Brevet FR2264365A1 — publié le 19751010

La présente invention s'applique à un élément de combustible nucléaire destiné à un réacteur nucléaire, et plus particulièrement à un élément comprenant une couche à faible cisaillement (ou lubrifiant) contribuant à prévenir une rupture du type à déformation permanente pratiquement nulle de I'envelopp de l'élément. Lors de l'utilisation de barres de combustibles dans les dif férents types de réacteurs nucléaires, le type de gaine, le mode normal de fonctionnement et les caractéristiques spécifiques du combustible influent chacun à leur façon sur les conditions auxquelles le combustible est soumis. Pour le fonctionnement des réacteurs à eau bouillante utilisant des barres combustibles pourvues d'enveloppes suffisamment rigides, gardant d'elles-mêmes leur forme, du type décrit dans le brevet des Etats-Unis nO 3.119.747, on recommande l'utilisation d'une couche de lubrifiant à l'intérieur de l'enveloppe pour éviter la "formation d'irrégularités". Un corps de combustible de type antérieur d'une longueur de l'ordre de 36 cm environ, comporte une ex trémité d'environ 5 cm de longueur qui va en se rétrécissant, au niveau de laquelle il y a un lubrifiant destiné à empêcher des dilatations successives cumulatives du tube ou de l'enveloppe qui entrainent finalement la rupture par suite d'une déchirure se propageant le long de la circonférence.Cette rupture est due au déplacement longitudinal dans l'enveloppe d'une des extrémités du corps de combustible chaque fois que le réacteur est mis en marche et que la dilatation longitudinale du combustible est supérieure à celle de l'enveloppe. On a prévu un espace libre à une extrémité pour permettre la dilatation axiale du combustible, mais à à-cause de l'interaction entre le combustible et l'enveloppe, il se produit des phénomènes de grippage à certains endroits et ceci entraîne une dilatation axiale de l'enveloppe, telle que parfois celle-ci ne peut plus conserver sa forme sous la pression extérieure du réfrigérant. Ceci peut entraîner la rupture de l'enveloppe du combustible par formation au voisinage de l'extrémité du combustible de craquelures ou de déchirures qui se propagent le long de la circonférence. La présente invention concerne un type de rupture d'enveloppe très différent, qui peut se présenter comme une rupture se propageant dans le sens axial et qu'on peut rencontrer dans les barres de ccanbus- tible-des réacteurs de type CANDU. Dans ce type de réacteur, on utilise habituellement des éléments de combustible à parois minces dont les enveloppes sont localement souples et ne gardent pas d'ellesmêmes leur forme ; elles renferment le combustible généralement constitué par des pastilles courtes d'une longueur de l'ordre d'environ 2,5 cm.Dans des conditions de dilatation thermique, la dilatation périphérique des pastilles par rapport à l'enveloppe se localise à certains endroits, ce qui fait que la dilatation de l'enveloppe ne peut se faire uniformément sur toute la périphérie de la pastille de combustible, et on a constaté que la dilatation périphérique de l'enveloppe nécessaire pour supporter l'augmentation du volume de la pastille se fait sur une longueur très réduite de la périphérie de l'enveloppe. Ceci peut entraîner une rupture de l'enveloppe due à la traction, causant par la suite des déchirures ou des phénomènes semblables se propageant dans la direction axiale de l'enveloppe. A cause de la tendance des pastilles de combustible à perdre leur forme cylindrique par "renflement des extrémités", les enveloppes à parois minces localement souples tendent à envelopper de très près les pastilles à extrémités renflées, ce qui contribue de façon importante à empêcher une dilatation axiale différentielle entre la pastille et l'enveloppe. De même, la prévision d'une liberté de dilatation axiale distincte pour chaque pastille, par indentation des extrémités des pastilles, tend à empêcher cette dilatation axiale différentielle entre les pastilles et la gaine. La présente invention permet d'obtenir un interface à faible cisaillement à l'intérieur de la barre de combustible pour empêcher ou réduire de façon importante l'apparition de ruptures causées par la dilatation différentielle se concentrant dans le sens périphérique. La présente invention permet d'utiliser un élément de combustible allongé et mince, de forme cylindrique, pourvu d'une enveloppe métallique localement souple renfermant une certaine quantité de pastilles de combustible nucléaire disposées l'une à la suite de l'autre avec très peu de jeu entre elles et dont quelques-unes au moins ont une extrémité prévue pour absorber une certaine dilatation longitudinale afin d'empêcher dans une grande mesure la dilatation axiale différentielle entre la pastille et l'enveloppe au cours du fonctionnement.Ces pastilles ont aussi une couche à faible cisaillement placée entre les pastilles et l'enveloppe, à l'interface des surfaces périphériques, pour faciliter la répartition des tensions dans l'enveloppe, afin de réduire la possibilité de ruptures se propageant dans le sens de la longueur de l'enveloppe, dues à la concentration des contraintes causées par la dilatation périphérique de l'enveloppe. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent Figure 1, un élément de combustible de conception antérieure ; Figure 2, une coupe faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1, Figure 3, une coupe transversale faite suivant la ligne 3-3 sur la figure 1, qui montre un premier type de rupture de l'enveloppe Figure 4, une vue semblable à la figure 3, et montrant un deuxiene type de rupture de l'enveloppe , Figure 5, une coupe transversale d'un élément combustible conçu selon la présente invention. Dans la figure 1, l'élément combustible 10 est pourvu d'une enveloppeextérieure cylindrique 12, généralement constitué d'un alliage mince de zirconium, connu sous la marque de commerce "Zircaloy", dont l'épaisseur est telle qu'elle se déforme- par interaction avec les pastilles 14 de combustible. La figure 2 montre, en exagérant la déformation, comment, dans les conditions de fonctionnement du réacteur, les pastilles 14 ont tendance à perdre leur forme cylindrique originale pour prendre la forme " extrémités renflées" alors que l'enveloppe 12 se déforme également pour épouser leurs contours. On suppose qu'on applique par l'intermédiaire des réfrigérants des pressions de l'ordre 2 de 105 kg/cm à l'extérieur de l'enveloppe des éléments de ccmbustible. La figure 3 montre un type de rupture de l'élément de combustible qui survient habituellement à l'endroit S d'une fracture de la pastille et qui entraîne la rupture à l'endroit F de l'enveloppe 12, sans qu'il en résulte de changement important dans l'aire de la section transversale de l'enveloppe 12. Pour ce qu'il est du type de rupture que montre la figure 4, il y a réduction de section à l'endroit de rupture F1, ce qui entraîne une réduction de l'aire de la section transversale de l'enveloppe 12 à l'endroit de rupture. La figure 5 montre une coupe transversale d'un élément de combustible conçu selon la présente invention, pourvu d'une couche 16 pour la répartition des tensions, placée entre l'enveloppe 12 et la pastille 14. La couche 16 est constituée par des matériaux choisis dans le groupe comprenant du siloxane, du silicium et du graphite et caractérisé par une importante inertie dans les conditions d'irradiation qui caractérisent le réacteur, de même que par la stabilité des caractéristiques de répartition des fortes tensions aux températures de fonctionnement du réacteur, et par une faible résistance au cisaillement, tout en étant facile à appliquer à l'intérieur de l'enveloppe 12 ou à la surface des pastilles de combustible 14, à sec ou sous forme d'un liquide ou d'une émulsion qu'on sèche ensuite. REVENDICATIONS 1 - Elément de combustible nucléaire mince et allongé destiné à un réacteur nucléaire, de forme cylindrique, pourvu d'une enveloppe métallique localement flexible, renfermant une certaine quantité ae pastilles de combustible nucléaire disposées l'une à la suite de l'autre avec très peu de jeu entre elles, caractérisé en ce que la majorité des pastilles sont pourvues d'un creux à leurs extrémités, de façon à absorber la dilatation axiale , ce qui leur permet de s'adapter au cours du fonctionnement à toute dilatation isolée et empêcher dans une mesure importante la dilatation axiale différen- tielle entre pastille et enveloppe, et en ce qu'on place une couche à faible cisaillement entre les pastilles et l'enveloppe, pour faciliter la répartition des contraintes dans l'enveloppe, afin de réduire la possibilité de ruptures se propageant dans le sens de la longueur de l'enveloppe, dues à la concentration des contraintes causées par la dilatation périphérique. 2 - Elément de combustible selon la revendication 1, carac térisé en ce que la couche à faible cisaillement est choisie parmi un groupe de matériaux constitué du graphite, du siloxane et du silicium. 3 - Elément combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enveloppe est constituée d'un matériau de gainage souple dont 11 épaisseur est insuffisante pour résister aux pressions auxquelles elle est soumise au cours de son utilisation dans un réacteur donné.