Brevet FR2121580A1 — publié le 19720825

La présente invention se rapporte à la mise sous pression de barreaux ou cartouches de combustible pour réacteurs nucléaires spéciaux. Elle concerne plus particulièrement un procédé pour pressuri-5 ser à l'aide d'un gaz inerte un barreau de combustible nucléaire hermétiquement fermé. Récemment, et par suite des conceptions spéciales de certains réacteurs nucléaires, a surgi la nécessité de disposer de barreaux de combustible pressurisés intérieurement avant de les utiliser 10 dans le coeur desdits réacteurs. La façon la plus simple de s'attaquer à un tel problème était de charger les barreaux de combustible avec une matière réactive de nature nucléaire et ensuite de les pressuriser. Toutefois, ceci implique qu'il faut, pour la mise sous pression, pouvoir accéder à l'intérieur des barreaux après qu'ils 15 ont été chargés. Jusqu'à présent, on utilisait un chapeau spécial préparé à l'avance pour boucher un barreau de combustible après qu'il avait reçu sa charge. Les chapeaux que l'on a d'abord utilisés pour cette opération comportaient chacun un orifice d'accès, et après pressu-20 risation de chaque barreau à l'aide d'un gaz inerte, on essayait de boucher l'orifice d'accès du chapeau. Toutefois, avant la mise sous pression et l'obturation dudit orifice, le combustible nucléaire à l'intérieur des barreaux se trouvait exposé aux dangers de contamination environnants de nature atmosphérique. En dernière 25 analyse, un tel danger de contamination risquait de compromettre le bon fonctionnement de ces barreaux dans le coeur du réacteur, à moins de prendre les précautions les plus sévères et les plus méticuleuses pour préserver la qualité de la matière réactive, ces précautions comprenant la réalisation d'un outillage spécial et 30 l'emploi d'un personnel hautement qualifié apte à s'en servir, ce qui contribuait à augmenter le coût de l'opération. En outre, on a constaté que les orifices d'accès des différents chapeaux d'une série de barreaux ne se trouvaient pas toujours à la même place, ce qui nécessitait de les orienter au moment d-e les obturer et de pré-35 voir par conséquent un moyen d'orientation. On a constaté en définitive qu'il était extrêmement difficile de boucher convenablement chacun de ces orifices d'accès sur une base identique et de façon ' répétée quand il fallait en obstruer un grand nombre. On pouvait par conséquent entretenir quelques doutes quant à l'existence de la 40 pression dans chacun de ces barreaux, à moins de mettre en oeuvre 72 00179 2 2121580 un programme de contrôle extrêmement fastidieux, pour être sûr de la qualité des barreaux pris individuellement. Une telle opération était malheureusement indispensable car si, d'aventure, un barreau de combustible n'était pas pressurisé, cela pouvait le rendre 5 inopérant dans le rôle qui lui était dévolu à l'intérieur de certains réacteurs nucléaires. Il était donc nécessaire de trouver tan procédé pour pressuriser un barreau de combustible nucléaire au moyen d'un gaz inerte sans se heurter à aucune des difficultés pouvant mettre en cause 10 la qualité du produit et à préciser les moyens d'y parvenir. L'invention a pour objet de répondre à ces besoins en mettant en oeuvre un procédé offrant un caractère de grande simplicité en vue de pressuriser lesdits barreaux de combustible à l'aide d'un gaz inerte, ce procédé pouvant être appliqué avec un maximum d'ef-15 ficacité de façon répétée et toujours identique, permettant de rester dans des limites étroitement contrôlées en ce qui concerne la qualité des barreaux et de leur contenu, l'efficacité et l'usage au maximum de chacun de ces barreaux se trouvant garantis dans le cadre des exigences. 20 Un des objets de l'invention est donc de mettre en oeuvre un procédé de pressurisation "in situ" et à l'aide d'un gaz inerte, d'un barreau de combustible nucléaire chargé, ce procédé étant d'application facile dans des conditions de service très variées et permettant d'éviter que le combustible se trouve exposé à une 25 contamination toujours possible. L'invention a aussi pour objet un procédé selon lequel un barreau de combustible de ce genre peut être pressurisé parfaitement avec un gaz inerte sans qu'il soit besoin de recourir à des manipulations nombreuses et compliquées, ce procédé ayant pour résul-30 tat d'abréger le cycle de fabrication et de diminuer les frais de traitement. L'invention a encore pour objet un procédé de pressurisation des barreaux de combustible nucléaire avec un gaz inerte, le produit obtenu pouvant être inspecté "in situ", sans risque d'être dété-35 rioré, pour contrôler en toute certitude la bonne pressurisation desdits barreaux. Les caractéristiques et avantages de l'invention, ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en plan de dessus représentant une 72 00179 3 2121580 chambre ou enceinte utilisée pour le procédé ; - la figure 2 est une vue de face du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1. 5 Les mêmes numéros d'indice désignent les mêmes pièces dans les différentes figures. Sur un plan général, le procédé de l'invention est destiné à mettre sous pression un barreau de combustible nucléaire avec un gaz inerte sous pression en pratiquant d'abord dans ledit barreau 10 une fine perforation au moyen d'un rayon laser quand le barreau se trouve dans une chambre sous vide, ensuite le barreau étant maintenu en place en pressurisant ladite chambre jusqu'à l'obtention d'un état d'équilibre, enfin en obturant la perforation avec le même laser. 15 Le procédé de l'invention consiste plus précisément à disposer un barreau de combustible nucléaire hermétiquement fermé à un certain endroit d'une chambre close que l'on met ensuite sous vide. On applique alors à un endroit précis de 1'extérieur du barreau une certaine quantité d'énergie lumineuse provenant d'une source 20 fixe de rayons laser jusqu'à réaliser une perforation, ce qui assure la communication avec l'intérieur dudit barreau et permet d'évacuer dans la chambre l'air qu'il contient. Quand l'état d'équilibre est réalisé dans la chambre, celle-ci est pressurisée au moyen d'un gaz inerte et on envoie ensuite et à nouveau une certaine 25 quantité d'énergie lumineuse provenant de la même source de laser sur la surface périphérique extérieure de la perforation afin de l'obstruer. Cette technique est mise en application sans déplacer ni la source lumineuse, ni le barreau de combustible après leur mise en place initiale. 30 Dans le mode de réalisation préféré représenté aux figures 1 et 3, une extrémité d'un barreau de combustible nucléaire 12 est introduite dans une enceinte ou chambre de pression et porte en appui contre une butée fixe 15 qui a pour effet d'interdire tout mouvement du barreau vers l'avant. Un dispositif de fermeture étanche 35 21 du type à plongeur 19 et bague 18 est alors poussé en avant pour appliquer hermétiquement le barreau de combustible contre la butée 15 et pour fermer de façon étanche la chambre de pression en vue d'interdire toute fuite, ce qui permet de commander l'atmosphère de la chambre. On met alors en action une pompe à vide 13 communiquant 40 avec l'intérieur de la chambre qui se trouve ainsi mise sous vide 72 00179 4 2121580 par l'intermédiaire de la canalisation 14 jusqu'à un faible niveau de dépression micrométrique, point auquel on arrête la pompe. Des résultats tout à fait satisfaisants ont été obtenus en assurant une dépression de 20 p. dans la chambre à ce stade de fonction-5 nement. Une source de laser 10 maintenue fixe par rapport à la chambre pendant toute la durée de 1 Opération est alors mise en action à l'aide d'un moteur 22 et un rayon d'énergie lumineuse 11 du type laser est iancé à travers une fenêtre vitrée 16 prévue sur le 10 côté de la chambre. Comme on peut le voir à la figure 1, ce rayon d'énergie lumineuse 11 traverse la chambre mise sous vide et frappe la partie latérale du barreau de combustible à l'endroit choisi pour y pratiquer une fine perforation. La butée 15 aide à préciser la position du barreau 12 et constitue un moyen efficace de 15 faire en sorte que tous les barreaux de combustible d'un même faisceau soient successivement percés au même endroit. 1 La quantité d'énergie nécessaire pour perforer la surface du barreau de combustible peut être calculée mathématiquement pour différents types de matériaux. 20 Toutefois, dans chaque cas, et lorsque l'on utilise l'outil lage laser classique, le niveau d'énergie nécessaire à la perforation peut être atteint en faisant varier les débits de tension, les dimensions de l'ouverture et les lentilles classiques de mise * au point. La source de laser utilisée jusqu'à ces derniers temps 25 était constituée par un dispositif utilisant le verre de néodyme, modèle 1200—2R de la Société américaine dite : Holobeam Inc. On peut perforer de très nombreux barreaux de combustible nucléaire classiques mais de matières différentes en les soumettant aux rayons d'un laser dont l'énergie se situe environ entre 160 et 30 740.000 joules par cm . Toutefois, des résultats très acceptables peuvent être obtenus quand on utilise une énergie se situant entre environ 13.000 et 110.000 joules par cm2 pour créer une voie d'accès dans un barreau de combustible nucléaire clos hermétiquement. Dans la réalisation préférée, on obtient les meilleurs résultats 35 en utilisant une énergie lumineuse de 52.360 joules par cm2 pour percer un barreau de combustible du type "Zircaloy". Quand la perforation est achevée et "qu'elle atteint donc l'intérieur du barreau de combustible, le milieu sous pression existant à l'intérieur de ce barreau passe par cette perforation pour 40 faire irruption dans la chambre, ce qui a pour effet d'y réduire COPV 72 00179 5 2121580 la dépression de façon radicale. Le niveau de la dépression existant dans la chambre est contrôlé à tout moment pendant cette phase de fonctionnement et une modification d'une telle ampleur sera immédiatement repérée pour administrer la preuve qu'une perfora-5 tien assurant la communication a bien été réalisée. Dans la pratique, il existe approximativement une pression d'une atmosphère à l'intérieur du barreau de combustible et un écart important se manifestant- sur l'indicateur du vide ou vacuomètre constitue habituellement la preuve d'un dégagement de ce milieu dans la chambre. 10 Quand l'équilibre est de nouveau réalisé dans la chambre, on remet la pompe en action pour produire un vide de niveau micrométrique faible d'environ 15 pour évacuer le gaz résiduel de la chambre. On arrête alors la pompe et on fait pénétrer dans la chambre sous la pression voulue un gaz inerte 20 tel que l'hélium, l'argon 15 ou un mélange des deux, cette pression étant naturellement supérieure à une atmosphère. Dans le passé, des pressions d'environ 2.750.000 pascals se sont révélées très acceptables avec les barreaux de combustible de conception classique utilisé dans l'industrie. On laisse s'écouler un temps suffisant pour que l'ensemble 20 du barreau soit bien mis sous pression, ce laps de temps pouvant être mesuré par un moyen chronométrique classique. Quand l'équilibre est obtenu dans la chambre à la pression voulue, on fait de nouveau fonctionner la source fixe de laser pour boucher la perforation, le barreau restant à sa place. Il est fa-25 cile de commander la dimension, l'épaisseur et la forme de la soudure ainsi réalisée en faisant varier la tension du courant, les dimensions de l'ouverture ou les lentilles utilisées pour le réglage du rayon laser. En général, l'énergie lumineuse nécessaire pour boucher la perforation de chaque barreau est sensiblement inférieu-30 re à celle qu'il faut utiliser pour le creuser. Toutefois, l'opération est facile à réaliser, même si l'on dispose d'une source d'énergie constante en élargissant la zone de frappe.sur la surface du barreau ; il suffit alors soit de changer la lentille classique de mise au point disposée entre la source et le barreau, soit d'en 35 interposer une autre. On peut également parvenir au résultat recherché en augmentant la dimension de l'ouverture de la source ou en diminuant l'arrivée d'énergie à la source lumineuse. Dans ce dernier cas, la tension utilisée peut être notée et prise en considération comme base valable et permanente dans le but de contrôler 40 la qualité du produit obtenu. Dans la pratique, on a constaté que 72 00179 6 2121580 l'on obtenait des résultats satisfaisants quand la soudure de la perforation avait une hauteur d'environ 0,51 mm et présentait un affaissement d'environ 0,076 mm en surface. On peut alors relâcher la pression par une soupape d'échappe-5 ment classique et le cycle des opérations se trouve ainsi terminé. Toutefois, dans le but de contrôler la bonne qualité du résultat obtenu et de s'assurer qu'une soudure hermétique est réalisée, il peut être souhaitable de recréer dans la chambre une dépression de faible niveau micrométrique. Si le joint de la perforation est 10 imparfait et s'il y a une fuite, on en est aussitôt informé par un mouvement important du vacuomètre. Si tel est le cas, on peut alors recommencer les opérations de mise sous pression et d'obturation pour obtenir un produit de bonne .qualité. Quand la pression régnant à l'intérieur de la chambre est de-15 venue identique à la pression ambiante, on peut retirer le barreau de combustible de la chambre en le libérant du dispositif qui le maintient, c'est-à-dire en tirant simplement le plongeur. Le barreau est alors prêt à servir dans le coeur d'un réacteur nucléaire. Parmi les avantages de ce procédé, l'un d'eux est qu'il per-20 met de pressuriser un barreau de combustible sans exposer la matière réactive contenue à l'intérieur aux agents de contamination que l'atmosphère peut recéler, ou à des agents détergents. On peut mettre les barreaux sous pression à n'importe quel moment en cours de fabrication sans difficulté ni inconvénient et sans aucune ma-25 nipulation spéciale. Le cycle de fabrication des barreaux de combustible mis sous pression se trouve ainsi abrégé puisque le nombre des opérations auxquelles il y a lieu de recourir pour les obtenir se trouve diminué de façon importante.. L'obturation de la perforation peut en outre être vérifiée 30 sans risque d'avarie et avec line grande sûreté, ce qui permet d'être assuré que la pression existe bien dans ces barreaux et qu'ils sont par conséquent aptes à servir au but auquel ils sont destinés. On peut aussi être certain, en vue d'assurer le contrôle de la qualité, que la perforation ou son obturation se trouvent effec-35 tuées à un endroit précis de façon répétée et toujours identique, quand on met plus d'un barreau sous pression. Enfin, les barreaux défectueux peuvent être effectivement et efficacement réparés de façon très simple. COPV. 72 00179 7 2121580 REVENDICATIONS 1. Procédé pour mettre sous pression un barreau de combustible nucléaire chargé et fermé hermétiquement, caractérisé en ce quril comprend : k 5 - la-mise en place dudit barreau à un endroit déterminé d'une chambre fermée ; — la misé en dépression de ladite chambre ; - 1'application dTune énergie lumineuse du type laser se situ-ant environ entre l60 et 740.000 joules par cm à un certain en— 10 droit de la surface dudit barreau afin de le perforer jusqu'à- sa partie interne ; — la mise sous pression de ladite chambre jusqu'à une pression supérieure à la pression atmosphérique ; - l'obstruction de la perforation en appliquant l'énergie lu-15 mineuse sur une zone élargie autour de la périphérie de ladite perforation. 2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel l'énergie 2 lumineuse se situe entre environ 13.000 et 110.000 joules par cm . 3« Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on applique 20 une énergie d'environ 52.360 joules par cm à un barreau du type "Zircaloy". 4. Procédé suivant la revendication 3, dans lequel ladite chambre est mise sous vide jusqu'à 20 p, un état d'équilibre y étant ensuite réalisé avant de la pressuriser. 25 5. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel on détecte la communication de la perforation avec l'intérieur du barreau par une réduction considérable du vide dans ladite chambre. 6..Procédé suivant la revendication 5, dans lequel ladite chambre est pressurisée à 2.750.000 pascals avant de boucher ladite per-30 forâtion. 7« Procédé suivant la revendication 6," dans lequel on crée à nouveau une dépression dans la chambre après avoir obturé la perforation, dans le but de s'assurer que ledit barreau est effectivement mis sous pression et hermétiquement fermé. COPV