Brevet FR2236250A1 — publié le 19750131

La présente invention concerne un élément combustible nucléaire céramique et son procédé de fabrication. On a déjà proposé dans la technique nucléaire et notamment pour les réacteurs de la filière eau légère, la réalisation d'un combustible nucleaire sous la forme d'une plaque gainée dans laquel-lele matériau combustible céramique est subdivisé en compartiments isolés les uns des autres par des cloisons réalisées en un matériau métallique, ces cloisons assurant une certaine étanchéité des compartiments combustibles les uns par rapport aux autres. L'utilisation d'une telle structure combustible dans les centrales nucléaires, notamment les centrales a eau ordinaire, améliore considérablement la tenue aux cyclages de puissance du combustible, le comportement de ce combustible en cas d'arrêt de réfrigération, la fiabilité des gaines et les qualités de sûreté de la centrale nucléaire. En effet, cette structure compartimentée améliore les transferts de chaleur entre le noyau combustible et la sainte, grâce aux cloisons isolant les compartiments, qui constituent des trajets d'écoulement de la chaleur de chaque compartiment combustible vers la gaine de l'élément. De ce fait, pour une température de sortie du réfrigérant identique, la température a coeur de ltelément est maintenue a une valeur inférieure nacelle des combustibles non compartimentes. Dans le cas d'un combustible à base d'oxyde d'uranium, gainé de zirconium, le maintien d'une température plus froide améliore la tenue du combustible sous irradiation.Les dilatations différentielles entre le combustible et la gaine étant moins importantes, l'évolution des défauts éventuels est beaucoup plus lente. De même, en cas d'arrêt de réfrigération, la température d'équilibre gaine-oxyde étant bien inférieure, le remouillage par l'eau injectée en secours est facilité et les risques de réaction zirconium-eau sont réduits. D'autre part, lors de la rupture d'une gaine d'élément combustible la quantité de produits de fission libérée dans le réfrigérant est beaucoup plus petite puisqu'elle se limite au contenu d'un seul compartiment de l'élément. Malheureusement, les avantages rappelés ci-dessus et normalement attendus d'une telle technique n'ont pas pu, jusqu'à présent, être pleinement constatés, pour des raisons variees qui tiennent surtout aux imperfections de la technologie employée jusqu'ici. D'une part, les éléments en plaque réalisés jusqu'à ce jour n'ont pu présenter un cloisonnement parfaitement étanche en fonctionnement pour les différents compartiments de combustible, réduisant ainsi considérablement les avantages de cette structure en cas de rupture de gaine. D'autre part, le procédé de fabrication de tels éléments en plaques est relativement délicat. En effet,. une technique connue pour réaliser des plaques combustibles- gainées et compartimentées consiste à inserer entre deux plaques métalliques de gainage, une plaque métallique perforée dont les perforations ont été remplies de combustible nucléaire pulvérulent. La fabrication du noyau combustible proprement dit nécessite donc l'usinage de la plaque métallique pour obtenir les perforations, le remplissage desdites perforations par un combustible nucléaire pulvérulent et le tassage ou la compression de la poudre au degré de densité voulu. Llassemblage-du noyau combustible et des plaques de gainage est effectué-ensuite par soudage, laminage ou compres- sion à chaud. La présente invention a précisément pour objet un nouvel élément combustible céramique en plaque qui offre une sécurité beaucoup plus grande que les structures précédentes en ce qui concerne sa tenue én pile et dont le procédé de fabrication est beaucoup plus simple car il ne nécessite pas d'opérations intermédiaires d'usinage couteuses. En effet, par un seul traitement thermique sous pression, il permet d'assurer le gainage de l'élément combustible et diétablir en même temps une liaison métallurgique parfaite entre les cloisons de chaque compartiment de combustible , en partant d'un noyau combustible constitué par la juxtaposition d'éléments préalablement élaborés. A cet effet, lrélément combustible nucléaire en plaque, objet de l'invention, comporte un noyau à base de matériau combustible céramique enfermé entre deux plaques métalliques de gainage et il se caractérise en ce que le noyau combustible est constitué par la juxtaposition d'une pluralité de plaquettes de matériau combustible céramique revêtues chacune d'une feuille métallique mince, ces plaquettes étant alignées sur plusieurs rangées de façon à occuper la surface totale de la plaque combustible. Selon une variante de l'invention, des réglettes métalliques sont intercalées entre les plaquettes combustibles revêtues de telle sorte que deux plaquettes combustibles voisines soient séparées par tout ou partie d'une réglette métallique. Selon une caractéristique de l'invention, le matériau combustible céramique est le bioxyde d'uranium. Selon une autre c-aractéristique de l'invention,-le matériau combustible céramique est chargé d'un poison consommable. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau de gainage est choisi dans le groupe comprenant l'acier inoxydable, le zirconium et les alliages de zirconium et les réglettes métalliques sont réalisées en un matériau identique. Le procédé--de fabrication d'une plaque combustible nucléaire selon l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation de plaquettes de combustible nucléaire céramique enveloppées dans une feuille métallique mince, la mise en place entre deux plaques métalliques de gainage, d'une couche desdites plaquettes combustibles disposées selon plusieurs rangées à l'interìeur d'un cadre métallique puis le soudage par diffusion de l'ensemble ainsi obtenu sous pression et à haute température. Selon une variante de l'invention lors de l'assemblage des plaquettes, on dispose entre ces plaquettes des réglettes métalliques minces assurant la séparation entre deux plaquettes voisines. Selon une caractéristique du procédé objet de l'invention, le soudage par diffusion est réalisé en maintenant l'ensemble obtenu à une température voisine de 8300C sous une pression de l'ordre de 1000 bars pendant environ 4 heures. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, les plaquettes de combustible nucléaire céramique sont revêtues d'une couche de graphite avant d'être enveloppées dans la feuille métallique mince. Dans une variante de mise en oeuvre, le combustible des plaquettes est avantaaeusement charqe en un poison neutronique consommable pour compenser la chute de ré activité au cours de la vie du rdacteur. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une plaque combustible selon l'invention; - la figure 2 représente une variante de cette plaque combustible, équipée de réglettes; - -la figure 3 représente une plaquette combustible élémentaire. - la figure 4 représente une seconde variante de cette plaque combustible selon l'invention. La plaque combustible illustrée à la figure 1 comprend deux plaques externes de gainage 1 et une couche centrale 2 constituée de plusieurs plaquettes combustibles 3, disposées selon plusieurs rangées et couvrant la surface de la plaque combustible en laissant toutefois des sardes latérales. Ces gardes latérales sont occupées par un cadre métallique 4 qui entoure l'ensemble des plaquettes combustibles 3. Les plaquettes combustibles 3 sont séparées les unes des autres par les feuilles métalliques 5 qui enveloppent chaque plaquette combustible 3 et forment les cloisons isolant les compartiments combustibles. En se référant maintenant à la figure 2 qui illustre une variante d'une plaque combustible selon l'invention, on retrouve les plaques externes de gainage 1, et la couche centrale 2 constituée par les plaquettes combustibles 3 disposées selon plusieurs rangées. Dans cet exemple, des réglettes métalliques 6 sont intercalées entre les plaquettes combustibles voisines et renforcent les cloisons des compartiments combustibles 3. Dans le cas de la Fig. 2, ces réglettes métalliques 6 sont disposées selon un reseau à deux directions perpendiculaires; dans le miode de mise en oeuvre de la Fig. 4, au contraire, toutes les réglettes métalliques 6 sont parallèles et s'étendent sur toute la longueur de la plaque de combustible. On va décrire maintenant le procédé de fabrication d'une plaque combustible telle qu'illustrée à la figure 1, en prenant pour exemple non limitatif le cas d'une plaque de zircaloy contenant un combustible à base d'oxyde d'uranium enrichi. On part de plaquettes de section carrée, d'une épaisseur de 9 à 4 mm constituées d'oxyde d'uranium fritté d'une densité d'environ 10,3. A la sortie du four de frittage, ces plaquettes sont tout d'abord revêtues d'une couche de graphite qui constitue une barrière anti-diffusion pour éviter la réaction zircaloy-UO2, le dépot de cette couche de graphite étant effectué par tout procédé connu tel que, le dépôt de graphite pyrolytique à partir d'une phase gazeuse, les procédés Aquadag etc Ces plaquettes sont ensuite enveloppées dans une feuille de zirconium ductile de 0,05 à 0,1 mm environ d'épaisseur à la manière d'un "caramel". La figure 3 montre la plaquette 10 posée sur la feuille de zirconium 12. En repliant les coins de cette feuille 12, on obtient une plaquette enveloppée à la manière "d'un caramel". On procede alors à l'assemblage de ces plaquettes enveloppées sur une plaque support en zircalloy de 0,40 mm dtepaisseur constituant l'une des gaines 1 de l'élément combustible. On pose les plaquettes 3 les unes à côté des autres en formant des rangées de façon à couvrir la surface de la plaque de gainage à l'exclusion des bords 1 qui sont laissés libres et sur lesquels on dispose les éléments 4 allongés en zircaloy de 4 mm d'épaisseur, destinés à former un cadre entourant les plaquettes combustibles.On recouvre l'ensemble ainsi obtenu par une plaque en zircaloy de 0,40 mm d'épaisseur constituant autre gaine de l'élément combustible et on effectue une soudure sous vide des gaines et du cadre entourant le noyau combustible pour fermer 1 'élément et assurer le maintien des plaquettes à l'intérieur du gainage. La dernière phase du procédé concerne la solidarisa tion de l'ensemble pour assurer les liaisons métallurgiques entre les gaines 1 de l'element, le combustible 3 contenu dans chaque compartiment et les feuilles métalliques 5 délimitant ces compartiments. Cette opération est réalisée par soudure par diffusion en maintenant l'ensemble pendant 4 heures à une température de 8300C en atmosphère gazeuse, par exemple d'hélium, sous une pression de 1000 bars. Le procédé de fabrication de la plaque combustible illustrée en figure 2 est tout à fait similaire. On part de plaquettes combustibles revêtues, puis enveloppées dans une feuille de zirconium ductile à la façon d'un "caramel". On procède ensuite à-l'assemblage de ces plaquettes enveloppées sur une des plaques support 1 en zircaloy constituant les gaines de l'élément combustible, en intercalant entre les plaquettes combustibles des réglettes métalliques 6 de même épaisseur que les plaquettes pour renforcer les cloisons des compartiments combustibles. Les réglettes métalliques sont de deux types. Elles ont toutes la même largeur et la même épaisseur, mais se différencient par leur longueur. Le premier type est d'une longueur égale au côté d'une plaquette combustible dans le cas de plaquettes combustibles de section carrée. Le deuxième type est d'une longueur égale à la longueur totale de la plaque combustible.On constitue la première rangée de plaquettes combustibles sur la plaque support en zircaloy en posant alternativement une plaquette combustible 3 puis une réglette 6 en zircaloy du premier type. Lorsque cette rangée est terminée, on dispose, le long de cette rangée, une réglette en zircaloy 6 du deuxième type, puis on constitue la seconde rangée de la même façon que la première et on poursuit les opérations de manière à couvrir la surface de la plaque de gainage. On recouvre l'ensemble avec la seconde plaque de gainage puis on assure la fermeture de la plaque de combustible et la solidarisation de l'ensemble comme précédemment. I1 est bien évident, que cet exemple d'assemblage des plaquettes combustibles et des. réglettes métalliques n'est pas du tout limitatif et que d'autres types d'assemblages peuvent être utilisés en restant dans le cadre de la présente invention Notamment, les plaquettes combustibles peuvent être de n'importe quelle forme géométrique du moment que leur juxtaposition conduise à constituer une surface -combustible dépourvue de vides. De même, les réglettes métalliques peuvent être de modèles différents. Ainsi, on peut concevoir, également pour la réalisation d'une plaque rectangulaire deux autres séries de réglettes, la première série étant de la longueur de la plaque et la deuxième série de la largeur de cette plaque. Dans ce cas, les réglettes de l'une des séries sont pourvues d'encoches à chaque point d'intersection avec les réglettes de l'autre serie de manière à assurer l'assemblage des deux séries de réglettes et constituer les compartiments combustibles. REVENDICATIONS 1. Elément combustible nucléaire-en plaque comportant un noyau à base de matériau combustible céramique enfermé entre deux plaques métalliques de gainage, caractérisé en ce que le noyau combustible est constitué par la juxtaposition- d'une pluralité de plaquettes de matériau combustible céramique revêtues chacune d'une feuille métallique mince, ces plaquettes étant alignées sur plusieurs rangées de façon à occuper la surface totale de la plaque combustible. 2. Elément combustible nucléaire selon la revendication 1, dans lequel des réglettes métalliques sont intercalées entre les plaquettes combustibles revêtues de telle sorte que deux plaquettes combustibles voisines soient séparées par tout ou partie d-'une réglette métallique. 3. Elément combustible nucléaire selon la revendication 1, dans lequel deux rangées voisines quelconques de plaquettes combustibles revêtues sont séparées par une réglette métallique s'étendant sur toute la longueur de l'élément. 4. Elément combustible nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau combustible céramique est le bioxyde d'uranium. 5. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,.dans lequel le matériau combustible céramique est chargé d'un poison consommable. 6. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le matériau de gainage est choisi dans le- groupe comprenant l'acier inoxydable, le zirconium et les alliages de zirconium. 7. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel les réglettes métalliques sont réalisées en un matériau identique à celui de la gaine de l'élément. 8. ProCédé de fabrication d'un élément combustible nucléaire tel que défini dans la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation de plaquettes de combustible nucléaire céramique enveloppées dans une feuille métallique mince, la mise en place entre deux plaques métalliques de gainage d'une couche desdites plaquettes combustibles disposées selon plusieurs rangées à l'intérieur d'un cadre métallique puis le soudage par diffusion de l'ensemble ainsi obtenu sous pression et à haute température. 9. Procédé de fabrication d'un élément combustible nucléaire selon la revendication 8, dans lequel, lors de l'assemblage, on dispose entre les plaquettes combustibles des réglettes métalliques minces assurant la séparation entre deux plaquettes voisines. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel le soudage par diffusion est réalisé maintenant l'ensemble obtenu à une température voisine de 8300C sous une pression de l'ordre de 1000 bars pendant environ 4 heures. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel les plaquettes de combustible nucléaire céramique sont revêtues d'une couche de graphite avant d'être enveloppées dans la feuille métallique mince.