Brevet FR2210804A1 — publié le 19740712

La présente invention est relative à une méthode pour irradier des éléments combustibles destinés à être utilisés dans un réacteur à eau et étudier leur comportement, cette irradiation s'effectuant dans des conditions de température et de pression de l'eau, pratiquement identiques à celles rencontrées dans ltèn- ceinte du réacteur. De préférence, l'irradiation est effectuée dans un. flux de neutrons provenant d'une pile d'expérimentation du type piscine, à l'intérieur-d'une boucle constituant un circuit fermé contenant l'élément à irradier, cette boucle pouvant être déplaçable sur le fond de la piscine pour approcher un de ses cotés contre le coeur de la pile où le flux émis est le plus intense. On connait parfaitement dans l'état de la technique, le rôle et la structure des boucles de piles piscines, comprenant de manière générale un conduit étanche fermé sur lui-même, de contour généralement rectangulaire, disposé dans un plan vertical et comportant dans l'un de ses côtés verticaux des moyens de réception et d'immobilisation d'un élément combustible à irradier. Ce conduit est rempli d'un fluide mis en circulation dans la boucle au moyen d'une soufflante ou d'une pompe montée habituellement dans le côté opposé à celui qui contient l'élément. Dans certaines réalisations plus élaborées, le fluide en circulation, Xen l'occurrence un gaz, subit lors de son passage au voisinage de l'élément combustible un recyclage partiel avec transformation de la pression en vitesse au moyen d'un système à trompe d'éjection, ces dispositions étant notamment décrites dans les demandes de brevets français n0 EN 7028977 et nO EN 7028978 déposées le 6 atout 1970 au nom du demandeur. La présente invention a pour objet un procédé d.'irra- diation et un dispositif spécialement adaptés à des éléments combustibles pour réacteurs à eau sous pression. A cet effet, ce procédé suivant lequel on introduit dans l'eau d'un réacteur, notamment du genre piscine, un récipient étanche contenant un élément à irradier et on réalise dans ce récipient une circulation d'eau autour de l'élément, se caractérise en ce que le récipient non calorifugé est placé à l'intérieur d'une boucle à circulation de gaz dont la paroi concentrique à celle du récipient, est calorifugée extérieurement, la température du gaz introduit dansltespace annulaire autour du récipient étant amenée à une valeur voisine ou légèrement supérieure à celle de l'eau circulant dans le récipient de manière à éliminer les échanges thermiques entre l'eau et le gaz à travers la paroi non calorifugée du récipient. Le procédé de l'invention permet notamment d'éliminer les problèmes posés par la réalisation d'une boucle à eau de type classique du point de vue de son isolation thermique à travers la paroi de cette boucle, entre l'eau qui circule dans celle-ci et l'eau de la piscine située'a l'extérieur de cette même paroi.Ce procédé évite de ce fait les inconvénients des solutions déjà connues, conduisant à-la réalisation de tubes à double paroi séparée par une lame de vide ou comprenant plusieurs enveloppes coaxiales remplies d'eau à des températures intermé diapres décroissantes de l'intérieur vers l'extérieur de la boucle, ces solutions exigeant dans tous les cas, des tubes de grande dimension et de forte épaisseur pour résister aux contraintes thermiques et présentant en outre des difficultés de centrage précis de ces différents tubes les uns dans les autres. Enfin, le procédé, en utilisant une isolation thermique dynamique constitube par la circulation d'un gaz à température appropriée, ramène le problème de l'isolation eau chaude-eau froide à celui de l'isolation gaz chaud-eau froide beaucoup plus facile à résoudre. D'autres caractéristiques du procédé envisagé ainsi que du dispositif permettant sa mise en oeuvre, apparaitront à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel - la Fig. 1 est une vue s-chématique en coupe et en élévation d'une boucle à gaz, notamment pour pile piscine, adaptée, conformement à l'invention, à l'irradiation d'élements combustibles pour-réacteurs à eau légère. - la Fig. 2 est une vue en coupe partielle et à plus grande échelle d'un détail de la Fig. 1. Comme on le voit sur ces figures, la boucle à gaz consi dérée se compose principalement d'un tube de force 1 qui peut être réalisé au moyen d'une enveloppe métall-ique à paroi épa.isse ou de préférence et comme l'illustre plus en détail la Fig. 2, au moyen de deux éléments tubulaires coaxiaux, respectivement la et lb, le tube lb situé à l'intérieur du tube la étant doublé dans sa paroi externe par un enrobage d'isolation lc constitué par une couche de silice maintenue par un feuillard tandis que l'espace annulaire ld délimité entre cet enrobage et le tube la est rempli d'une lame de gaz inerte. Le tube de force 1 est incorporé dans la boucle par deux conduits transversaux, schématisés sur le dessin sous les références 2 et 3, cette boucle comprenant une soufflante 4 de circulation d'un gaz caloporteur sous pression,qui peut être notamment constitué par de l'hélium ou du gaz carbonique. La soufflante 4 refoule le gaz dans un conduit 5 relié à un réchauf- feur 6 muni d'un ensemble 7 de résistances électriques. Le gaz est repris à la sortie du réchauffeur 6 par une conduite 8 qui se raccorde au conduit transversal 3 d'où il revient à la partie inférieure du tube de force 1. Le tube 1 comporte, monté axialement dans ce dernier, un récipient étanche 9 muni d'une tête de support 10 venant reposer contre î'extrémité supérieure dù tub e 1, cette tête comprenant un dispositif de verrouillage 11, à baïonnette par exemple, permettant de solidariser rigidement entre eux le récipient 9 et le tube de force 1.Sous la tête 10, le récipient 9 se prolonge par un tube métallique-12, de préférence en un alliage de zirconium et de niobium, fermé à son extrémité- inférieure par un fond 13, ce tube 12 étant muni à sa partie supérieure d'une collerette 14 venant s'appuyer contre la paroi interne du tube 1 par l'intermédiaire de joints d'étanchéité tels que 14a afin de delimiter entre le tube 12 et le tube de force 1, un espace annulaire 15 dans lequel circule le gaz de la boucle provenant du conduit 3, traversant de bas en haut le tube 1 et sortant de celui-ci par le conduit 2 avant de rejoindre la soufflante 4. La tête 10 du récipient 9 est également munie d'un manchon cylindrique interne 16, coaxial au tube 12, ce manchon étant terminé par une grille d'extrémité 17 sur laquelle vient reposer un élément combustible 18 à essayer sous irradiation, cet élément étant notamment du type de ceux destlnés à être utilisés dans un réacteur nucl.éaire à eau légère. Dans le manchon 16, l'élément 18 est bloqué contre la grillade support 17 par une seconde grille 19, montée à l'opposé de la première et bloquée contre un épaulement 20 prévu dans la paroi interne du manchon 16.A l'ín- térieur de celui-ci et sous la tête 10 du récipient 9, est agencé un dispositif à trompe 21, pouvant en particulier être analogue à ceux décrits et représentés dans les demandes de brevets précitées et comportant une buse axiale d'injection d'eau 22 et un ensemble diffuseur 23 présentant une partie mélangeur cylindrique 24 au droit de l'extrémité de la tubulures22, cette partie cylindrique 24 se prolongeant par une partie évasée conique 25. La buse 22 de la trompe 21 traverse axialement la tête 10 du récipient 9 dans un passage 26 ménagé dans cette dernière, ce passage 26 débouchant au-dessus de la tête 10 dans une cavité 27 fermée par un boîtier 28 bloqué contre la tête 10 par l'intermediaire de vis de fixation 29.Dans la paroi latérale de ce boîtier 28 débouche enfin un conduit 30 pour la sortie de l'eau provenant de l'espace annulaire 31 entre le tube lu et le manchon 16 avec un débit identique à celul de l'arrivée d'eau dans la buse 22. La mise en oeuvre de la boucle à gaz ainsi réalisée se déduit aisément de ce qui précède. Le gaz de la boucle provenant du système de réchauffage 6 circule dans l'espace 15 ménagé entre le tube de force 1 et le tube 12 selon le sens ascendant soùs l'action de la soufflante 4. Simultanément et d'une manière totalement indépendante de la circulation du gaz, on réalise autour de l'élément combustible 18 à l'intérieur du récipient 9, une circulation d'eau légère, introduite-dans ce récipient par l'axe de la buse d'injection 22 et traversant le conduit 24 et son évasement d'extrémité 25 pour venir de haut en bas au contactde l'élément combustible 18.A la partie inférieure du manchon 16, l'eau remonte dans l'espace 31 délimité entre ce manchon et la paroi interne du tube 12 avant de s'évacuer par des lumières 32 prévues à la partie supérieure de ce manchon dans le passage 26 et de sortir du récipient à travers la cavité 27 du boîtier 28 dans le conduit 30. A l'extérieur du récipient, l'eau en circulation peut avantageusement traverser un échangeur de chaleur (non représenté) permettant d'assurer une régulation convenable de sa température. On réalise ainsi autour de l'élément combustible 18 contenu dans le récipient 9 une circulation d'eau totalement indépendante de la circulation du gaz qui s'écoule à l'extérieur de la paroi de ce même récipient. On élimine ainsi le problème du calo rifugeage de la paroi externe du récipient qui ne supporte, dans ces conditions, aucune contrainte thermique, mais seulement un effort différentiel de pression, celle-ci étant généralement de l'ordre de 160 à 180 bars du côté de l'eau à l'intérieur du récipient, et d'environ 60 bars du côté du gaz à l'extérieur.L'utilisation d'une trompe à injection dans le récipient de circulation de l'eau apporte par ailleurs l'avantage de ne nécessiter qu'une puissance de pompage relativement faible sans nécessiter pour autant de réchauffeurs électriques d'appoint. il en résulte que la boucle d'irradiation réalisée présente un prix de revient notablement moins élevé que les boucles classiques et comporte un emploi plus souple, le débit de l'eau notamment pouvant être aisément modifié par simple changement de la buse d'injection dans la trompe ou du diffuseur de cette dernière. Cette boucle permet dès lors une très large gamme d'essais sous irradiation, notamment des essais de cyclage thermique de puissance et en température, de dépassement des conditions nominales de fonctionnement, des études des facteurs susceptibles de limiter les transferts thermiques tels par exemple que le phénomène d'ébullition et des essais de surjeté, de dépressurisation ou de relâchement de produits de fission. On donne ci-après à titre indicatif quelques données relatives à un essai d'irradiation d'un élément combustible particulier - puissance de l'élément combustible, se présentant sous la forme d'une grappe de crayons : 1 500 kW - débit d'eau 75 m3/h - températures de l'eau : - à l'entrée de la boucle :: 300au - à la sortie de " 3190C - Pression 160 bars - Diamètre deKla buse d'injection 5,5 mm - Diamètre du mélangeur 50 mm - Débit dans la buse 95 1/mon - Température de l'eau à l'injection 1600C - Pression à l'injection 180 bars - Vitesse d'injection 67 m/s - Hauteur de refoulement de la pompe de circulation de l'eau à l'entre dans la buse d'injection 235 m - Pression du gaz 60 bars - Température du gaz 320pu - Puissance du réchauffeur 110 kW Bien entendu, il va de soi que l'invention n'est nullement limitée à l'exemple de mise èn oeuvre plus spécialement décrit et représenté ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Notamment, le récipient contenant l'élément essayé pourrait être placé dans la boucle à gaz sans que celle-ci soit nécessairement immergée dans l'eau d'un réacteur du genre piscine, par exemple pour des expérimentations hors pile. REVEND ICAT IONS 10/ Procédé pour l'irradiation des éléments combustibles d'un réacteur à eau, selon lequel on introduit dans l'eau d'un réacteur, notamment du genre piscine, un récipient étanche contenant un élément à irradier et on réalise dans ce récipient une circulation d'eau autour de l'élément,- caractérisé en ce que le récipient non calorifugé est placé à l'intérieur d'une boucle à circulation de gaz dont la paroi concentrique à celle du récipient est calorifugée extérieurement, la température du gaz introduit dans l'espace annulaire autour du récipient étant amenée à une valeur voisine ou légèrement supérieure à celle de l'eau circulant dans le récipient de manière à éliminer les échanges thermiques entre l'eau et le gaz à travers la paroi non calorifugée du récipient, 20/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un récipient étanche contenant un élément à irradier et parcouru par une circulation d'eau au contact de cet élément, ce récipient comportant une paroi 'non- calorifugée, étant placé dans une boucle à circulation de gaz dont la paroi, concentrique à celle du récipient, est calorifugée extérieurement, des moyens montés dans la boucle pour amener la température du gaz dans l'espace annulaire compris entre la paroi extérieure du récipient et la paroi intérieure de la boucle a une valeur voisine ou légèrement supérieure à celle de l'eau dans le récipient. 30/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la circulation d'eau dans le récipient est réalisée par une trompe d'injection.