Brevet FR2153000A1 — publié le 19730427

La présente invention concerne un barrage contre diffusion d'hydrogène pour des barreaux de combustible nucléaire qui renferment dans une gaine en acier inoxydable un mélange de combustible nucléaire et d'un modérateur à base d'hydrure métallique et sont refroidis de préférence par un métal liquide. De tels barreaux de combustible sont par exemple destinés à des réacteurs nucléaires conçus pour alimenter en énergie des astronefs et renfermant dans leur partie centrale des barreaux de combustible dits thermo-ioniques à l'aide desquels l'énergie thermique produite est convertie directement en énergie électrique. Les barreaux de combustible disposés tout autour de cette zone centrale sont dénommés barreaux excitateurs et peuvent être établis selon l'invention. D'autres cas d'application de tels barreaux de combustible sont évidemment envisageables. A l'intérieur de ces barreaux de combustible se trouve non pas un combustible nucléaire pur comme dans les constructions usuelles, mais un mélange de combustible nucléaire et de modérateur, le terme de combustible nucléaire s'appliquant d'ailleurs aussi bien à des matières fissiles qutà des matières fertiles. On utilise de préférence comme modérateur un hydrure métallique, par exemple un hydrure de zirconium ou d'ytrium. Aux températures de fonctionnement élevées de tels barreaux de combustible, lesquelles sont voisines de 6000C, l'hydrure se dissocie notablement, c'est-j-dire qu'il se dégage de l'hydrogène. La perte de cet hydrogène est indésirable, car elle affaiblirait les propriétés modératrices.Une telle perte est possible du fait que l'hydrogène diffuse peu à peu à travers les gaines en acier inoxydable des barreaux, ce qui provoque en outre une élévation inadmissible de la pression partielle de l'hydrogène dans le réfrigérant, constitué par exemple par du sodium. On a déjà songé à établir a l'intérieur de la gaine du barreau, en barrage contre la diffusion de l'hydrogène, une couche d'émail et à empêcher ainsi les pertes d'hydrogène. Un barrage de ce genre peut cependant présenter dans la pratique quelques inconvénients, iotanirp,ent celui d'un manque de résistance aux vibrations à l'état froid, par exemple au départ d'un astronef, le réacteur nucléaire n'étant alors pas encore en fonction. La technique dtob- turation de tels barreaux de combustible nucléaire émaillés intérieurement est en outre douteuse et relativement compliquée. L'invention a par conséquent pour objet un barrage contre la diffusion de l'hydrogène à travers la gaine du barreau de combustible qui, dès le début, donc même à l'étant froid, n'ait pas tendance à se fissurer et qui ne crée pas de difficultés supplémentaires pour l'obturation des barreaux de combustible. Elle se propose en outre de maintenir, ou établir, une bonne conductibilité thermique entre l'amie du barreau de combustible et la gaine afin que les températures intérieures dudit barreau restent aussi basses cluse possible et que l'on n'obtienne pas seulement un faible taux de dissociation de l'hydrure métallique. Ce barrage contre la diffusion de l'hydrogène est caractérisé par le fait que le mélange du combustible nucléaire et du modérateur et la gaine sont séparés par une couche d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium attenante à l'un et à l'autre. De telles couches sont pleinement élastiques même à l'état froid, si bien qu'elles ne risquent absolument pas d'être endommagées par un traitement brutal ou des phénomènes de vibration. Le point de fusion de l'aluminium étant relativement bas, on peut établir cette couche intermédiaire de deux façons différentes eu égard à la température du combustible nucléaire. La première possibilité consiste à laisser fondre ladite couche, ce qui ne fait de tort ni au matériau de la gaine ni au combustible nucléaire.Mais il faut alors ajouter des moyens propres à maintenir un écartement uniforme entre le combustible nucléaire et la gaine et par conséquent une épaisseur relativement uniforme de la couche de barrage. L'autre possibilité réside dans l'utilisation d'un alliage d'aluminium dont le point de fusion soit nettement plus élevé que la température de fonctionnement du combustible nucléaire. I1 n'est alors pas besoin de moyens de maintien d'écartement particuliers entre la charge de combustible nucléaire et la gaine. Un tel alliage, ne fondant qutau-dessus de 6600C, peut renfermer par exemple 2% d'atomes de chrome, 1 à 2% d'atomes de zirconium ou 2% d'atomes de manganèse. Par contre, un alliage d'aluminium P point de fusion inférieur à 6000C renfermera par exemple 25% d'atomes d'étain ou de zinc. La réalisation des barreaux de combustible selon l'in- vention est relativement simple. On introduit tout d'abord dans un tube en aluminium ou en un tel alliage d'aluminium les pastilles de combustible nucléaire, renfermant déjà le modérateur à base d'hydrure métallique, lui aussi de caractère céramique. On met ensuite le tube d'aluminium en contact intime avec cette charge de combustible nucléaire par application de procédés connus en soi, par exemple celui par empreintes annulaires dont traite le brevet allemand prépublié sous le nO 1 614 657. On ferme ensuite par soudage en ses deux extrémités ce "barreau d'aluminium".I1 Il ne reste alors plus qu' enfoncer le tube plein en question dans la gaine proprement dite du barreau de combustible, celle-ci par exemple en acier inoxydable, puis à la comprimer à son tour sur ledit tube et la munir, comme d'habitude, d'obturateurs d'extrémi t4. I1 est en même temps recommandé d'insérer encore dans la gaine une pièce isolante, par exemple en une céramique hautement réfractaire telle que l'A1203, avant d'apposer lesdits obturateurs. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de deux modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une coupe longitudinale de la partie extrême d'un barreau de combustible selon ladite invention; la figure 2 est une coupe transversale d'un tel barreau de combustible doté d'une enveloppe d'aluminium qui présente un point de fusion peu élevé. La charge, ctest-à-dire l'âme, du barreau de combustXble se compose des pastilles de combustible nucléaire 1 renfermant en même temps le modérateur W base hydrure métallique. Cette ame est entourée du tube d'aluminium 5, comprimé sur elle comme on l'a dit. La gaine proprement dite 2, mise en contact thermique intime avec la charge intérieure 1 suivant les procédés précités forme l'enveloppe la plus extérieure. Le barreau de combustible est obturé à ses extrémités par une coiffe ou un disque 3 avec interposition d'une plaquette d'écartement ou d'une pastille isolante 4. A titre indicatif de l'ordre de grandeur des parties précitées, on notera que le barreau de combustible peut avoir un diamètre de 10 b 15 mm pour une épaisseur de paroi de 250fi de la gaine et une épaisseur d'environ 200vu de la couche d'aluminium. Dans le barreau selon la figure 1 on a utilisé un alliage d'aluminium à haut point de fusion, ne perdant par conséquent pas sa résistance propre pendant le fonctionnement du réacteur. Dans le cas de la figure 2, la couche d'aluminium 5 est constituée au contraire par un alliage à point de fusion relativement bas qui passe ainsi à l'état liquide pendant ledit fonctionnement, mais des entretoises 6 réparties à intervalle rdgulier dans le tube d'aloi minium 5 maintiennent l'écartement entre l'amie 1 du barreau f a gaine 2.On réalise par exemple ces entretoises en forant tout d'abord aux emplacements voulus, dans le tube d'aluminium empli de combustible nucléaire, des alésages d'une profondeur voisine de son épaisseur de paroi, puis en comblant ceux-ci par un maté riau céramique. I1 faut avoir soin que ce matériau soit juste à fleur de la surface du tube d'aluminium afin que la gaine 2 ne se bosselle pas aux emplacements correspondants lors de sa fixation par compression. On obtient selon l'invention un barrage contre diffusion d'hydrogène qui, avec une stabilité mécanique presque absolue, notamment aussi à l'état froid, donne satisfaction pour toute la durée de vie des barreaux de combustible. Cette couche de barrage résiste parfaitement aussi aux changements de température, ctest-k- dire que son fonctionnement n'est affecté en rien par des températures de fonctionnement différentes non plus que par des arrêts éventuels du réacteur. Son matériau ne risque pas non plus d'être endommagé par le rayonnement dudit réacteur. La bonne dérivation permanente de la chaleur entre l'amie du combustible et la gaine n'est pas seulement avantageuse pour le dégagement des gaz de fission et ladissociationde l'hydrogène; elle diminue aussi les tensions thermiques à l'intérieur du combustible nucléaire et augmente par conséquent sa stabilité dimensionnelle pendant le fonctionnement du réacteur. La réalisation ne pose enfin aucun problème particulier. Non seulement les pastilles isolantes des extrémités des barreaux de combustible protègent des fortes températures intérieures de ceux-ci, les obturateurs, mais encore elles permettent de souder sans difficulté la gaine à ces derniers sans avoir à redouter quelque action thermique sur la couche d'aluminium. REVENDICATIONS 1. Barrage contre diffusion d'hydrogène pour-des barreaux de combustible de réacteur nucléaire qui renferment dans une gaine en acier inoxydable un mélange de combustible nucléaire et d'un modérateur à base d'hydrure métallique et sont refroidis de préférence par un métal liquide, barrage caractérisé par le fait que le combustible nucléaire et la gaine sont séparés par une couche d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium attenante à l'un et à l'autre. 2. Barrage contre diffusion d'hydrogène selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la couche est constituée par un alliage d'aluminium à point de fusion supérieur à 6600C qui peut renfermer 2 d'atomes de chrome, 1 à 2% d'atomes de zirconium ou 2% d'atomes de manganèse. 3. Barrage contre diffusion d'hydrogène selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la couche est constituée par un alliage d'aluminium à point de fusion inférieur à 6000C qui peut renfermer 25% d'atomes d'étain ou de zinc. 4. Procédé de réalisation d'un barreau de combustible selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'on insère le mélange de combustible nucléaire et de modérateur, c'est-à-dire l'âme du barreau de combustible, se présentant par exemple sous forme de pastilles, dans un tube d'aluminium que l'on comprime ensuite sur lui, puis on enfonce ce barreau dans la gaine proprement dite, que l'on met en contact intime de bonne conduction thermique avec lui par un processus de compression ou rétrécissement. 5. Procédé de réalisation d'un barreau de combustible selon la revendication 3 caractérisé par le fait que l'on insère l'amie du barreau de combustible dans un tube d'aluminium serré ensuite sur lui par compression, on ménage dans cette enveloppe d'aluminium des évidements que l'on comble sans saillie extérieures par des matériaux, par exemple céramiques, on enfonce le barreau plein dans la gaine proprement dite, puis on met celle-ci en contact thermique intime avec ledit barreau par un processus de compression ou de rétrécissement.