Brevet FR2503917A1 — publié le 19821015

La présente invention concerne un assemblage combustible nucléaire et, plus particulièrement, un assemblage combustible nucléaire convenant pour l'utilisation dans les surrégénérateurs rapides de grandes dimensions par exemple. La Figure 1 est une vue en coupe du coeur d'un sur- - régénérateur rapide; La Figure 2 est une vue en coupe verticale du sur- régénérateur rapide de la Figure 1; La Figure 3a est une vue en élévation de côté partiellement découpée d'un ensemble combustible; La Figure 3b est une vue en coupe prise le long de la droite A-A de la Figure 3a, La Figure 3c est une vue en élévation de côté agrandie d'un élément combustible; La Figure 4 est.un diagramme montrant la distribution radiale de puissance; La Figure 5 est un diagramme montrant la répartition axiale de puissance; La Figure 6 est un diagramme montrant la répartition axiale de la température d'un élément combustible à coeur, calculée d'après la répartition radiale de puissanceet d'après la répartition axialede puissancereprésentées sur les Figures 4 et 5; La Figure 7 est un diagramme montrant les conditions d'irradiation sur un tube d'enrobage et un tube de gainage; La Figure 8 est un diagramme montrant le changement des diamètres extérieurs du tube d'enrobage et du tube de gainage analysé en fonction des conditions d'irradiation représentées sur la Figure 7; La Figure 9 est une vue en coupe verticale d'un assemblage combustible dans sa période initiale de vie; La Figure 10 est une vue en coupe verticale de l'assemblage combustible dans la dernière période de sa vie; La Figure 11 est une illustration des changements des axes centraux des éléments combustibles dans l'assemblage combustible au cours de la dernière période de la durée de vie du combustible; La Figure 12 est un diagramme montrant la relation entre le gonflement et les teneurs en Cr et Ni dans un alliage de type Fe-Cr-Ni; et La Figure 13 est un diagramme montrant les propriétés de gonflement du matériau du tube d'enrobage ou du matériau du tube de gainage. Considérons d'abord les Figures 1 et 2; le coeur d'un surrégénérateur rapide comprend une région de coeur interne 1 et une région de coeur externe 2 ayant différents enrichissements en plutonium, de façon à uniformiser la répartition d'énergie. Le coeur est entouré de couvertures radiales 3, de couvertures axiales 4 et d'un bouclier à neutrons 5. Des barres de commande 6 destinées à commander la puissance du réacteur nucléaire sont placées dans la région de coeur interne 1 et dans la région de coeur externe 2. Ces constituants sont respectivement insérés dans un boîtier 7 qui est généralement appelé "tube d'enrobage", et constituent la portion coeur. Considérons maintenant les Figures 3a, 3b et 3c qui décrivent la conception d'un assemblage combustible; il y a 271 éléments combustibles 8 maintenus dans le tube d'enrobage 7 avec des fils 9 interposés entre eux. Chaque élément combustible 8 contient des pastilles 10 de combustible de coeur, des pastilles 11 de combustible de couverture supérieure et des pastilles de combustible 12 de couverture inférieure. Un élément de bouclier à neutrons supérieur 13 et un élément de bouclier à neutrons inférieur 14 sont placés aux côtés supérieur et inférieur des éléments combustibles 8, respectivement. Le tube d'enrobage a tendance à se dilater en raison de la dilatation thermique, du gonflement dû à l'irradiation des neutrons, etc. Pour empêcher le contact entre des tubes d'enrobage adjacents en raison de la dilatation, un tampon d'espacement 15 est placé à la partie supérieure du tube d'enrobage 7. Le tube d'enrobage 7 est lui-même porté par une plaque 18 de support de coeur. Une buse d'entrée 17 constitue un passage pour l'agent de refroidissement circulant dans le tube d'enrobage 7. Une tête de manutention 16 pour l'échange du combustible est placée sur le côté supérieur du tube d'enrobage 7. La Figure 4 représente les répartitions de puissance ou d'énergie du surrégénérateur rapide dans les directions radiales O' et 450 de la Figure 1. Sur la Figure 4, une courbe (a) montre la répartition de puissance dans la période initiale du cycle d'équilibre, tandis qu'une courbe (b) montre - la répartition de puissance dans la dernière période du cycle d'équilibre. Les numéros des assemblages dans cette figure sont déterminés comme suit. Le numéro 1 est attribué à la barre de réglage 6 placée au centre de la région de coeur interne 1 représentée sur la Figure 1, et les numéros comme les numéros 2, 3, etc., sont donnés aux assemblages successifs dans chacune des directions 0 et 459. La Figure 5 représente la répartition axiale de la puissance de l'assemblage combustible de coeur. D'après ces répartitions de puissance représentées sur les Figures 4 et 5, l'élément combustible dans l'assemblage combustible de coeur subit une répartition axiale de température représentée sur la Figure 6. Sur cette figure, une courbe (c) montre la température de l'agent de refroidissement, une courbe (d) montre la température au centre de l'épaisseur de la paroi du tube de gainage, une courbe (e) montre la température superficielle de la pastille de combustible et une courbe (f) montre la température au centre de la pastille de combustible. La Figure 7 décrit la répartition axiale de température du tube d'enrobage (courbe g), la répartition axiale de température du tube de gainage (courbe h), et la distribution axiale de l'irradiation des neutrons rapides sur le tube d'enrobage et le tube de gainage (courbe i). D'après cette figure, on verra qu'entre le tube d'enrobage et le tube de gainage il existe une différence de température d'environ 50 à 100'C, bien qu'ils soient soumis à la même irradiation par neutrons. Lorsque le tube d'enrobage et le tube de gainage de l'élément combustible sont irradiés par les neutrons, il existe une différence de quantité de gonflement du tube d'enrobage et du tube de gainage, car la température du tube d'enrobage est inférieure de 50 à 100'C à celle du tube de gainage, comme indiqué précédemment. En conséquence, le tube d'enrobage et le tube de gainage présentent des changements des diamètres extérieurs représentés sur la Figure 8, au cours de la dernière période de leur durée de vie. Sur cette figure, une courbe (j) montre le changement du diamètre extérieur du tube d'enrobage dû au gonflement, tandis qu'une courbe (k) montre le changement du diamètre extérieur du tube d'enrobage dû à la dilatation thermique et au gonflement. Une courbe (1) montre également le changement du diamètre extérieur du tube de gainage dû au gonflement tandis que la courbe (m) montre le changement du diamètre extérieur du tube de gainage dû à la dilatation thermique et au gonflement. Ainsi, la valeur du changement du diamètre extérieur du tube de gainage est supérieure à celui du tube d'enrobage, de sorte qu'il existe une possibilité que le tube de gainage et le tube d'enrobage viennent en contact dans l'assemblage combustible. Les Figures 9 et 10 montrent ceci de façon schématique. Notamment, la Figure 9 montre l'état de l'assemblage combustible dans la période initiale de sa durée de vie. On verra qu'il existe un jeu distinct entre l'élément combustible 8 et le tube d'enrobage 7 dans cet état. Par ailleurs, la Figure 10 montre l'état de l'assemblage combustible dans la dernière période de sa durée de vie. Par suite du gonflement du tube de gainage de l'élément combustible dû à l'irradiation par des neutrons rapides, le jeu entre l'élément combustible et le tube d'enrobage est pratiquement totalement éliminé. Ceci rend difficile d'enlever la chaleur de l'élément combustible à l'aide de l'agent de refroidissement 19 et donc, impose des risques de brûlage de l'élément combustible. La Figure 11 montre les déplacements des axes centraux des éléments combustibles 8 au cours de la dernière période de la vie de l'assemblage combustible représenté sur la Figure 3. Dans cette dernière période, l'élément combustible présente un comportement complexe en raison d'un gonflement dû à l'irradiation par les neutrons et en raison d'un fluage. Ainsi, dans l'assemblage combustible classique, on peut craindre que l'élément combustible et le tube d'enrobage viennent en contact l'un de l'autre au cours de la dernière période de la durée de vie, à moins qu'on ne maintienne un jeu suffisamment large entre l'élément combustible et le tube d'enrobage dans la période initiale de la durée de vie. Un jeu trop important entre l'élément combustible et le tube d'enrobage permet cependant des vibrations dangereuses de l'élément combustible dues à l'écoulement de l'agent de refroidissement, qui entraînent divers troubles comme un contact mutuel entre les éléments combustibles adjacents et une collision entre l'élément combustible et le fil d'espacement pouvant endommager les éléments combustibles, c'est-à-dire pouvant provoquer la corrosion dite par frottement. Jusqu'à présent, on a pris la contremesure suivante pour surmonter les problèmes-décrits précédemment. Notamment, les comportements de l'élément combustible et du tube enrobé dépendent largement de la déformation par gonflement (déformation par dilatation) attribuable à l'irradiation par les neutrons. Donc, bien qu'on ait utilisé de façon classique un acier inoxydable travaillé à froid à 20 % AISI 316, la teneur en Ni est quelque peu accrue et la teneur en Cr est quelque peu diminuée dans l'acier inoxydable pour améliorer les propriétés anti- gonflement. La Figure 12 montre comment le gonflement d'un alliage Fe-CrNi est influencé par la teneur en chrome et la teneur en nickel. D'après cette figure, on verra que la teneur en chrome est faite aussi faible que possible tandis que la teneur en nickel est de préférence comprise entre 35 et 75 % en poids pour réduire le gonflement. Dans ces conditions, tous les pays ayant une technologie avancée dans ce domaine mettent au point des alliages de nickel riches en nickel comme matériau convenant pour un assemblage nucléaire ayant un rapport de surrégénération élevé et un degré élevé de combustion nucléaire. Les taux de gonflement des matériaux susmentionnés, sous une irradiation de neutrons àraison de 2,3 x 10 n/cm2, sont représentés sur 'La Ligure 13. Plus particulièrement, une courbe (i) montre le taux de gonflement de l'acier inoxydable AISI 316, tandis que la courbe (ii) montre le taux de gonflement d'un alliage riche en nickel. On verra que le taux de gonflement de l'alliage de nickel est environ un tiers de celui de l'acier inoxydable AISI 316. Le taux maximal de gonflement est observé quand la température du matériau est d'environ 580'C. C'est-à-dire qu'à cette température, l'acier inoxydable AISI présente une dilatation volumique d'environ 42 % tandis que l'alliage riche en nickel présente une dilatation volumique d'environ 12 %. Comme il a été décrit, les teneurs des éléments comme le nickel sont de façon classique ajustées de façon appropriée pour supprimer le gonflement, en éliminant ainsi la possibilité de contact entre l'élément combustible et le tube d'enrobage dans la dernière période de la durée de vie du combustible. On attire cependant l'attention sur le fait que, comme le montre le Tableau 1 suivant, la section efficace de capture des neutrons du nickel est deux à trois fois plus importante que celles de Fe et Cr, de sorte que la teneur accrue en Ni dans l'acier inoxydable augmente de façon indésirable l'absorption gênante de neutrons. Ceci détériore de façon gênante le rapport de surrégénération qui est le plus grand avantage des surrégénérateurs rapides. TABLEAU 1 Comparaison de la section efficace de capture de neutrons Un but de l'invention est donc de surmonter les problèmes de la technique antérieure décrits précédemment. A cette fin, selon l'invention, il est fourni un ensemble combustible nucléaire convenant pour l'utilisation dans les surrégénérateurs rapides, conçu pour un rapport de Fe Cr Ni Na Section efficace (b) 0,006 0,005 0, 014 0,0006 surrégénération élevé et un degré élevé de combustion nucléaire, caractérisé en ce qu'un matériau qui présente un gonflement relativement important est utilisé comme matériau du tube d'enrobage, tandis qu'on utilise comme matériau du tube de blindage de chaque élément combustible un matériau qui - présente seulement un faible gonflement. On décrira ci-dessous un mode de réalisation préféré de l'invention en se référant aux Figures 3a, 3b et 3c. Considérons ces figures; le tube d'enrobage 7 est fait d'un matériau ayant un taux de gonflement relativement élevé, par exemple de l'acier inoxydable AISI 316 travaillé à froid à 20 %, tandis que le tube-de gainage de chaque élément combustible 8 est fait d'un alliage riche en nickel ayant une teneur en nickel de 35 à 75 % en poids, par exemple. Comme on le voit sur la Figure 7, la température (g) du tube d'enrobage est inférieure à la température (h) du tube de gainage. Notamment, les températures du tube d'enrobage et du tube de gainage sont environ 430'C et environ 5000C respectivement, à l'endroit de l'intensité la plus élevée de l'irradiation par neutrons. Par ailleurs, le taux de gonflement dé à l'irradiation par neutrons est affecté de façon importante par la température du matériau, comme le montre la Figure 13. Par exemple, la courbe {i) de la Figure 13 montre que, dans la présente invention quand on utilise de l'acier inoxydable AISI 316 comme matériau du tube d'enrobage, le tube d'enrobage présente à 430'C un taux de gonflement d'environ 6 % en volume sous une irradiation de neutrons de 2, 3 x 1023 n/cm2. Cependant, le tube de gainage fait d'un alliage riche en nickel présente à 500'C un taux de gonflement d'environ 5 % en volume sous une irradiation de neutrons de même valeur, comme on le verra d'après la courbe (ii) de la Figure 13. Par ailleurs, si l'on utilise un matériau présentant un faible gonflement et consistant en un alliage riche en nickel comme matériau tant du tube d'enrobage que du tube de gainage comme c'est le cas dans la technique antérieure, le tube d'enrobage à 430'C présente un gonflement d'environ 2 % tandis que le tube de gainage présente à 50O0C un gonflement d'environ 5 %, respectivement, dans la dernière période de la durée de vie. Ainsi, le tube de gainage présente un gonflement supérieur à celui du tube d'enrobage. Il existe donc la possibilité que le tube de gainage vienne en contact indésirable avec le tube d'enrobage dans la dernière période de la durée de vie, même si l'on utilise comme matériau de ces tubes un alliage riche en nickel présentant un faible gonflement, à moins qu'il n'existe dans la période initiale un jeu suffisamment important entre le tube de gainage et le tube d'enrobage. Selon l'invention, comme le tube d'enrobage présente toujours un taux de gonflement supérieur à celui du tube de gainage, il n'y a aucune possibilité de contact entre le tube de gainage et le tube d'enrobage, même au cours de la dernière période de la durée de vie. En outre, l'absorption gênante des neutrons par le tube d'enrobage est diminuée en ce que, dans l'assemblage combustible de l'invention, le tube d'enrobage est fait d'acier AISI 316 dans lequel la teneur en nickel, qui a une section efficace de capture de neutrons importante, est de l'ordre de 10 %. En conséquence, les caractéristiques de sur- régénération sont nettement améliorées par rapport à l'assemblage combustible classique dans lequel le tube d'enrobage et le tube de gainage sont tous deux faits d'un alliage de nickel ayant une teneur en nickel élevée. Incidemment, pour éviter un contact indésirable entre des tubes d'enrobage adjacents, il peut suffire de fixer, dans la période initiale de la durée de vie, un jeu suffisamment large pour éviter le contact mutuel entre les tubes d'enrobage adjacents dans la dernière période de la durée de vie. Un tel jeu peut provoquer seulement une augmentation du débit de l'agent de refroidissement (Na) circulant dans le jeu entre les tubes d'enrobage adjacents, mais ceci ne cause aucun problème concernant l'économie en neutrons car, comme indiqué dans le Tableau 1, le sodium (Na) ne provoque seulement qu'une faible absorption de neutrons. Comme on le verra d'après la description précédente, il est possible selon l'invention d'obtenir un réacteur nucléaire très sûr et économique, en utilisant la différence des propriétés de gonflement entre le tube d'enrobage et le tube de gainage de combustible en raison de la différence de. température existant entre eux. Bien que l'invention ait été décrite en se référant particulièrement aux assemblages nucléaires qui sont maintenus par des fils d'espacement comme représenté sur les Figures 3a à 3c, il sera évident pour l'homme de l'art que l'invention peut également s'appliquer à un cas o les assemblages nucléaires sont maintenus par des dispositifs d'espacement de type sommier. Pour résumer, la présente invention présente les avantages suivants. (1) Le contact mutuel indésirable entre le tube d'enrobage et l'élément combustible pendant la durée de vie du combustible nucléaire est évité car le tube d'enrobage est fait d'un matériau ayant un taux de gonflement supérieur à celui du matériau du tube de gainage de l'élément combustible. (2) Le matériau présentant un gonflement important a une faible teneur en nickel qui absorbe de façon gênante les neutrons par rapport au matériau présentant un faible gonflement. En conséquence, l'utilisation de ce matériau uniquement pour le tube d'enrobage diminue l'absorption gênante de neutrons en améliorant ainsi l'économie en neutrons et les caractéristiques de surrégénération. (3) Pour les raisons (1) et (2) susmentionnées, il est possible d'obtenir un assemblage combustible nucléaire qui est plus économique et plus sûr que les assemblages combustibles classiques. 1 0 REVENDICATIONS 1. Assemblage nucléaire comportant un tube d'enrobage (7) et plusieurs éléments combustibles (8) contenus dans ledit tube d'enrobage, chaque élément combustible comportant un tube de gainage, caractérisé en ce que ledit tube d'enrobage (7) est fait d'un matériau qui présente un taux de gonflement par irradiation aux neutrons plus élevé que le matériau constituant ledit tube de gainage. 2. Ensemble combustible selon la revendication 1, 1o caractérisé en ce que ledit tube d'enrobage est fait d'un acier inoxydable austénitique, et ledit tube de gainage est fait d'un alliage de nickel austénitique contenant de 30 à % en poids de nickel et ayant des propriétés anti- gonflement élevées.