Brevet FR2205712A1 — publié le 19740531

La présente invention se rapporte à des éléments combustibles combustibles poreux et à des assemblages de ces éléments/destinés a équiper des surrégénérateura nucléaires refroidis au gaz On a déjà décrit de tels assemblages combustibles notamment dans la revue de l'Energie Nucléaire, vol. 14, n 3, de Mai-Juin 1972 .Ils sont de deux types, soit à aiguilles de combus tible, soit à particules enrobées Les assemblages du premier typeensent l'emploi d'acier réfractaire aux possibilités technologiques limitées en température et en resistance mécanique pour la constitution tant de l'enveloppe hexagonale que du gainage des aiguilles combustibles du -coeur et de la couverture supérieure .Ceux du second type font appel à des lits annulaires de particules résistant bien à la température mais ils sont par contre à l'origine d'une circulation aérodynamique compliquée et de pertes de charge prohibitives On connait également un réacteur à eau lourde refroidi au gaz dans lequel le combustible qui est réparti sous forme alvéo laire est constitué d'UO2 dans de la silice mais comme la silice fond trop bas ce réacteur ne peut assurer un échauffement important du gaz caloporteur qui sort du réacteur tout au plus à 600 C et son flux intégré n'est que de 9500 M.W.J. par tonne On a maintenant découvert un moyen de remédier aux inconvénients sus-cités tout en obtenant de meilleurs performances On utilise à cet effet conformément à l'invention un élément combustible qui se présente sous forme de particules élémèn- taires de diamètre compris entre 0,2 à 1 mm, constituées d'oxyde ou de carbure mixte d'uranium et de plutonium dispersé dans une matrice réfractaire métallique ou céramique pour la partie fissile et d'oxyde ou de carbure d'uranium pour la partie fertile, ces parti cules -étant recouvertes de pyrocarbone et liées entre elles par une quantité minimale de composé carboné de manière à constituer une structure monolithique de géométrie désirée Les particules de combustible contiennent de 15 à 30 % en poids d'oxyde de plutonium par rapport à l'oxyde d'uranium .La matrice qui est en molybdène ou en matière céramique choisie parmi la magnésie, le carbure de zirconium, la silice, le carbure de sili Sium et le nitrure de silicium Si3 N4, constitue de 70 à 85 % du volume de chaque bille .Les particules de combustible incorporées au sein d'une matrice en carbone constituent une structure poreuse à laquelle on donne par exemple et.avantageusement une forme en nid d' abeille structure que i 'on L-rorpzie par exemple également dans un assemblage tubulaire à section hexagorale r tel assemblage comprend ia structure de combustible dans sa partie édiae, cette dernière partie se trouvant placée entre une couverture supérieure de matière fertile et une couverture inférieure de matière fertile. Par exemple encore, on peut donner à la structure poreuse une forme de crayon et associer plusieurs crayons à ia façon de fagots, chaque crayon comprenant axialement une fibre de carbone, par exemple tressé, pour assurer une répartition homogène de la chaleur et étant entouré de fils d'espacement e carbone. D'autres caractéristiques et avantages apportés par l'invention apparaîtront encore dans la description de quelques exemples de réalisation donnés cl-après en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente en coupe partielle un assemblage de combustible à section hexagonale suivant la ligne I-I de a Fig. 2, - la figure 2 est une coupe longitudinale diun assemblage, - la figure 3 est une coupe au travers dEun crayon On observe à ia figure 1 une structure en nid d'abeille Le combustible se présente sous forme de particules 1 de 094 mm de diamètre en oxyde de U02 - PuO2, le Pu02 représentant 25 % du poids de l'U02. L'oxyde de UO2 - Fou02 qui constitue la matière fissile, est incorporé dans une structure massive en carbone 2 dont les parois ont une épaisseur a de 3 à 5 mm alors que ia distance b entre deux parois parallèles opposés se faisant face est de 5 à 10 mm. Comme on peut le voir sur la figure 2 une telle structure massive 2 est placée dans la partie centrale 3 d'un assemblage 4. Une couverture supérieure de matière fertile 5 contenant 1,5 g de U02 par cm de matière en carbone a également-une structure hexagonale, elle est placée au-dessus de la partie centrale 3 qui est placée elle-même au-dessus d'une couverture inférieure 6 constituée de plusieurs crayons d'U02 gainés en inox Chacun des hexagones 7 constituant une structure est inséré à l'intérieur d'une paroi hexagonale B qui est en carbure de silicium ou en molybdène ou en nimonic. La distance entre deux faces opposées parallèles de la paroi hexagonale 8 est de 150 mm.Le gaz caloporteur qui est de l'hélium Féeètre er pression à environ 5000C dans chaque assemblage et sort, suivant le sens de la flèche F après avoir léché les parois hexagonales, à environ 500 C. Au droit de la couverture inférieure 6, l'enveloppe du tube est en acier inox ordinaire alors qu'au droit de la couverture supérieure 5 et de la partie centrale 3, elle est en molybdène, en nimonic ou en carbure de silicium. A la figure 3, on observe un crayon 9 dont les particules sont incorporées au sein de la structure massique 2 en carbone. Une fibre tressée en carbone 10 est placée axialement et le crayon est entouré d'un fil d'espacement 11 hélicoldal. On place les crayons à la façon de fagots à la partie centrale d'un- assemblage et comme dans le cas précédent l'hélium sous pression est amené à traverser les fagots longitudinalement et à s'échauffer après avoir léché les parois de la structure massique. REVENDICATT-ONC 1. Elément combustible pour surrégénérateurs à gaz à haute température, caractérisé par le fait qu'il est constitué de particules éie- mentaires de diamètre compris entre 092 et 1 mm constituées d'oxyde ou de carbure mixte d'uranium et de plutonium dispersé dans une matrice réfractaire métallique ou céramique pour la partie fertile et d'oxyde ou de carbure d'uranium pour la partie fertile, ces particules étant recouvertes de pyrocarbone et liées entre elles par une quantité minimale de composé carboné de manière à constituer une structure monolithique de géométrie désirée 2.Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les particules contiennent 1,5 g de U32 - PuO2 par cm de matrice en carbone, le Pu02 représentant 25 % an poids de l'U02. 3. Assemblage en nid d'abeille à base de combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la distance comprise entre deux parois parallèles adjacentes est comprise entre 3 et 5 mm et la distance comprise entre deux parois parallèles d'fun meme alvéole est de l'ordre de 10 mm 4. Assemblage constitué d'un tube de préférence hexagonal comprenant dans sa partie centrale une structure en nid d'abeille selon la revendication 3, placée entre une couverture supérieure constituée d'une structure en nid d'abeille constituée de particules de matière fertile et une couverture inférieure constituée de crayons d'U02 gainé en inox classique 5.Assemblage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que au droit de la couverture supérieure et de la partie centrale, l'en- veloppe du tube est en molybdène, en nimonic ou en carbure de silicium 6. Assemblage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que au droit de la couverture inférieure, l'enveloppe du tube est en acier inox ordinaire 7. Assemblage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la matière fertile est de l'U02 utilisé à raison de t,5 g par 3 cm de matrice en carbone 8. Assemblage de crayons de combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque crayon est équipé axialement d'une fibre de carbone et est entouré d'un fil d'espacement héli cotidal en carbone 9. Assemblage selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les crayons sont disposés en fagots