Brevet FR2121398A1 — publié le 19720825

.La présente invention est relative à un élément de combustible pour réacteur nucléaire, et notamment pour réacteur dit à haute température où l'extraction des calories dégagées par la fission du combustible est réalisée par circulation à fort débit d'un fluide inerte, porté à une température très élevée. Dans les réalisations de ce genre actuellement mises en oeuvre, les éléments de combustible comportent habituellement un gainage interne et un gainage externe en graphite coaxiaux, réunis à leurs extrémités et délimitant un espace annulaire dans lequel est placée la partie combustible proprement dite de l'élément, cette partie étant constituée d'un matériau compact, formé généralement d'une matrice carbonée dans laquelle est disper sée la matière fissile, notamment sous forme d'oxyde ou de carbure. En fonctionnement, les éléments de combustible de ce genre sont le siège de dilatations thermiques différentielles ainsi que de variations dimensionnelles dues à l'irradiation des matériaux qui les constituent.De ce fait, on constate que la partie combustible ou "compact!', entre en contact avec le gainage interne, tandis que le jeu compris entre ce compact et le gainage externe augmente. I1 en résulte plusieurs inconvénients : en premier lieu, la température du compact atteint une valeur plus élevée que lorsque le contact est assuré de manière homogène et continue avec les deux gainages qui l'entourent, le jeu entre le compact et le gainage externe limitant d'autant le transfert des calories vers le fluide de refroidissement. De plus et en conséquence directe de ce jeu, la température et le gradient thermique radial dans le gainage interne sont plus élevés que la température et le gradient thermique radial dans le gainage externe. La présente invention est relative à un élément de combustible pour réacteur nucléaire à haute température, qui pallie ces inconvénients en permettant notamment d'augmenter considérablement ses performances d'utilisation, grâce essentiellement à un meilleur échange thermique global entre le compact et ses deux gainages. A cet effet, l!élément de combustible considéré se caractérise en ce qu'il comporte une partie combustible ou compact de forme générale annulaire, entrourée extérieurement et Wntérieurement par au moins une feuille de feutre ou de tissu de carbone, cette feuille étant rendue solidaire de la partie combustible par du pyrocarbone provenant de la pyrolyse d'hydrocarbures en phase gazeuse. Selon une autre caractéristique, la partie combustible de llélé- ment est formée par un empilage de tronçons annulaires successifs dont le nombre est fonction de la longueur finale de l'élément de combustible. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'empilage des tronçons annulaires est graphité avant d'être entouré par la feuille de feutre ou de tissu de carbone. En outre et selon une autre disposition éventuellement complémentaire, la feuille de feutre ou de tissu de carbone est munie d'ailettes de refroidissement extérieures ou intérieures, augmentant la surface d'échange thermique de l'élément. La réalisation d'un élément de combustible selon l'invention permet notamment d'obtenir à travers l'ensemble de sa structure un matériau sensiblement homogène dans le feutre ou le tissu de carbone constituant les gainages interne et externe et dans la partie combustible ou compact. La feuille présente par elle-meme une faible épaisseur, ce qui limite les gradients thermiques ; en outre, le feutre ou le tissu de carbone qui la constitue joue avantageusement un rôle analogue à celui de fibres, ce qui augmente la résistance de l'élément combustible à la traction d'une manière voisine de ce qui se produit dans les matériaux composites.Le matériau de la feuille et celui qui constitue la matrice carbonée du compact étant en grande partie de même nature, les déformations dues à l'irradiation ainsi que les di:tttions thermiques seront très voisines dans toute la structure de l'élément, ce qui permettra en cours de fonctionnement de conserver le contact mutuel entre ses différentes parties, sans faire apparaître de contraintes mécaniques préjudiciables à la tenue de l'ensemble. Le complément de description qui suit illustre schématiquement un exemple de réalisation d:un élément de combustible selon l'invention, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence à la figure unique du dessin annexé qui illustre une vue en coupe longitudinale de cet élément. Comme on le voit sur cette figure, l'élément de combustible comporte une partie interne, constituée par l'empilage d'une série de tron çons annulaires 1 d'un matériau combustible adapté à un fonctionnement dans un réacteur à haute température, ces tronçons étant généralement constitués par une matrice carbonée dans laquelle est dispersée une matière fissile appropriée, généralement constituée par du carbure ou de l'oxyde d'uranium légèrement enrichi. Ces tronçons annulaires 1 constituant la partie combustible proprement dite de l'élément, appelée généralement !'compact", sont empiles les uns sur les autres sur une longueur qui correspond à celle de l'élément de combustible désiré. Conformément à l'invention, l'empilage des tronçons 1 est entouré extérieurement et intérieurement au moyen d'une feuille 2 de feutre ou de tissu de carbone, d'épaisseur relativement réduite, constituant pour le compact un gainage à la fois interne et externe, Il isolant du fluide de refroidissement circulant au contact de cet élément. Cette feuille 2 une fois mise en place, est soumise à une OpératiOn d'imprégnation par pyrolyse d'hydrocarbures gazeux, effectuée par exemple à une température comprise entre 800 et 12000C. En variante, on pourrait avant d'entourer les tronçons 1 par la feuille 2, graphiter les tronçons. Enfin et selon une autre variante de réalisation possible, la feuille de carbone 2, une fois mise en place, peut être munie d'ailettes de refroidissement radiales ou disposées selon toute autre orientation utile, ces ailettes étant également rendues solidaires de la gaine par le procédé précité. REVENDICATIONS 1O/.Elément de combustible, notamment pour réacteur à haute température, comportant une partie combustible ou compact de forme générale annulaire, entourée extérieurement et intérieurement par un gainage en graphite rendu solidaire de la partie combustible, caractérisé en ce que le gainage est réalisé à partir de feutre ou de tissu carbone. 20/ Elément de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gainage de graphite est rendu solidaire de la partie combustible par du pyrocarbone provenant de la pyrolyse d'hydrocarbures en phase gazeuse. 30/ élément de coenbtistible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie combustible de l'élément est formée par un empilage de tronçons annulaires successifs dont le nombre est fonction de la longueur finale de 1' élément de coebustible.