Brevet FR2151007A1 — publié le 19730413

La présente invention concerne une cellule convertisseuse thermo-ionique à chauffe nucléaire et dégagement des gaz de fission composée d'une électrode de collecteur et d'une électrode d'émetteur, celle-ci renfermant du combustible nucléaire. De telles cellules permettent une conversion directe d'énergie thermique en énergie électrique. La tension produite n'étant que de l'ordre de 1 volt, il est d'usage de brancher en série électriquement, et mécaniquement aussi, de telles cellules, mais il faut en meme temps porter un soin particulier au dégagement des produits de fission gazeux . La fente du convertisseur, c'est-à-dire la distance entre les électrodes, étant très petite, de l'ordre de 0,1 à 1 mm, il faut absolument éviter des changements des dimensions réciproques du collecteur et, surtout, de l'émetteur. Ce dernier est particulièrement exposé à de tels changements, du fait que le combustible nucléaire qu'il renferme a tendance a se dilater au cours de la combustion par suite de la formation de gaz de fission. L'évacuation de ces gaz de fission a déjà fait l'objet de diverses propositions, notamment de la demande de brevet allemand nO 1 614 419. À ce niveau atteint par la technique, le dégagement des gaz de fission nécessite 'des systèmes de canules compliqués et d'une réalisation difficile. L'invention a pour objet une cellule convertisseuse du type annoncé qui permette de dégager les gaz de fission, et par conséquent de mattriser le gonflement du combustible nucléaire, par des moyens plus simples du point de vue mécanique, donc moins sujets à perturbation. Cette cellule convertisseuse est caractérisée par le fait que la surface intérieure du combustible forme la paroi isotherme d'une cavité au centre de laquelle est placée l'embouchure c8té combustible du canal de dégagement des gaz de fission. Cette embouchure se trouve ainsi à un emplacement qui est au même niveau de température que la surface intérieure isotherme du combustible, ce qui empoche son obturationd Dans les dispositifs précités correspondant au niveau actuel de la technique, l'embouchure du canal de dégagement des gaz de fission est au contraire chauffée individuellement dans le mtme but, par exemple à l'aide de matière fissile disposée séparément. On évite encore plus sarment une obturation à la vapeur de cette embouchure si, selon une extension de l'invention, la paroi de la cavité présente à proximité immédiate de l'embouchure du canal de dégagement des gaz de fission une température accrue, par rapport à l'entourageo par des mesures de construction qui contrarient l'évacuation de la chaleur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par les quatre figures du dessin annexé, dont chacune représente une coupe longitudinale d'une cellule convertisseuse sans faire apparat- tre les dispositifs de branchement en série des cellules, car ils n'intéressent pas l'invention et il en existe de nombreuses variantes connues. Les parties identiques d'un exemple à l'autre sont désignées par les mimes références sur les figures correspondantes. L'électrode d'émetteur 1 est entourée concentriquement par l'électrode de collecteur 2 avec un espace intermédiaire formant la fente de convertisseur 3. Le corps même de l'émetteur est creux et présente un noyau central en deux parties 13, 14. La partie 13 est percée d'un alésage 15 pour le dégagement des gaz de fission et forme avec la partie cylindrique de l'émetteur un ensemble rigide, tandis que l'autre partie 14 est vissée ou soudée sur l'émetteur en son bord 17, Cette partie 14 doit entre amovible pour permettre l'insertion de la charge de combustible nucléaire 4 dans le corps de l'émetteur Ladite charge est constituée par exemple par un corps fritté d'une seule pièce ou encore par un assemblage , non représenté, de pastilles.Une cavité annulaire 42 dont la paroi 41 constitue, lors du fonctionnement, une isotherme de la charge de combustible nucléaire est cependant préformée dans celle-ci. Àu lieu de se rencontrer au centre de la cellule convertisseuse, les deux parties 13 et 14 du noyau central laissent entre elles un petit intervalle par lequel les gaz de fission peuvent pénétrer dans l'embouchure 16 du canal 15 assurant leur dégagement.Les figures illustrent diverses possibilités d'accroissement supplémentaire de la température du combustible nucléaire à proximité de cette ouverture 16 Sur la figure 1, le collecteur 2 présente une dépouille intérieure 21 de laquelle il résulte en cet emplacement une distance un peu plus grande entre les deux élect.todesS et par conséquent une plus mauvaise évacuation de la chaleur de l'émetteur vers le collecteur, d'où en définitive une plus forte température locale du combustible nucléaire. La figure 2 correspond au mtme principe, mais avec une gorge de tournage 11 sur l'électrode d'émetteur, laquelle gorge rend également difficile ou perturbe ltévacua- tion de la chaleur de l'émetteur vers le collecteur. Les figures 3 et 4 représentent la m8me disposition du collecteur ou de l'émetteur, avec remplissage cependant de la dépouille ou de la gorge de tournage par un matériau dont le travail d'extraction diffère de celui de 1'émetteur ou du collecteur, ce qui détermine en cet emplacement un moins bon rendement du convertisseur et par conséquent une diminution locale de l'évacuation de la chaleur à partir de l'émetteur. Une telle modification n'affecte pas l'ensemble de la cellule convertisseuse, car elle ne porte que sur une zone très étroite représentant au plus un dixième de la longueur de ladite cellule. I1 est à noter , à cet égard, que le dessin ne respecte pas les proportions.La baisse de rendement locale du convertisseur s'accompagne, au mtme emplacement, d'une montée de la température de l'émetteur, si bien que l'ouverture de sortie 16 ne risque absolument pas de s'obturer. L'agencement proposé de la cellule convertisseuse avec un noyau central partagé 13, 14 offre le grand avantage supplémentaire de supprimer les forces axiales qui pourraient se former par suite des différences de température entre le noyau et la surface de l'émetteur. La stabilité dimensionnelle de l'ensemble de la cellule ne risque donc pas entre compromise par des tensions thermiques intérieures. La suite du tracé de la canalisation de gaz de fission 15 est fonction, dans chaque cas, des particularités de construction du branchement en série des cellules convertisseuses thermoioniques, aussi n'est-il pas nécessaire de traiter ce sujet. REVENDICÂTI ONS 1. Cellule convertisseuse thermo-ionique à chauffe nucléaire et dégagement des gaz de fission composée d'une électrode de collecteur et d'une électrode d'émetteur qui renferme le combustible nucléaire, cellule caractérisée par le fait que la surface intérieure du combustible forme la paroi isotherme d'une cavité au centre de laquelle est placée l'embouchure côté combustible du canal de dégagement des gaz de fission. 2. Cellule convertisseuse selon la revendication 1 caractérisée par le fait que la paroi de la cavité présente, à proximité immédiate de l'embouchure du canal de dégagement des gaz de fission, une température accrue, par rapport à l'entourage, par des mesures de construction qui contrarient l'évacuation de la chaleur. 30 Cellule convertisseuse selon la revendication 2 caractérisée par le fait que, dans cette zone, la fente du convertisseur, comprise entre l'émetteur et le collecteur, est agrandie par un usinage approprié d'une ou de deux surfaces d'électrode. 4. Cellule convertisseuse selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisée par le fait que, dans cette zone, une des électrodes délimitant la fente du convertisseur est garnie d'un matériau présentant un travail d'extraction tel que l'écoulement radial de la chaleur du convertisseur soit diminué audit emplacement. 5. Cellule convertisseuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée par le fait que l'émetteur, agencé en cylindre creux, renferme le combustible nucléaire dans une chambre entourant en anneau un noyau central dudit émetteur et le canal de dégagement des gaz de fission est formé d'un alésage dudit noyau central, ce dernier étant interrompu transversalement à son axe de symétrie axial, au centre de la cavité isotherme du combustible nucléaire, pour donner naissance à l'embouchure du canal précité.