Brevet FR2108836A1 — publié le 19720526

La présente invention concerne les capsules destinées à contenir des objets à irradier dans un flux de neutrons provenant d'une pile. Dans la description qui suit, on se réfère surtout aux piles d'essai de matériau car c'est surtout dans le cas de ce type de pile qu'on effectue des irradiations; mais il est évident que les moyens, produits et dispositifs employés peuvent être utilisés pour tout autre type de piles adéquat sans sortir du cadre de la présente invention. Dans chaque emplacement d'irradiation de pile atomique existe un rapport donné entre les intensités de flux rapide (énergie supérieure à 1 MeV) et de flux thermique. Or, il est souvent nécessaire de modifier le rapport entre le flux de neutrons rapides et le flux de neutrons thermiques que reçoit un objet à irradier placé dans une capsule. Dans ce qui suit,on désignera le flux rapide par r et le flux thermique par Dans l'art antérieur, lorsque l'on veut faire varier la valeur du rapport r/ th, on est amené à déplacer la capsule, par exemple d'un emplacement du coeur du réacteur à un emplacement de la périphérie. Le rapport r/ th varie de façon discrète d'un emplacement à l'autre. Dans de nombreux cas d'expérimentation une variation continue du rapport r/cj>th est de beaucoup préférable. La capsule d'irradiation conforme à la présente invention a pour but essentiel de permettre une telle variation. Dans ce but, l'invention propose une capsule d'irradiation neutronique d'échantillons dans une pile atomique, caractérisé par le fait que l'échantillon est disposé à l'intérieur d'un conteneur interne et d'un conteneur externe entre lesquels peuvent être amenés à volonté un produit absorbant les neutrons thermiques ou un produit transparent aux neutrons thermiques de façon à permettre une variation continue du rapport du flux rapide th auquel est soumis l'échantillon. 70 36643 2 2108836 Suivant un mode de réalisation de l'invention, 1'espace compris entre les conteneurs communique à sa partie inférieure avec un volume occupé par un liquide, constituant l'un des produits, et susceptible d'être diminué pour injecter une partie dudit liquide dans l'espace et refouler l'autre produit à la partie supérieure dudit espace, à un niveau différent de celui de l'échantillon. Le volume variable est avantageusement constitué par un jeu de soufflets occupés par ledit liquide et placés dans un tube de compression muni de moyens permettant d'y injecter un fluide sous une pression réglable. A titre d'exemple, l'échantillon peut être constitué par un élément combustible gainé et le produit absorbant peut être un gaz tel que l'hélium 3 dont la section efficace d'absorption vis-à-vis des neutrons thermiques est relativement élevée, cet effet d'absorption étant par ailleurs d'autant plus important que la pression d'utilisation du gaz est plus élevée: on peut ainsi irradier un élément de combustible gainé pour réacteur à neutrons thermiques sous un flux rapide élevé (avec un rapport 4>r/$th élevé) sans que le combustible dégage une puissance thermique importante. D'autre part, il est également possible,dans le cas où le flux rapide est moindre, de ne faire varier que le flux thermique et par conséquent la puissance dégagée par le combustible expérimental. On obtient dans ce cas une variation continue du rapport $r/$th. Lorsque 1'on veut au contraire diminuer le rapport $r/$th, il suffit de remplacer le produit absorbant par le produit plus transparent aux neutrons thermiques. Ce produit peut notamment être du NaK qui a 1'avantage d'une con-ductivité thermique élevée. Le dispositif suivant l'invention permet également de résoudre le problème qui consiste à rechercher un même niveau de température sur la gaine d'un élément de combustible irradié dans la capsule pour deux régimes de puissance de 1'élément : le remplacement du produit absorbant par un produit transparent permet un tel fonctionnement après optimisation de la capsule d'irradiation. Ceci permet notamment 70 36643 2108836 de fonctionner d'une part à (j>r/ th, mais pour une forte puissance dégagée par le combustible irradié, en utilisant par exemple NaK comme élément transparent, ce qui donne sur la gaine de l'élément combustible une température voisine de T. En d'autres termes, le remplacement de 1'élément absorbant les neutrons 10 thermiques par un élément transparent et meilleur conducteur de la chaleur permet de maintenir constante la température de la gaine de l'échantillon combustible pour les deux régimes de puissance correspondants dudit échantillon. La présente invention s'applique tout particu-15 lièrement, bien que non exclusivement, à l'irradiation de crayons de combustible en oxyde d'uranium U02 gainés en l'alliage à base de zirconium et d'étain connu sous le nom de Zircaloy. On peut notamment irradier ce combustible à deux niveaux de puissance distincts dans un 20 dispositif déplaçable à la périphérie du coeur d'une pile expérimentale. Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques et les avantages de la présente invention on va en décrire un exemple de réalisation étant entendu que 25 celui-ci n'est pas limitatif quant à son mode de mise en oeuvre et aux applications qu'on peut en faire. La figure unique représente en coupe longitudinale, de façon schématique et très simplifëe, un dispositif conforme à 1'invention qui a été expérimenté sur le réacteur 30 OSIRIS de l'organisme demandeur. La partie haute du dispositif est située à gauche sur la figure, la partie basse à droite. L'échantillon, constitué par un crayon 1 d'oxyde d'uranium gainé, est placé axialement dans un premier 35 conteneur 2 en niobium rempli de composé NaK maintenu sous pression à l'aide d'un tube 3 et d'une pastille d'éclatement. L'extrémité supérieure du conteneur 2 est obturée par une tête 5 microbrasée permettant le passage des 70 36643 4 2108836 thermocouples 4 et du tube de petit diamètre 3 de pressurisation. Cette tête 5 peut être constituée en acier inoxydable et être liée au conteneur 2 par l'intermédiaire de deux jonctions successives, une soudure niobium-Zircaloy 5 obtenue par bombardement électronique et un joint classique diffusé Zircaloy-acier inoxydable. L'extrémité inférieure du conteneur est fermée par un bouchon 6 vissé, en niobium, qui peut être soudé par bombardement électronique au moment du remplissage en NaK du conteneur intérieur 2. Un 10 capot de protection 7, soudé comme la tête 5, assure une étanchéité supplémentaire. Autour du conteneur interne 2 est enfilé un second conteneur cylindrique 8 qui sera nommé par la suite "conteneur externe" et qui peut être réalisé également 15 en niobium. Au droit du crayon de combustible 1 est ménagé entre conteneur interne 2 et conteneur externe 8, un jeu dont l'épaisseur est très exagérée sur la figure pour plus de clarté. Ce jeu peut être occupé soit par une lame de gaz absorbant, soit par une lame de NaK, 20 selon que l'on veut travailler à faible ou à forte puissance. Le remplissage est effectué à l'hélium 3 sous pression; deux tubes 9 et 10 de petite dimension relient les extrémités haute et basse du conteneur externe 8 et constituent un thermo-siphon pour le gaz de remplissage. La partie inférieure 25 de l'ensemble sous radiation étant, comme cela sera décrit dans ce qui suit, en acier inoxydable, l'extrémité inférieure du conteneur externe 8 est également terminé par une double jonction effectuée par exemple par soudure par bombardement électronique niobium-Zircaloy puis joint diffusé 30 Zircaloy-acier inoxydable comme pour la partie inférieure du conteneur 2. Les deux tubes thermo-siphons 9 et 10 sont branchés sur la dernière pièce 11. Au-dessus de la partie située au droit du crayon combustible 1 le conteneur externe 8 est prolongé par un 35 tube en acier inoxydable 12 qui sert de réservoir pour l'hélium 3. Ce volume est tapissé intérieurement d'un feuillard de cadmium destiné à protéger le gaz qu'il 70 36643 5 2108836 contient contre les neutrons thermiques. Le passage du niobium du conteneur à l'acier inoxydable de son prolongement supérieur se fait également par 1'intermédiaire d'une double jonction niobium-Zircaloy-acier inoxydable, 5 du même type que les deux précédemment citées ; le prolongement supérieur 12 du conteneur externe 8 est fermé par une tête 14 brasée au nickel-chrome qui permet le passage du tube 3 de pressurisation du conteneur interne 2, du tube de remplissage en hélium 3 et des thermocouples 4 10 fixés sur la gaine de l'élément combustible 1. Le tube de remplissage en hélium 3 est fermé par une minivanne à haute pression, non représentée. Un dispositif à volume variable ést placé immédiatement en-dessous du conteneur externe 8. Il est 15 constitué par une série de soufflets métalliques 15, 16 et 17 mis bout-à-bout. A la partie supérieure, une pièce en acier inoxydable 18 assure une liaison soudée entre le soufflet 15 et la pièce 11 reliée au conteneur externe 8. Après remplissage total en NaK des trois 20 soufflets 15,16 et 17, le volume variable est fermé par un bouchon 19 en acier inoxydable, vissé et soudé par bombardement électronique, puis par un capot 20 doublant l'étanchéité du bouchon précédent. Un tube de butée 21 placé à l'intérieur des 25 soufflets et fixé à l'une des pièces formant bouchons pour les soufflets (au bouchon supérieur 18 dans le cas illustré) permet de limiter la course d'enfoncement des soufflets. L'ensemble des soufflets 15, 16 et 17, du bouchon inférieur 19 et du capot 20 est placé dans un tube de 30 compression 22 en acier inoxydable, soudé au bouchon 18; ce cylindre est rempli lui-même du gaz sous pression destiné à comprimer les soufflets pour chasser à la demande le NaK vers la lame ménagée au droit du crayon combustible entre le conteneur interne 2 et le conteneur externe 8 ; une 35 pièce en acier inoxydable 23 soudée au bas du cylindre 70 36643 6 2108836 de compression ferme celui-ci. La pression de gaz qui règne dans le cylindre 22 et s'exerce sur le capot 20 est réglable depuis l'extérieur par un ou plusieurs tubes de petit diamètre 24. 5 La capsule qui vient d'être décrite peut être montée dans un dispositif de déplacement qui permet de l'introduire dans la masse d'eau d'une pile piscine à proximité du coeur. En fonctionnement, ce dispositif émerge de l'eau et guide et protège les diverses 10 connexions avec l'extérieur (installations électriques et de mesure de température, conduit permettant de modifier la pression dans le tube de compression 22, installation non représentée de détection du niveau de l'eutectique sodium-potassium). 15 La capsule peut être mise en service suivant la séquence suivante: Les soufflets 15, 16 et 17 sont mis en place dans le tube de compression 22 et remplis de NaK. Pour séparer NaK de l'atmosphère ambiante et faciliter les manutentions, 20 la pièce 18 est avantageusement fermée provisoirement par un clapet 25 à ressort maintenu sur son siège par une brasure à bas point de fusion. La partie inférieure ainsi constituée est ensuite reliée à la partie supérieure de la capsule. 25 De l'hélium de composition isotopique normale est ensuite introduit sous pression dans le conteneur interne 2 et rompt la pastille d'éclatement. Le NaK destiné à assurer les transferts thermiques est alors pressurisé. Le tube 3 correspondant est ensuite isolé. La pression d'hélium est 30 par exemple de l'ordre de 96 bars. De l'hélium 3 est ensuite introduit sous une pression légèrement supérieure à la précédente (100 bars par exemple)par le tube de remplissage (non représenté). Une fois le remplissage achevé, la minivanne du tube est 35 isolée, par exemple"en pinçant et en fermant à la torche 70 36643 7 2108836 à souder le queusot de cette mini-vanne. Enfin, de l'hélium normal sous une pression équilibrant celle qui règne dans le conteneur externe 8 est introduit par le tube 24. La soupape 25 peut alors être 5 ouverte en chauffant la capsule depuis l'extérieur à son niveau; cette ouverture ne provoque aucun échange puisque les pressions sont équilibrées. On voit immédiatement apparaître le mode de commande du changement de fluide dans le jeu qui sépare les 10 conteneurs interne 2 et externe 8: on augmente la pression qui règne dans le tube 24 et donc dans le tube de compression 22. La force de pression différentielle qui s'exerce sur le capot 20 comprime les soufflets jusqu'à rétablissement de l'équilibre. Du NaK se trouve refoulé à partir des 15 soufflets 15, 16 et 17 et comprime l'hélium 3 qui se trouve dans le tube 12 en remplissant le jeu au niveau de l'échantillon à irradier. Si l'on diminue la pression dans le tube 24, un déplacement en sens inverse intervient. / 70 36643 s 2108836 REVENDICATIONS 1°) Capsule d'irradiation neutronique d'échantillons dans une pile atomique, caractérisée- par le fait que l'échantillon est disposé à l'intérieur d'un conteneur interne et d'un conteneur externe entre lesquels peuvent être amenés 5 à volonté un produit absorbant les neutrons thermiques ou un produit transparent aux neutrons thermiques de façon à permettre une variation du rapport du flux rapide $r par rapport au flux thermique $th auquel est soumis l'échantillon. 2°) Dispositif selon la revendication 1, 10 caractérisé par des moyens permettant de modifier la pression du produit absorbant pour faire varier de façon continue le rapport du flux rapide §r au flux thermique $th. 3°) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le produit absorbant est de 15 l'hélium 3. 4°) Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que le produit transparent est le composé eutectique NaK. 5°) Dispositif suivant la revendication 1, 20 caractérisé en ce que l'espace compris entre les conteneurs communique à sa partie inférieure avec un volume occupé par un liquide constituant l'un des produits et susceptible d'être diminué pour injecter une partie dudit liquide dans l'espace et refouler l'autre produit à la partie 25 supérieure dudit espace, à un niveau différent de celui de l'échantillon. 6°) Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le volume variable est constitué par un jeu de soufflets occupés par ledit liquide et placés 30 dans un tube de compression muni de moyens permettant d'y injecter un fluide de commande sous une pression réglable. 7°) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le fluide de commande est de l'hélium de composition isotopique normale. 35 8°) Dispositif selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé par le fait que le volume variable est placé à l'intérieur d'un prolongement du conteneur externe. 70 36643 9 2108836 9°) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5, 6, 7 et 8, caractérisé en ce que l'espace est occupé par le matériau absorbant en phase gazeuse et en ce que le volume variable est occupé par 5 le produit transparent. 10°) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que l'échantillon est de forme cylindrique, placé dans un conteneur interne tubulaire lui-même placé dans un 10 conteneur externe tubulaire, l'espace annulaire compris entre les deux conteneurs étant utilisé pour recevoir lesdits produits.