Brevet FR2122534A1 — publié le 19720901

La présente invention concerne un combustible pour réacteur nucléaire et, en particulier,.un faisceau d'éléments combustibles pouvant fonctionner avec une-grande puissance. La réalisation d'un réacteur nucléaire économique est liée à de 5 nombreux facteurs parmi lesquels la combustion massique. Un taux élevé de consommation massique améliore le rendement du réacteur. L'obtention avec sécurité d'une puissance de sortie dans un réacteur est associée aux caractéristiques de combustion massique. Le rendement thermique du réacteur est amélioré en utilisant des températures aussi élevées que 10 possible dans la plus grande partie du coeur, dans la mesure compatible avec des considérations de sécurité. L'invention a pour objet un faisceau d'éléments combustibles comportant des éléments combustibles en forme de barreaux creux à travers lesquels le réfrigérant peut passer. 15 En raison de la commande améliorée des températures maximales dans ces barreaux du faisceau, par comparaison au cas des barreaux pleins habituels, il est possible d'augmenter d'une façon substantielle la densité de puissance dans un réacteur approprié. La commande supérieure de l'écoulement du réfrigérant permet, par la structure d'un faisceau selon l'invention, d'obtenir 20 une circulation du réfrigérant assurant la variation désirée de la réactivité par rapport à la section transversale du faisceau. Une autre caractéristique de l'invention est la possibilité de réduire le nombre d'éléments tubulairérs pour une puissance donnée à la sortie du réacteur, par comparaison avec les faisceaux comportant des éléments 25 combustibles sous la forme de barreaux pleins. Ainsi, par comparaison avec le nombre nécessaire de barreaux combustibles pleins, il suffit du tiers d'éléments combustibles tubulaires pour une puissance nominale similaire. Pour permettre la commande précise nécessaire pour le fonctionnement du réacteur, l'invention a aussi pour objet un dispositif pour commander la 30 circulation du réfrigérant par rapport aux.surfaces individuelles d'un élément et pour commander la distribution de la circulation du réfrigérant par rapport à la section transversale du faisceau. L'invention concerne ainsi un faisceau d'éléments combustibles pour un réacteur nucléaire produisant de l'énergie, réfrigéré par un fluide 35 et comportant un système de circulation d'un fluide réfrigérant pour recevoir un certain nombre de faisceaux pour le passage du fluide réfrigérant circulant à travers le réacteur, le faisceau comportant plusieurs éléments combustibles ■en forme de barreaux constituant un groupe dS.éments espacés symétriquement, 72 01806 2122534 au moins certains des éléments étant tubulaires avec un passage d'écoulement intérieur traversant axialement l'élément et un dispositif limiteur d'écoulement fixé au faisceau pour commander la distribution du fluide réfrigérant par rapport à la section transversale du Msceau pour équilibrer l'écoulement 5 intérieur du fluide réfrigérant circulant à travers les passages intérieurs des barreaux suivant une relation désirée par rapport au réfrigérant circulant contre les surfaces extérieures radialement des éléments en barreaux pour permettre d'obtenir une puissance nominale unitaire élevée. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement 10 de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en .°e référant au dessin annexé sur lequel : - la figure lest une vue par une extrémité d'un faisceau selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; - la figure 2 est une vue latérale d'un cordon de faisceaux 15 assemblés sur une tige pour former un ensemble d'éléments combustibles ; - la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1 ; et - la figure 4 représente partiellement en coupe une extrémité d'u.n élément combustible montrant une plaque de commande d'écoulement supplémentaire d'un autre type, selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. 20 La figure 1 représente une extrémité d'un faisceau 10 comportant 18 éléments combustibles, les éléments tubulaires individuels 12 étant montés entre des plaques de montage 14. La plaque de montage 14 représentée comporte deux anneaux coaxiaux 16, 18 reliés par des éléments d'entretoisement en forme de rayons 20 pour former un croisillon auquel les éléments tubulaires sont 25 fixés par des brasures ou des soudures. Le croisillon comporte des parties en forme de disques d'étranglement 22 dans l'alignement des éléments tubulaires 12 pour régler l'écoulement du réfrigérant à travers les éléments. Il doit être noté que les faisceaux peuvent être asymétriques aux extrémités opposées, avec un croisillon d'entrée 30 et un croisillon de sortie ayant des caractéristiques différentes de commande de l'écoulement. La figure 2 représente un ensemble de fasceaux 10, ces faisceaux étant similaires aux faisceaux 10 de la figure 1, assemblés par une tige 25 pour constituer un ensemble prêt pour l'introduction dans un canal de 35 combustible d'un réacteur. Dans cet ensemble, les faiceaux voisins sont alignés, les éléments tubulaires correspondants étant alignés pour établir la distribution désirée d'écoulement du réfrigérant. 72 01806 212253^ En plus de l'utilisation avec du combustible en oxyde d'uranium naturel, cet ensemble monté sur ur:e tige convient comme élément de renforcement enrichi contenant de l'uranium métallique ou différents alliages d'uranium pour l'introduction sélective unitaire dans un réacteur, suivant 5 les besoins. Ces alliages d'uranium peuvent être choisis dans un groupe d'alliages comportant des éléments parmi lesquels le zirconium, l'aluminium, le silicium et le carbone (sous la forme de carbures ou mélangés avec du graphite). La figure 3 représente une plaque de montage ou croisillon 14 10 d'une épaisseur uniforme. Cependant, il est possible selon l'invention d'utiliser des éléments d'étranglement 22 profilés, de section décroissante, dans l'entrée 27 du tube intérieur 29 pour améliorer les caractéristiques d'écoulement. Suivant le mode de réalisation de la figure 4, un couvercle 15 individuel classique 40 est fixé à chaque extrémité du tube intérieur 29 et du tube extérieur 31 de l'élément combustible, ce couvercle comportant une ouverture calibrée 41 pour limiter le courant de réfrigérant à un débit prédéterminé. Le gradient de flux transversalement à un faisceau d'éléments 20 combustibles augmente avec la distance à partir de l'axe du faisceau. Par suite, le taux de production de chaleur et les besoins en réfrigérant augmentent de façon correspondante. Pour satisfaire à ces conditions, un refroidissement des faisceaux par zones peut être établi conformément à l'invention, le débit de réfrigérant étant commandé proportionnellement à la 25 distance radiale de chaque élément tubulaire dans le faisceau. Cette commande proportionnelle peut être obtenue par réglage des dimensions relatives des canaux d'écoulement pour le réfrigérant, pour chaque élément particulier. Dans le cas de la figure 1, les disques d'étranglement 22 pour le cercle intérieur d'éléments tubulaires peuvent être plus grands que les disques d'étranglement 30 22 pour les éléments tubulaires du cercle extérieur pour assurer des débits gradués de réfrigérant d'une façon générale proportionnelle aux différences de l'intensité de flux dans les faisceaux. Bien que le réglage de l'écoulement du réfrigérant soit représenté et décrit en considérant la commande par étranglement du débit à travers les 35 éléments tubulaires, il doit être noté que le réglage peut être obtenu de façon similaire par réglage des débits à l'extérieur des éléments. De même, bien que le faisceau d'éléments combustibles décrit ci-dessus comporte des plaques de montage ou croisillons 14 pour la fixation 72 01806 212253^ des différents éléments tubulaires 12 en un groupe d'éléments espacés, il doit être compris que d'autres modes de montage peuvent être utilisés, suivant lesquels les caractéristiques de structure de l'élément de la figure 4 peuvent être plus complètement utilisés, indépendamment des pL-aues de montage ou des croisillons. Parmi les procédés possibles pour préparer les barreaux tubulaires formant les éléments combustibles, il est possible d'utiliser une technique de formation suivant laquelle une gaine en zircalloy et la matière active de remplissage sont extrudées simultanément à la forme tubulaire désirée. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 72 01806 2122534 REVEND IC AT ION S 1 - Faisceau d'éléments combustibles pour un réacteur nucléaire pour la production d'énergie,réfrigéré par un fluide, comportant un système réfrigérant à écoulement du fluide recevant un certain nombre de ces faisceaux 5 pour le passage à travers ceux-ci du fluide réfrigérant circulant à travers le réacteur, caractérisé par plusieurs éléments en forme de barreaux formant un groupe symétrique d'éléments espacés, au moins certains de ces éléments étant tubulaires et chacun comportant un passage d'écoulement intérieur traversant axialement le barreau tubulaire et un dispositif d'étranglement 10 fixé au faisceau pour régler la distribution du fluide réfrigérant par rapport aux surfaces intérieures et aux surfaces extérieures des éléments tubulaires pour permettre d'obtenir avec sécurité des puissances nomiriales unitaires élevées. 2 - Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 15 dispositif d'étranglement est combiné pour provoquer des débits différents du réfrigérant à travers les éléments en fonction des positions respectives des éléments dans le faisceau. 3 - Faisceau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dispositifs de restriction de l'écoulement sont positionnés pour restreindre 20 l'écoulement relatif à travers le passage intérieur d'écoulement de chaque élément. 4 - Faisceau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3scaractérisé en ce que les dispositifs de restriction de l'écoulement sont formés par une plaque de montage et d'étranglement située à côté des entrées des passages 25 intérieurs d'écoulement. 5 - Faisceau selon la revendication 1, caractérisé par au moins un élément combustible tubulaire, le dispositif d'étranglement d'écoulement comportant un couvercle à une extrémité de l'élément et ce couvercle comportant une ouverture calibrée. 30 6 - Faisceau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracté risé par plusieurs éléments tubulaires disposés en plusieurs rangées à des distances différentes de l'axe principal du faisceau, les dispositifs de restriction de l'écoulement établissant un étranglement supérieur pour les éléments du groupe le plus voisin de l'axe principal du faisceau.