Brevet FR2507808A1 — publié le 19821217

NOUVELLE PASTILLE COMBUSTIBLE CRAMIQUE POUR REACTEUR NUCLEAIRE La nouvelle pastille combustible céramique qui fait l'objet de l'invention concerne, de la façon la plus générale les éléments combustibles pour réacteurs nucléaires comportant un tube de gainage tubulaire à l'intérieur duquel est logé un combustible nucléaire. Ce combustible est le plus souvent un oxyde ou un mélange d'oxydes d'éléments fissiles ou fertiles tels que U233, U235, U238, Pu239,Th230 ou autres. D'autres composés que des oxydes, tels que par exemple des carbures, peuvent aussi être utilisés. Ce combustible est généralement préparé sous forme d'une poudre qui est pastillée au moyen d'une presse, puis les pastilles ainsi réalisées sont ensuite frittées à haute température, sous atmosphère généralement réductrice. Les pastilles ainsi obtenues ont une forme sensiblement cylindrique. Ces pastilles sont ensuite rectifiées avec une grande précision de façon à obtenir des cylindres de révolution dont le diamètre est déterminé de façon à pouvoir les introduire à l'intérieur des tubes de gainage, euxmêmes parfaitement calibrés, pour constituer une colonne de pastilles empilées les unes sur les autres.Dans cette colonne, un faible jeu trans versal, aussi constant que possible,doit exister entre chaque pastille et la paroi du tube de gainage. Dans le cas par exemple des réacteurs nucléaires à eau pressurisée ou bouillante, le diamètre des pastilles de l'ordre d'une dizaine de millimètres sera obtenu,après rectification, avec une précision de quelques centièmes de millimètres et le jeu transversal entre pastille et tube de gainage sera d'une fraction de millimètre. La hauteur de chaque pastille qui est généralement de une à trois fois le diamètre est également bien déterminée quoique la précision nécessaire soit moins grande. Les deux extrémités de chaque pastille sont soit planes,soit souvent légèrement creusées en forme de cupules, afin de laisser un espace disponible, pour les gaz de fission, qui se dégageraient au cours de la combustioq,et pour une dilatation hétérogène de la pastille. Au cours du fonctionnement du réacteur, les pastilles sont portées à haute température et une déformation progressive se produit au cours ce laquelle le cylindre initial prend peu à peu une forme de diabolo, le diamètre aux deux extrémités devenant alors supérieure à celui de la zone médiane. Dans ces conditions, le jeu transversal, qui existe initialement entre le les pastilles et tube de gainage,tend peu à peu à s'annuler à chaque extrémité des pastilles et on peut observer, après un certain temps de fonctionnement, des déformations localisées du tube de gainage, au niveau de chaque extrémité de pastille, provoquées par la pression exercée localement sur la paroi du tube par les bords des pastilles. Une telle déformation entraîne, dans un certain nombre de cas,une fissuration de cette paroi, dont la ductilité diminue au cours du séjour en réacteur, et une contamination du fluide de refroidissement du réacteur par les produits de fission. Une telle contamination peut rendre nécessaire l'arrêt du réacteur et le changement prématuré de son combustible. On a recherché les moyens d'éviter de tels arrêts prématurés du réacteur et donc d'augmenter la durée moyenne d'utilisation du combustible en réacteur. Les nouvelles pastilles combustibles céramique, pour réacteur nucléaire, qui font l'objet de l'invention permettent d'éviter les risques de fissuration des gaines et donc les arrêts prématurés des réacteurs. Ces pastilles présentent, comme celles qui viennent d'être décrites,une symétrie de révolution, mais ont uo diamètre plus faible aux deux extré- mités qu'à mi-distance de celles-ci, la différence entre diamètre maxi- mal et diamètre minimal étant généralement d'environ 1 à 10 fois le je transversal initial entre pastille et tube de gainage,dans la zone de diamètre maximal de la pastille. On réalise de préférence,à partir de chacune des extrémités des pastilles suivant l'invention, une zone de raccordement entre le diamètre minimal et le diamètre maximal, cette zone ayant par esemple,pour des raisons de simplicité de réalisation,une forme tronconique. Une zone de diamètre constant,égala au diamètre maximal,peut être prévue entre les deux zones tronconiques. Les figures ci-après permettent de mieux comprendre les caractéristiques des pastilles de type connu et celles des pastilles qui font l'objet de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe d'un tronçon d'élément combustible constitué d'un tube de gainage contenant des pastilles combustibles de type connu,avant irradiation. La figure 2 est une vue en coupe du tronçon d'élément combustible de la figure 1 après quelques mois d'irradiation en réacteur. La figure 3 est une vue en coupe d'un tronçon d'élément combustible, constitué d'un tube de gainage contenant des pastilles combustibles suivant l'invention, avant irradiation. La figure 4 est une vue en coupe du tronçon d'élément combustible de la figure 3 après quelques mois d'irradiation en réacteur. La figure 5 est une pastille combustible suivant l'invention vue en élévation. La figure 6 est une pastille combustible suivant l'invention vueenplan. On voit figure 1, un tronçon d'élément combustible pour réacteur à eau pressurisée (1) qui comporte des pastilles à base d'oxyde d'uranium tel les que (2, 3, 4) empilées à l'intérieur d'un tube de gainage (5). Ces pastilles qui n'ont pas encore été irradiées ont la forme de cylindres de révolution,dont les bases sont légèrement creusées en forme de cupules (6, 7, 8, 9). Les pastilles ont par exemple un diamètre D1 de 8 mm et une hauteur H1 de 14 mm. Le jeu transversal initial total entre pastilles et tubes de gainage, c'est-à-dire la différence entre le diamètre intérieur D2 du tube de gainage et le diamètre D1 de la pastille est d'environ 0,05 mm. La figure 2 représente les mêmes pastilles repérées (10, 11, 12) à l'intérieur du même tronçon de tube de gainage (13) après quelques mois d'utilisation en réacteur.On constate d'une part une diminution de diamètre des pastilles dans la zone médiane, le diamètre D3 étant par exemple réduit de 0,03 mm, tandis qu'aux extrémités le diamètre D4 est augmentée de l'ordre de 0,10 mm. Malgrè une pressurisation intérieure initiale du tube de gainage réalisée par exemple au moyen d'hélium,ce tube s'est quelque peu rétreint par fluage et se trouve en appui avec déformation permanente sur les bords d'extrémité (14, 15, 16,17) des pastilles dont les plans de jonction se sont déformés et peu vent présenter une ouverture annulaire (18, 19) en V. Ces bords,, qui se trouvent en saillie, exercent sur le tube de gainage des contraintes localisées qui peuvent entraînées une fissuration de celui-ci.Ce risque est souyent aggravé par la fissuration des bords des pastilles dont il se détache des éclats qui peuvent présenter des angles vifs et se trouver coincés dans l'intervalle entre unepastille et le tube de gainage. La figure 3 représente un tronçon d'élément combustible (20) du même type que le tronçon (1) qui comporte un tube de gainage (21) également du même type que le tube (5), dans lequel on a empilé des pastilles combustibles suivant l'invention (22, 23, 24). Comme le montre la figure, ces pastilles présentent à l'état initial un diamètre maximal D5 à mi hauteur et un diamètre minimal D6 aux deux extrémités. Dans le cas de cet exemple, on voit que chaque pastille est constituée par deux troncs de cône accollés par la base. La génératrice du cône fait un angle d par rapport à l'axe de la pastille de préférence compris entre 0,2 et 30. Ces pastilles comportent comme les précédentes des cupules (25, 26,27, 28). Dans le cas par exemple de pastilles ayant un diamètre D5 de 8 mm et une hauteur H2 de 14 mm,on voit que si o( = 0,50, la différence D5 - D6 sera de 0,12 mm. Si le diamètre intérieur du tube de gainage est de 8,05 mm, on voit que cette différence est d'environ 2 fois le jeu transversal à mi-hauteur de la pastille. La figure 4 représente le même tro çon d'élément combustible après 11 mois d'utilisation en réacteur. On voit que les pastilles (29, 30, 31) présentent un diamètre à mi-hauteur D7 réduit à 7+96 mqtandis que le diamètre aux extrémités D8 est accru à 8,04 mm. De même que dans le cas précédent, on constate que les bords d'extrémités des pastilles (32, 33, 34, 35) se trouvent encore en saillie,mais de façon beaucoup plus faible que dans le cas des pastilles initialement cylindriques. Grâce au jeu transversal initial très important au niveau des extrémités des pastilles, la durée d'utilisation en réacteur, nécessaire pour que le jeu entre la paroi (36) du tube de gainage et les bords d'extrémités des pastilles soit annulé, est considérablement accrue. Un autre avantage des pastilles qui font l'objet de l'invention est la possibilité de réduire le jeu entre pastille et paroi intérieure du tube de gainage dans la zone médiane de la pastille. Une telle réduction abaisse la résistance thermique de transfert de la chaleur entre pastille et paroi et donc abaisse la température de la pastille,ce qui ralentit son évolution dimensionnelle. D'autre modes de réalisation des pastilles suivant l'invention peuvent être envisagés. On peut en particulier réaliser des pastilles comportant une zone médiane cylindrique plus ou moins étendue et deux zones d'extrémité tronconiquessde part et d'autre de la zone médiane, coaxiales, dont les grandes bases se raccordent à la partie cylindrique et ont même diamètre,et dont les petites bases constituent les faces d'extrémité de la pastille. Comme dans le cas précédent, ces faces d'extrémité peuvent être planes ou creusées en forme de cupules. Dans ce dernier cas, on préfère en général conserver à la périphérie de la cupule une zone annulaire plane. Les figures 5 et 6 représentent une telle pastille (37) comportant une zone cylindrique (38) entre deux zones tronconiques (39,40). Les faces d'extrémité de la pastille comportent des cupules (41, 42) entourées par une zone annulaire plane (43, 44). Les hauteurs relatives des zones cylindriques et tronconiques,ainsi que l'inclinaison (q) de la génératrice des zones tronconiques par rapport à l'axe,sont déterminées de façon optimale en fonction de l'ensemble des caractéristiques des éléments combustibles et des paramètres d'utilisation de ces combustibles en réacteur. Bien que les exemples donnés concernent des éléments combustibles du type utilisé dans un réacteur à eau pressurisée,les pastilles qui font l'objet de l'invention peuvent être utilisées dans de très nombreux types de réacteurs refroidis à l'eau ou par d'autres fluides tels que des fluides organiques, des métaux liquides ou encore des gaz. On peut enfin envisager de donner à la pastille combustible une forme en tonneau dont la génératrice est une courbe plus ou moins complexe telle que, au cours du séjour en réacteur, la déformation progressive de la pastille tende vers le cylindre. On préfèrera cependant en général réaliser des pastilles ayant des formes simples telles que celles présentées sur les figures 3, 5 et 6 De telles formes sont en effet facilement réalisables par exemple par des méthodes de rectification bien connues de l'homme de l'art en utilisant comme matière de départ des pastilles frittées cylindriques. REVENDICATIONS 1/ Pastille combustible céramique,pour éléments combustibles nucléaires comportant un tube de gainage métallique, à base d'au moins un composé fissile ou fertile, et présentant une symétrie de révolution autour d'un axe, caractérisée en ce que son diamètre à chaque extrémité est inférieure à son diamètre, à mi-distance des extrémités. 2/ Pastille combustible suivant la revendication 1 caractérisée en ce que chaque zone d'extrémité . une forme tronconique. 3/ Pastille combustible suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la génératrice des zones tronconiques est inclinée par rapport à l'axe de la pastille d'un angle X de 0,2 à 30. 4/ Pastille combustible suivant l'une des revendications 1 à 3,caractérisée en ce que elle comporte une zone cylindrique comprise entre les deux zones d'extrémités. 5/ Pastille combustible suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la différence entre le diamètre maximal et le diamètre minimal de la pastilleestd'environ 1 à 10 fois le jeu transversal initial entre la pastille et la paroi du tube de gainage dans la zone de diamètre maximal de la pastille.