Brevet FR2308170A1 — publié le 19761112

La présente invention a pour objet un dispositif d'irradiation et de mesure d'éléments combustibles pour réacteurs nucléaires de puissance. On sait que les réacteurs nucléaires d'essais communément appelés piles-piscines sont constitués par une fosse remplie d'eau dans laquelle on trouve essentiellement un coeur en matériau fissile, situé à une profondeur suffisante pour que l'eau en assure la protection biologique. Ces piles par la facilité d'accès à la zone de coeur qu'elles présentent se prêtent particulièrement bien aux expérimentations dans lesquelles on veut soumettre un échantillon à une irradiation sous un flux neutronique donné. On sait que dans ce cas, on introduit dans la région voisine du coeur l'échantillon à tester et que l'on règle le flux neutronique reçu par l'échantillon de telle façon que celui-ci soit dans les conditions expérimentales requises. On sait par ailleurs, que dans un réacteur nucléaire, producteur de puissance, le coeur est constitué par un certain nombre d'assemblages combustibles eux-mêmes constitués par un certain nombre d'éléments combustibles. L'élément combustible comprend par exemple un empilement de pastilles de matériau fissile (par exemple uranium ou oxyde d'uranium) enfermées dans une gaine (par exemple en zircaloy) qui assure - d'une part une première barrière de protection entre le matériau fissile et le réfrigérant, - et d'autre part le confinement des produits de fission se dégageant lors de la réaction en chaîne. On a observé que, en particulier dans les réacteurs à neutrons rapides dans lesquels on accepte une température relativement élevée pour le liquide de refroidissement et donc pour l'ensemble de l'élément combustible, qu'on pouvait avoir une certaine déformation de l'élément et en particulier un certain gonflement de cet élément. On comprend aisément qu'un tel gonflement introduit dans la gaine des contraintes mécaniques qui peuvent entrainer la destruction partielle de l'intégrité de cette enceinte et de plus il diminue la section de passage du fluide réfrigérant. I1 est donc très important d'étudier ces éléments combustibles pour leur donner une structure telle que ce gonflement soit supprimé ou du moins considérablement réduit. I1 est nécessaire d'effectuer ces mesures de diamètre correspondantes lorsque l'élément de combustible est encore sensiblement dans ces conditions d'utilisation. En outre, il est souhaitable si l'on veut faire un test sur un fonctionnement de longue durée sous irradiation de faire de nombreuses mesures successives pour étudier l'évolution de la déformation géométrique de l'élément combustible. Hors, on conçoit aisément qu'il serait très complexe et très long d'extraire pour chaque mesure l'élément combustible du réacteur d'essai pour l'amener dans une enceinte de mesure et pour le réintroduire à sa place dans le réacteur. La présente invention a précisément pour objet un dispositif d'irradiation d'éléments combustibles pour réacteur nucléaire qui permet d'effectuer ces mesures à l'intérieur d'une pile piscine tout en soumettant l'élément combustible à tester aux conditions exactes de fonctionnement qu'il aurait dans un réacteur nucléaire de puissance refroidi par un fluide réfrigérant. Le dispositif d'irradiation et de mesure d'un élément combustible de forme générale cylindrique pour réacteur nucléaire, apte à être introduit dans une pile piscine, se caractérise en ce qu'il comprend une enceinte fermée prolongée à sa partie supérieure par un tube, ladite enceinte et ledit tube étant remplis avec un fluide identique à celui dudit réacteur nucléaire, ladite enceinte étant apte à recevoir ledit élément et ledit tube ayant un diamètre supérieur à celui dudit élément, des moyens pour déplacer de façon à contrôler ledit élément depuis l'enceinte jusqu'à l'extrémité supérieure dudit tube, des moyens pour mesurer le diamètre dudit élément lorsque celui-ci est engagé dans ledit tube, lesdits moyens étant situés entre ladite enceinte et l'extrémité supérieure dudit tube, et des moyens pour maintenir ledit fluide à une température sensiblement égale à celle qu'il aurait dans ledit réacteur. Selon un mode préféré de réalisation, le dispositif comprend des moyens pour faire tourner ledit élément combustible autour de son axe longitudinal. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation du dispositif objet de l'invention. La description se réfère à la figure unique annexée sur laquelle on a représenté en coupe verticale le dispositif. Comme on 'a indiqué précédemment, le dispositif portant la référence générale 1 est placé dans i'eau de la pilepiscine de telle façon que i'élément combustible 2 à tester soit placé dans la région du coeur de ia pile-piscine où l'on a le flux neutronique correspondant aux conditions expérimentales, c'est-à-dire aux conditions de fonctionnement du réacteur dans lequel le combustible doit être utilisé. Le dispositif comprend à sa partie inférieure une enceinte fermée 4, qui se prolonge à sa partie supérieure par un tube 6 se terminant lui-même à son extrémité supérieure par une chambre 8. L'ensemble de cette installation est rempli de sodium liquide ou de tout autre fluide selon les conditions de fonctionnement du réacteur réel. On comprend aisément que, compte tenu de la température de l'eau de ladite piscine et compte tenu de la température de l'élément combustible 2 soumis au rayonnement neutronique, il s'établit dans l'enceinte 4 une certaine circulation de fluide par thermosiphon. L'enceinte 4 est entourée par une virole cyclindrique 9 qui définit ainsi un espace annulaire 11 fermé à ses extrémités supérieures et inférieures. L'espace 11 peut être rempli par un gaz inerte tel que de l'argon, de l'azote, de l'hélium, ou par un mélange de ces gaz qui est ou qui sont introduits par la canalisation 14' Le tube 6 est entouré par une virole cylindrique 10 qui délimite un espace annulaire 11' et qui se prolonge à sa partie supérieure par le carter 12. L'espace 11' et le carter 12 sont également remplis par un gaz inerte introduit par la canalisation 14. Comme on le voit sur la figure, le dispositif comprend un ensemble permettant des déplacements de l'élément combustible 2 selon ia direction verticale. En d'autres termes, ce dispositif permet de faire coulisser à l'intérieur du tube 6 l'élément combustible 2, le tube 6 ayant bien entendu un diamètre suffisant pour permettre le passage de i'élément 2. Ce dispositif comprend tout d'abord une tige verticale 16 l'extrémité Inférieure de laquelle est fixé l'élément combustible 2. Cette tige traverse la paroi supérieure 17 de l'enceinte 8. L'extrémité supérieure de la tige 16 est rendue solidaire en translation du plateau 18 et traverse celui-ci par l'alésage 42. Le plateau 18 est susceptible de se déplacer en translation verticale sous l'action de la tige filetée verticale 20 qui coopère avec le noyau 22 solidaire du plateau 18. Le plateau 18 est guidé par les colonnes 24 et 26 qui coopèrent avec des alésages correspondants 28 et 30 ménagés dans ledit plateau. Les colonnes 24 et 26 sont solidaires à chacune de ieurs extrémités des plaques 32 et 34 qui sont ellesmêmes soudées sur la paroi de l'enceinte 12. La tige filetée 20 traverse le plateau supérieur 4 par l'alésage 36. Cette tige 20 est mise en rotation par le moteur 38. Ce moteur est du type pas à pas et permet des déplacements verticaux par pas de 1/20 de mm. Un dispositif non représenté permet de mesurer les déplacements du plateau 18 sous l'action du moteur 38. En outre, la tige 16 peut être rendue solidaire d'un moteur 40 à axe vertical. Ce moteur est fixé sur le plateau 34 et placé au droit de l'alésage 42 par lequel passe la tige 16. Lorsque ie plateau 18 est en position extrême haute la tige 16 peut être rendue solidaire de l'arbre du moteur 40 grâce à une pièce 41 d'accouplement en rotation fixée à l'extrémité supérieure de la tige 16. Le moteur 40 par ses rotations assure par l'intermédiaire d'un embrayage la rotation autour de son axe vertical de l'élément combustible 2. On peut obtenir un pas de rotation de 150. On a décrit jusqu'ici des moyens pour déplacer l'élément combustible 2. On va maintenant décrire l'ensemble de mesure du diamètre de l'élément combustible. Cet ensemble est constitué par deux palpeurs diamétralement opposés dont l'un 44 est fixe et solidaire de la virole 10 et dont l'autre 46 est mobile. Ces deux palpeurs sont situés de part et d'autre du tube 6. Ils sont logés dans des alésages 48 et 50 ménagés dans l'espace annulaire créé par la virole 10. L'extrémité du palpeur fixe 44 fait légèrement saillie du tube 6. Le palpeur 48 peut se déplacer sous l'action d'une commande pneumatique schématiquement représentée par la canalisation 52 qui agit sur le soufflet déformable 55 dont le palpeur 56 est solidaire. Les déplacements du palpeur 46 sous l'action de la commande pneumatique sont enregistrés par un capteur de déplacement 54 relié au palpeur par la tige 57. Ce capteur peut être avantageusement constitué par un capteur électromagnétique comme on l'a symbolisé sur la figure, par un capteur optique ou par un capteur haute fréquence. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Lors de l'irradiation de l'élément combustible 2, la température du sodium contenu dans l'enceinte 4 est maintenue à une température convenable. Pour cela, on agit sur la pression et sur la composition du gaz inerte contenu dans l'espace annulaire 11, de telle façon qu'on fasse varier la conductibilité thermique, ce qui permet d'amener le sodium dans l'enceinte 4 à la température exacte que celui-ci aurait dans un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium liquide. Ce réglage peut éventuellement être adapté au cours du fonctionnement. Pour effectuer les mesures de gonflement, on va tout d'abord agir sur le moteur 38 pour provoquer la remontée du plateau 18 et donc de la tige 16 et de l'élément combustible 2 de telle façon que l'extrémité supérieure dudit élément soit introduite entre les deux palpeurs respectivement fixe et mobile. Pour éviter les dérives du capteur de déplacement 54, on peut prévoir au-dessus de l'élément combustible 2 et solidaire de la tige 16 un empilement de cylindres 56 dont le diamètre est rigoureusement étalonné. Ils servent ainsi au recalage du capteur de déplacement 54. En outre, on règle la pression du vérin de commande du palpeur mobile pour qu'il exerce sur l'élément combustible la pression souhaitée. Une série de mesures consiste à faire défiler l'élément 2 par pas préaffichés devant les palpeurs et à enregistrer pour chaque position de mesure les indications délivrées par le capteur 54. Après chaque série de mesures on fait tourner l'élément combustible par l'intermédiaire du moteur 40. Pour une même cote, on obtiendra ainsi 12 points de mesure. On constate donc que dans l'exemple précité, on obtient l'enregistrement du diamètre de l'élément combustible pour 12 génératrices différentes de cet élément, espacées de 150. Grâce à ce dispositif, la précision globale atteinte dans la mesure du diamètre est de l'ordre de deux microns. I1 va de soi qu'au lieu d'effectuer des mesures en discontinu, on peut faire des mesures en continu par déplacement continu du plateau 18. On voit donc qu'un tel dispositif correspond bien à tous les critères que doit vérifier le contrôle du gonflement de l'élément combustible. En effet, il n'y a pas lieu d'extraire l'élément combustible de la protection biologique constituée par l'eau de la piscine pour effectuer les mesures. En outre, les mesures sont effectuées dans les conditions de fonctionnement d'un réacteur de puissance refroidi au sodium liquide ou plus généralement par tout autre fluide. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'irradiation et de mesure d'un élément combustible de forme générale cylindrique pour réacteur nucléaire, apte à être introduit dans une pile piscine, caractérisé en ce qu'il comprend, une enceinte fermée prolongée à sa partie supérieure par un tube, ladite enceinte et ledit tube étant remplis avec un fluide identique à celui dudit réacteur nucléaire, ladite enceinte étant apte à recevoir ledit élément et ledit tube ayant un diamètre supérieur à celui dudit élément, des moyens pour déplacer de façon à contrôler ledit élément depuis l'enceinte jusqu'à l'extrémité supérieure dudit tube, des moyens pour mesurer le diamètre dudit élément lorsque celui-ci est engagé dans ledit tube, lesdits moyens étant situés entre ladite enceinte et l'extrémité supérieure dudit tube, et des moyens pour maintenir ledit fluide à une température sensiblement égale à celle qu'il aurait dans ledit réacteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire tourner ledit élément combustible autour de son axe longitudinal. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendi cations 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont constitués par un premier palpeur fixe et par un deuxième palpeur mobile situés de part et d'autre dudit tube et communiquant avec celui-ci, ledit palpeur mobile étant associé à un capteur de déplacement. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour maintenir la température sont constitués par une enceinte étanche entourant ladite enceinte fermée et dans laquelle on peut introduire un gaz inerte. 5. Dispositif selon 'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de déplacement sont constitués par une tige dont l'extrémité inférieure est solidaire dudit élément combustible et disposée selon la longueur audit tube, et dont l'extrémité supérieure est solidaire en translation d'un plateau mobile apte à se déplacer parallèlement a ladite tige, et par un moteur fixe dcnt l'arbre il à la direc tion de ladite tige, comporte des moyens d'embrayage avec l'extrémité supérieure de ladite tige lorsque ledit plateau est en position extrême. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ladite tige comporte des cylindres calibrés pour l'étalonnage dudit capteur de déplacement.