Brevet FR2376498A1 — publié le 19780728

La présente invention concerne les réacteurs nucléaires à neutrons rapides et peut être utilisée pour perfectionner la construction des paquets ou assemblages combustibles dont est composée la zone active (coeur) d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Un paquet combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides de conception connue (notamment : BN-350 (U.R.S.S.), Phenix (France), PFR (Grande-Bretagne) ) comporte une enveloppe qui se termine à une extrémité par une tête, et à l'autre extrémité, par une queue dans laquelle sont logées des cartouches de combustible comportant des zones remplies de matériaux fissiles et de matières fertiles ainsi que des cavités à gaz destinées à recueillir les produits de fission gazeux. Toutes les cavités à gaz sont disposées à l'intérieur de l'enveloppe du paquet, soit en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur), soit en aval desdites zones remplies de matériaux fissiles et de matières fertiles.Dans un paquet de cette conception, la différence entre la pression du caloporteur qui s'écoule à l'intérieur du paquet et celle du caloporteur qui se trouve dans l'espace entre les paquets de la zone active du réacteur est supportée par l'enveloppe. Dans un tel paquet de barreaux de combustible, la pression dans l'espace entre les paquets est égale à la pression du caloporteur à la sortie du paquet, autrement dit, elle est fonction directe de la perte de charge hydraulique dans le paquet. Les contraintes mécaniques qui naissent dans le matériau de l'enveloppe nécessitent en outre l'emploi d'une enveloppe de grande épaisseur.Cela signifie que la fraction volumique constituée par les matériaux de construction dans la zone active du réacteur reste importante, ce qui se répercute d'une façon extrêmement défavorable sur le bilan neutronique dans ladite zone active et, en définitive, détériore les caractéristiques du réacteur nucléaire à neutrons rapides au point de vue de la reproduction du combustible nucléaire. La diminution de la fraction volumique représentée par les parois des enveloppes de paquets dans la zone active et, par conséquent, l'ame- lioration de la reproduction dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides constitue un problème important. On résout en partie ce problème en réduisant les pertes de charge hydrauliques dans le paquet et, par conséquent, la chute de la pression du caloporteur dans ledit paquet A cet effet, on partage en deux groupes les cavités à gaz destinées à recueillir les produits de fission gazeux des cartouches à combustible du paquet : un groupe central constitué par les cavités à gaz situées à proximité immédiate de l'axe longitudinal du paquet, et un groupe périphérique. Les cavités à gaz de groupes différents sont disposées respectivement aux extrémités mutuellement opposées du paquet, le long de son axe.Par exemple, les cavités à gaz du groupe central se trouvent du coté de l'arrivée du caloporteur dans le paquet, alors que les cavités à gaz du groupe périphérique se trouvent du côté de la sortie du caloporteur du paquet (voir notamment le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.505.170, classe 176-78). Toutefois, dans une telle conception du paquet, la chute de pression du caloporteur et, par conséquent, l'épaisseur de l'enveloppe du paquet restent assez importantes. En outre, une telle conception du paquet conduit à une augmentation considérable de sa longueur totale(d'une valeur correspondant à la longueur d'une cavité à gaz), ce qui complique sa fabrication, entraine une augmentation de l'encombrement du réacteur et complique en outre la manipulation des paquets On s'est donc proposé de créer un paquet combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides, qui se distinguerait par une réduction considérable de la hauteur totale duASaquet sans réduction de la longueur des cartouches à combustible qui en font partie. Ce problème est résolu du fait que, dans un paquet combustible du réacteur nucléaire à neutrons rapides, du type comportant une enveloppe se terminant à une extrémité, par une tête, et à son autre extrémité, par une queue, et dans laquelle sont logées des cartouches de combustible comportant des zones remplies de matériau fissile et de matières fertiles et des cavités à gaz destinées à recueillir les produits de fission gazeux et partagées en un groupe central et en un groupe périphérique, dont au moins l'un est disposé en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur) desdites zones garnies de matériau fissile et de matières fertiles, suivant l'invention les cavités à gaz disposées en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur) desdites zones garnies de matériau fissile et de matières fertiles, sont placées dans la queue de l'enveloppe du paquet. I1 est avantageux de faire en sorte que, dans le paquet combustible du réacteur nucléaire à neutrons rapides, pour augmenter le nombre de cavités à gaz situées dans la queue de l'enveloppe du paquet, lesdites cavités à gaz soient disposées à une plus faible distance les unes des autres que les zones correspondantes des cartouches de combustible, garnies de matériau fissile et de matières fertiles. I1 est également avantageux que dans le paquet combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides, le nombre de cavités à gaz logées dans la queue de l'enveloppe du paquet soit égal à 25 à 100 % du nombre total de cartouches de combustible. Une telle réalisation du paquet combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides, suivant l'invention, permet de réduire la pression nominale pour laquelle est calculée la paroi de l'enveloppe du paquet à la vitesse limite du caloporteur, ce qui entrain une réduction de la fraction volumique représentée par les parois de l'enveloppe du paquet. Une telle réduction de la fraction volumique des matériaux de construction dans la zone active du réacteur nucléaire à neutrons rapides permet d'augmenter le gain de reproduction de combustible nucléaire et de réduire le temps de doublement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description, qui va suivre, de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un paquet combustible de réac teur nucléaire à neutrons rapides, suivant l'invention (vue en coupe longitudinale) - la figure 2 représente une variante de réalisation du paquet combustible suivant l'invention (vue en coupe longitudinale) ; - la figure 3 représente encore une variante de réalisa tion du paquet combustible suivant l'invention (vue en coupe longitudinale) - la figure 4 représente encore une autre variante de réa lisation du paquet combustible suivant l'invention (vue en coupe longitudinale). Le paquet (assemblage) combustible d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides suivant l'invention comprend une enveloppe 1 (figures 1, 2, 3, 4) qui se termine à l'une de ses extrémités par une tête 2, et à son autre extrémité, par une queue 3. Dans l'enveloppe 1 sont logées des cartouches de combustible 4 comprenant des zones 5 garnies de matériau fissile et le matières fertiles 6, et des cavités à gaz 7 destinées à recueillir les produits de fission gazeux. Les cavités à gaz 7 sont divisées en un groupe central 8 disposé à proximité immédiate de l'axe longitudinal du paquet et en un groupe périphérique 9, dont au moins l'un est disposé en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur arrivant dans l'enveloppe 1 par les orifices d'entrée 10 ménagés dans la queue 3) des zones 5 (garnies de matériau fissile et de matières fertiles 6) des cartouches de combustible 4. Le caloporteur sort de l'enveloppe 1 par des orifices de sortie 11 ménagés dans la tête 2. Celles des cavités à gaz 7 qui sont disposées en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur) des zones 5 des cartouches de combustible 4, (c'est-à-dire des zones garnies de ma tériau fissile et de matières fertiles 6) sont logées dans la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet. Une telle exécution du paquet suivant l'invention permet de réduire de 20-30 % la longueur totale du paquet et la perte de charge du caloporteur dans le paquet. Il s'ensuit que la f-raction volumique des matériaux de construction dans le noyau actif du réacteur nucléaire à neutrons rapides est sensiblement réduite. Le nombre de cavités à gaz 7 logées dans la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet est égal à 25 à 100 s du nombre total de cartouches de combustible 4. Lorsque la section transversale intérieure de la queue est environ égale à 4/10 de la section transversale intérieure du paquet, il est avantageux de loger à l'inte- rieur de la queue un nombre de cavités à gaz égal à environ 25 % du nombre total de cartouches de combustible. Du fait que les ca vités à gaz se trouvant dans la queue sont disposées à une plus faible distance l'une par rapport à l'autre que les zones correspondantes des cartouches de combustible (zones garnies de matériau fissile et de matières fertiles), le nombre de cavités à gaz logées dans la queue peut être augmenté jusqu'à constituer 50 à 60 % du nombre total de cartouches de combustibles.En augmentant additionnellement la section transversale intérieure de la queue jusqu'à une valeur égale à 7/10 de la section transversale intérieure du paquet, on peut loger dans la queue 100 % de cavités à gaz. Les figures 1, 2, 3, 4 représentent divers modes de réalisation du paquet combustible du réacteur nucléaire à neutrons rapides suivant l'invention, dans lesquels la queue de l'enveloppe du paquet renferme soit le groupe périphérique des cavités à gaz, soit le groupe central, soit les deux à la fois. C'est ainsi que la figure 1 représente un paquet combustible suivant l'invention, dans lequel la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet contient le groupe périphérique 9 de cavités à gaz 7, disposé en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur) des zones 5 (garnies de matériau fissile et de matières fertiles 6) des cartouches de combustible 4. Dans ce mode de réalisation, le groupe central 8 de cavités à gaz 7 est disposé en aval des zones 5 des cartouches de combustible 4 (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur dans l'enveloppe 1 du paquet). Les cavités à gaz 7 logées dans la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet sont disposées à une plus courte distance l'une par rapport à l'autre que les zones 5 correspondantes des cartouches de combustible 4, en formant ainsi un faisceau dense de cavités à gaz 7. Les incurvations des cavités à gaz 7, pour la formation d'un faisceau dense, sont réalisées dans les zones 12 des cavités à gaz 7, ayant de plus petits diamètres que les diamètres des zones 5 correspondantes des cartouches de combustible 4. La présence des zones 12 permet de simplifier l'opération de formation d'un faisceau dense et d'améliorer la distribution du caloporteur aux abords des zones 5 des cartouches de combustible 4. La formation d'un faisceau dense de cavités à gaz 7 disposées dans la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet permet d'augmenter le nombre de cavités à gaz 7 logées dans la queue 3. Les zones 5 des cartouches de combustible 4 sont fixées dans l'enveloppe 1 du paquet au moyen de grilles entretoises et de rétention 13. Les cavités à gaz 7 logées dans la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet sont immobilisées au moyen de la grille de rétention 14, alors que les cavités à gaz 7 disposêes en aval (suivant le sens d'écoulement du caloporteur) des zones 5 des cartouches de combustible 4 sont immobilisées au moyen de la grille de rétention 15. On peut utiliser avec succès un paquet combustible conforme à l'invention dans lequel la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet contient le groupe central 8 (figure 2) de cavités à gaz 7 destinées à recueillir les produits de fission gazeux, disposé en amont (suivant le sens d'écoulement du caloporteur) des zones 5 (garnies de matériau fissile et de matières fertiles 6) des cartouches de combustible 4, tandis que le groupe périphérique 9 de cavités à gaz 7 destinées à recueillir les produits de fission gazeux est disposé en aval (suivant le sens d'écoulement du caloporteur) des zones 5 des cartouches de combustible 4 dans l'enveloppe 1. Le nombre de cavités à gaz 7 logées dans la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet est égal à 25 % du nombre total de cartouches de combustible 4. La variante de réalisation du paquet combustible suivant l'invention, représentée sur la figure 3, est analogue au mode de réalisation du paquet combustible représenté sur la figure 2, à la seule différence du nombre de cavités à gaz 7 logées dans la queue 3 de l'enveloppe 1, ce-nombre étant égal à environ 50 % du nombre total de cartouches de combustible 4 Lesdites cavités à gaz 7 sont réunies en un faisceau dense. La variante de réalisation la plus efficace du paquet combustible suivant l'invention est celle dans laquelle la queue 3 (figure 4) de l'enveloppe 1 du paquet contient aussi bien le groupe central 8 que le groupe périphérique 9 de cavités à gaz 7, ces groupes étant disposés en amont (suivant le sens de la marche du caloporteur) des zones 5 (garnies de matériau fissile et de matières fertiles 6) des cartouches de combustible 4. Le nombre total desdites cavités à gaz 7 est égal à 100 % du nombre total de cartouches de combustible 4. Ces cavités à gaz 7 sont réunies en un faisceau dense. Dans le cas ou, dans la queue de l'enveloppe du paquet, sont disposées les cavités à gaz du groupe périphérique, le nombre de ces cavités à gaz se chiffre aussi par 25 à 100 % du nombre total de cartouches de combustible. Le principe de fonctionnement du paquet combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides suivant l'invention consiste en ce qui suit. Le caloporteur arrive par les orifices d'arrivée 10 (figures 1, 2, 3, 4) à l'intérieur de la queue 3 de l'enveloppe 1 du paquet et se dirige le long des cavités à gaz 7 vers les zones 5 des cartouches de combustiblé 4, zones qui sont garnies de maté- riau fissile et de matières fertiles 6 et qui dégagent la majeure partie de la chaleur produite par le réacteur nucléaire à neutrons rapides. Ensuite le caloporteur baigne les zones 5 des cartouches de combustible 4 en absorbant la chaleur dégagée par le réacteur. Le caloporteur réchauffé quittant les zones 5 des cartouches de combustible 4 sort du paquet par les orifices de sortie 11 de la tête 2 de l'enveloppe 1 du paquet. Lors du passage ducalgorteur à l'intérieur du paquet, la résistance -hydraulique provoque une chute de pression, d'oit l'apparition d'une différence de pressions à l'intérieur du paquet et dans l'espace entre les paquets. Le fait que les cavités à gaz 7 sont disposées dans la queue 3 du paquet permet de réduire la différence de pressions à laquelle est soumise l'enveloppe 1. L'exécution du paquet combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides conformément à l'invention permet d'abaisser la pression nominale pour laquelle doit être calculee la paroi de l'enveloppe du paquet à la vitesse limite du caloporteur, ce qui permet de réduire dans une proportion allant jusqu'à environ 50 % la fraction volumique des parois de l'enveloppe du paquet. Comme le montre le tableau ci-dessous, une telle réduction de la fraction volumique des matériaux de construction dans la zone active (noyau) du réacteur nucléaire à neutrons rapides permet d'augmenter de 0,05 à 0,07 le gain de reproduction du combustible'nucléai- re et de réduire d'environ 20 % le temps de doublement dans les réacteurs à neutrons rapides au sodium. Réacteur Réacteur à paquet Caractéristiques du type BN-350 combustible suivant (U.R.S.S.) l'invention Fraction volumique 0,10 0,05 de la paroi du paquet Réacteur Réacteur à paquet Caractéristiques du type BN-350 combustible suivant (U.R.S.S. )- - l'invention Facteur de reproduc 1,27 1,32 | tion global Facteur de reproduc- 0,72 0,80 tion interne Taux de combustion moyen du réacteur, 560 560 kW/1 Chargement spécifique de combustible, kg de combustible 2,7 2,7 MW. électrique Temps de doublement, 12,8 10,2 années Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Paquet ou assemblage combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides du type comportant une enveloppe se terminant à l'une de ses extrémités par une tête, et à son autre extrémité, par une queue, et dans laquelle sont logées des cartouches de combustible comportant des zones garnies de matériau fissile et de matières fertiles et des cavités à gaz destinées à recueillir les produits de fission gazeux et partagées en un groupe central et en un groupe périphérique, au moins l'un de ces groupes étant disposé en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur) desdites zones garnies de matériau fissile et de matières fertiles, caractérisé en ce que lesdites cavités à gaz disposées en amont (par rapport au sens d'écoulement du caloporteur) desdites zones de matériau fissile et de matières fertiles, sont logées dans la queue de l'enveloppe du paquet. 2. Paquet ou assemblage combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites cavités à gaz logées dans la queue de l'enveloppe du paquet sont disposées à une plus faible distance l'une de l'autre que les zones correspondantes, garnies de matériau fissile et de matières fertiles, des cartouches de combustible. 3. Paquet combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre desdites cavités à gaz logées dans la queue de l'enveloppe du paquet est compris entre 25 et 100 % du nombre total de cartouches de combustible.