le cas général dans ces réacteurs, J'espace de collection nécessaire pour recueillir les gaz de fission et limiter la pression interne est ménagé dans la gaine au-dessous de la pièce d'appui, c'est-à-dire là où la température en fonctionnement est la plus faible. Un pas-15 sage doit être ménagé dans la pièce d'appui pour autoriser l'écoulement des gaz de fission de la colonne de pastilles vers l'espace de collection. Il faut évidemment que ce passage ne soit pas obstrué par des débris de pastilles ou par des produits de fission provenant de la colonne de pastilles de combustible et 20 se condensant au niveau de la pièce d'appui, où la température est plus basse que dans la colonne. Il faut également que la pièce d'appui fournisse une assise stable à la colonne de pastilles de combustible. Les éléments de combustible utilisés à ce jour, dans 25 lesquels la colonne de combustible repose directement sur la pièce d'appui, constituée par un bouchon intermédiaire fixé à la gaine, ne remplissent pas parfaitement toutes les conditions ci-dessus. En particulier le passage, constitué en général par un trou unique ménagé dans l'axe du bouchon, peut être 30 partiellement obstrué par des débris ou des condensations. Or la fixation du bouchon à la gaine rend difficile de prévoir des passages autres qu'un trou ou plusieurs trous parallèles à 1'axe. L'invention vise à fournir un élément de combustible 35 nucléaire du type ci-dessus répondant mieux que les précédents aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il fait disparaître ou du moins atténue très notablement leurs inconvénients. 70 18869 2116195 Dans ce but l'invention propose un élément de combustible destiné à être utilisé verticalement, comprenant, dans une gaine étanche, une colonne de pastilles portée par une pièce d'appui solidaire de la gaine et percée d'au moins un passage parallèle 5 à l'axe de l'élément et qui débouche sous la pièce d'appui dans un espace de collection de gaz, élément de combustible caractérisé notamment par une pièce intermédiaire interposée entre la colonne et la pièce d'appui, coulissant dans la gaine, dont la paroi cylindrique est munie de rainures longitudinales faisant 10 communiquer les deux côtés de la pièce et dont les faces planes terminales sont creusées de rainures radiales débouchant dans les rainures longitudinales» La pièce intermédiaire munie de rainures constitue une chicane qui offre aux gaz de fission plusieurs trajets de 15 fuite peu susceptibles d'être obturés. Si le passage ménagé dans la pièce d'appui est axial, les rainures radiales de la face plane de la pièce intermédiaire en contact avec la pièce d'appui débouchent dans ce passage. Si ce passage axial est remplacé par plusieurs trous répartis régulièrement autour de 20 l'axe de la pièce d'appui, les rainures radiales de la face inférieure de la pièce intermédiaire peuvent être complétées par une rainure circulaire de répartition. La pièce intermédiaire comporte avantageusement sur chaque face deux rainures radiales en croix qui débouchent dans 25 des rainures longitudinales parallèles à l'axe, cette disposition permettant une fabrication simple, par exemple par microfonderie de précision ou par frittage (cette dernière solution conduisant à un prix inférieur). Dans ce dernier cas, on peut notamment constituer la pièce en acier inoxydable. 30 il va sans dire que dans la définition qui précède les mots "Elément de combustible" doivent être interprétés comme couvrant aussi bien un élément dans lequel on trouve une seule colonne de matériau fissile que ceux dans lesquels on trouve plusieurs colonnes disposées les unes au-dessus des autres, constituées, par exemple, l'une de matériau fissile et l'autre de matériau fertile et ceux qui ne comportent que du matériau fertile. 70 18869 3 2116195 Dans le cas de plusieurs colonnes superposées et portées par des pièces d'appui distinctes, un seul espace de collection peut être prévu sous la pièce d'appui la plus basse. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la 5 description qui suit d'éléments de combustible suivant l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la Fig.l est une vue en coupe très schématique d'un élément de combustible; 10 - la Fig.2 est une vue de détail en perspective, à grande échelle, de la pièce intermédiaire de l'élément de la Fig.1. - la Fig.3 similaire à la Fig.l, montre un second élément combustible. 15 L'élément de combustible représenté en Fig.l est destiné à un réacteur à neutrons rapides refroidi par circulation ascendante de sodium fondu. Il comprend une gaine étanche formée de deux tronçons tubulaires 12 et 14 reliés par un bouchon intermédiaire 16 formant pièce d'appui et fermés par un 20 bouchon supérieur 18 et un bouchon inférieur 20 soudés sur la gaine. Le bouchon intermédiaire est percé d'un conduit axial 21 de passage de gaz. Le tronçon 14 délimite avec le bouchon inférieur 20 et le bouchon intermédiaire 16 un espace 22 de collection de gaz de fission. La colonne 24 de pastilles de 25 matériau combustible (pastilles frittées de bioxyde d'uranium et de bioxyde de plutonium par exemple) repose sur le bouchon 16 dont elle est séparée par une pièce intermédiaire 26. Elle est repoussée vers le bouchon 16 par un ressort de retenue 28 disposé dans un espace d'expansion 30 destiné à autoriser 30 le gonflement du combustible au cours de l'irradiation. Ce ressort maintient en place la colonne 24 de pastilles lors des transports et des manutentions qui précèdent la mise en place dans le coeur d'un réacteur. La pièce intermédiaire 26, illustrée en Fig.2, est 35 constituée par un pion cylindrique dans lequel sont pratiquées des rainures longitudinales et radiales. La pièce de la Fig.2 comporte quatre rainures longitudinales 30, parallèles à son axe, disposées à 90° l'une de l'autre. Chacune des faces planes de 70 18869 4 2116195 la pièce 2 6 est creusée de deux rainures radiales en croix 29 qui débouchent dans les rainures longitudinales 30. La largeur et la profondeur des rainures 29 et 30 peuvent être très variables. Toutefois la largeur est avantageusement la même pour les 5 rainures radiales et les rainures longitudinales et elle est telle que la surface plane qui subsiste sur les faces radiales représente une fraction largement supérieure à la moitié de la se:tion de la gaine, de façon à fournir une assise satisfaisante à la colonne de combustible. Quant à la profondeur,elle doit 10 être telle qu'elle n'affaiblisse pas la pièce de façon excessive. La forme des rainures est évidemment choisie pour faciliter la fabrication: elle est par exemple sensiblement rectangulaire avec une légère dépouille. A titre d'exemple, on peut noter qu'on a utilisé, 15 dans une gaine présentant un diamètre interne de 5,65mm, une pièce intermédiaire 26 dont la paroi latérale était prévue pour laisser subsister un jeu de 1 ou 2 dixièmes de mm. La pièce 26, en acier inoxydable fritté, avait une hauteur totale de 4mm. La pièce intermédiaire 26 peut être fabriquée de 20 diverses façons. Elle peut être mise directement en forme par métallurgie des poudres. Etant donné son rôle mécanique, la pièce ne doit pas être friable, et on peut admettre que sa densité doit être au moins égale à 80% de la densité théorique du matériau qui la constitue (acier inoxydable en général). On 2 5 peut également fabriquer la pièce par micro-fonderie de précision. La pièce 26 peut évidemment assumer des formes autres que celles illustrées en Fig.2. Elle peut comporter un nombre de rainures longitudinales différent de 4: on peut par exemple prévoir six rainures régulièrement réparties. Trois rainures 30 radiales sont alors ménagées sur chaque face plane. La pièce intermédiaire illustrée en Fig.2 fournit un passage vers le conduit 21 ménagé dans le bouchon 16 quelle que soit son orientation, puisque ce conduit est axial. Ce résultat ne serait pas forcément atteint si, au lieu d'un conduit 35 axial, il était prévu plusieurs trous régulièrement répartis autour de l'axe du bouchon 16: dans ce cas il serait nécessaire d'ajouter aux rainures radiales de la face inférieure, une rainure circulaire de répartition, de rayon égal à celui du cercle sur lequel se répartissent .les trous du bouchon. 70 18869 5 2116195 L'élément de combustible illustré en Fig.3 (où les pièces correspondant à celles de la Fig. 1 sont désignées par le même numéro de référence affecté de l'indice prime) se différencie essentiellement de celui de la Fig.l en ce qu'il 5 comporte deux colonnes de pastilles associées i un seul espace de collection de gaz et en ce que les colonnes sont maintenues, lors des manutentions, par une pièce de maintien du type décrit et revendiqué dans la demande de brevet déposée ce jour par > 1 organisme demandeur pour "Elément de combustible nucléaire". 10 On trouve dans la gaine, à partir du bouchon inférieur 20', l'espace 22' de collection de gaz de fission délimité par le bouchon 20' et par un bouchon intermédiaire 32 serti dans la gaine. Un empilement 36 de pastilles de matériau fertile (bioxyde d'uranium naturel par exemple; repose sur 15 l'entretoise 24 par l'intermédiaire d'une première pièce intermédiaire 34.Une première bague fendue 38 retient l'empilement de pastilles 26 contre la pièce 34 et le sépare d'un espace d'expansion du matériau fertile délimité par le bouchon intermédiaire 16'. 20 Sur le bouchon 16 repose, par l'intermédiaire de la pièce intermédiaire 26' identique à la pièce 34, la colonne 24' de pastilles de matériau fissile (oxyde mixte d'uranium et de plutonium par exemple). Le bouchon intermédiaire 16' est encore percé d'un passage 21' permettant au gaz de fission 25 provenant des pastilles 24' de s'échapper vers la colonne fertile 36, et, par un canal central 40 de celle-ci et un passage axial 42 de 1'entretoise 32,vers l'espace 22' de collection de gaz. La colonne de pastilles de matériau fissile 24' est retenue par un organe de maintien 44 monté dans la gaine et 30 séparé du bouchon supérieur 18' par un espace d'expansion de longueur supérieure à celle dont l'empilement peut se dilater. î i 70 18869 6 2116195 REVENDICATIONS 1. Elément de combustible destiné à être utilisé verticalement, comprenant, dans une gaine étanche, une colonne de pastilles portée par une pièce d'appui solidaire de la gaine et percée d'au moins un passage parallèle à l'axe de l'élément 5 et qui débouche sous la pièce d'appui dans un espace de collection de gaz, élément de combustible caractérisé par une pièce . termédiaire interposée entre la colonne et la pièce d'appui coulissant dans la gaine, dont la paroi cylindrique est munie de rainures longitudinales faisant communiquer les deux côtés de 10 la pièce et dont les faces planes terminales sont creusées de rainures radiales débouchant dans les rainures longitudinales. 2. Elément de combustible suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce intermédiaire est en forme de pion cylindrique muni sur chaque face de deux rainures radiales 15 en croix qui débouchent dans des rainures longitudinales parallèles à l'axe. 3. Elément de combustible nucléaire suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce d'appui est constituée par un bouchon intermédiaire reliant deux tronçons de 20 gaine. 4. Elément de combustible nucléaire suivant la revendication 1, 2 ou 3, pour réacteur à circulation ascendante de réfrigérant'caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs colonnes de pastilles reposant chacune sur une pièce d'appui 2 5 dont elle est séparée par une pièce intermédiaire et un seul espace de collection de gaz de fission placé sous la pièce d'appui placée le plus bas dans l'élément, les pastilles de la colonne qui reposent sur ladite pièce d'appui la plus basse étant percées d'un passage axial.