Brevet FR2520547A1 — publié le 19830729

Procédé de déehargement et de chargement d'un réacteur nucléaire et élément combustible notamment pour un tel procédé La présente invention concerne, d'une part, un procédé de déchargement et de chargement d'un réacteur nucléaire dans lequel on décharge dudit réacteur nucléaire un élément eombustible irradié comportant des pièces d'extrémité et des barreaux de combustible, puis on le réintroduit dans un réacteur nuclé- aire et dans lequel on amène à une position tournée, autour d'un axe transversal, de 1800 par rapport à leur position initiale dans un réacteur nucléaire des barreaux de combustible irradiés provenant d'un élément combustible irradié dans ce même réacteur nucléaire, d'autre part un élément combustible avec pièces d'extrémité et barreaux de combustible notamment pour un tel procédé. Un procédé de ce genre est connu de par la demande de brevet allemand DE-OS 26 35 501. Dans ce procédé connu, on fait tourner, dans un bassin à éléments combustibles empli d'eau, de 1800 par rapport à un axe transversal l'élément combustible après son déchargement du réacteur nucléaire afin de rendre ses barreaux mieux accessibles. Du bord du bassin, on sépare ensuite de l'élément combustible, au moyen d'un outil, la pièce d'extrémité représentant la partie du bas0 On peut dès lors retirer individuellement de l'élément combustible les barreaux de combustible de ce dernier et les examiner quant à la possibilité de défauts.Après cet examen, on réintroduit dans l'élément combustible les barreaux de combustible sans défauts et remplace les barreaux de combustible défectueux par d'autres exempts de defauts que l'on introduit de même dans l'élément combustible. Après quoi, on remonte avec l'outil, à partir du bord du bassin, la pièce d'extrémité représentant la partie du bas sur l'élément combustible et lton dépose ce dernier dans le bassin à éléments combustibles jusqu'8 pouvoir le réintroduire dans le réacteur nucléaire à l'aide d'une machine de chargement d'éléments combustibls. Il faut faire tourner à nouveau de 1800 en sens inverse autour d'un axe transversal l'élément combustible dans le bassin avant de potoir le réinsérer en cette position dans le réacteur nucléaire.Après réinsertion de l'élément combustible dans le recteur nucléaire, les barreaux de combustible irradiés de l'élément combustible se retrouvent là dans leur position d d4Prt. Le remplacement de barreaux de combustible individuels déXeetuetix permet bien d'utiliser l'élément combustible dans le réacteur nucléaire pendant toute la durée de marche prévue, mais le procédé connu ne prolonge pas la durée de marche admissible de l'élément combustible dans le réacteur nucléaire L't=vetion a pour objet un procédez de déchargement et de chargement et un élément combustible qui prolongent la durée dé marche dudit élément combustible dans le réacteur nucléaire.Ce procédé, du genre annoncé, est caractérisé par le fait que l'on réintroduit dans le réacteur nucléaire l'élément combustible déchargé de ce dernier et renfermant les barreaux de combustible irradiés, ceux-ci tournés, autour de l'axe transversal, de 1800 par rapport à leur position initiale dans le réacteur nucléaire. Les barreaux de combustible irradiés introduits dans le réacteur nucléaire en lueur position tournée de 1800 dans l'élément combustible peuvent provenir de l'élément combustible charge de ce réacteur nucléaire, mais ils peuvent aussi biea cette prélevés sur un autre élément combustible irradié déchargé du m & , ou d'un autre, réacteur nucléaire. L'invention repose sur la reconnaissance du fait que, notamment dans les réacteurs nucléaires a eau sous pression, se forme sur la surface côté réfrigérant, c'est-à-dire oflté eau, des gaines des barreaux de combustible des couches de corrosion dont l'épaisseur est fonction de la température de la gaine et qui peuvent limiter la durée de marche admissible de l'ensemble de l'élément combustible dans le réacteur nucléaire.Par suite de la dissymétrie du profil de températures des barreaux de combustible dans le réacteur nucléaire sur la direction longitudinale de ceux-ci, l'épaisseur de ces couches de corrosion est de même dissymétrique par rapport å le longueur des barreaux de combustible, cest-à-dire qutil apparat un net maximum de cette épaisseur à proximité de la pièce d'extrémité représentant la partie du haut de l'élément combustible disposé axe longitudinal vertical dans le réacteur nucléaire.Si l'on réintroduit dans le réacteur nucléaire l'élément combustible avec ses barreaux en la position tournée de 1800 par rapport à leur position initiale dans le réacteur nucléaire, on empêche à peu près toute extension du maximum de l'épaisseur de la couche de corrosion au'voisinage de la pièce du haut de l'élément combustible et prolonge par conséquent la durée de marche admissible de l'élément combustible dans le réacteur nucléaire Dans un mode dé réalisation préféré de l'invention en ce qu'il accélère le cours des opérations, on fait tourner après le déchargement tous les barreaux de combustible irradiés de l'élément combustible de 1800 autour de l'axe transversal et, en les gardant assemblés en cette position dans l'élément combustible, on les réintroduit dans le réacteur nucléaire.On peut accélérer encore davantage le cours des opérations en faisant tourner après le déchargement l'ensemble de l'élément combustible de 1800 autour de son axe transversal. Un tel procédé s'accommode particulièrement d'un élément combustible B piècesd'extrémité et barreaux de combustible dont les pièces d'extrémité sont établies de façon B être utilisables aussi bien en partie du haut qu'en partie du bas de l'élément combustible. On connaît à vrai dire par la demande de brevet allemand DE-AS 26 00 316 un élément combustible pour réacteur nucléaire à eau bouillante auquel est associé un fourreau en forme de coffre qui entoure cet élément combustible et que l'on retire de celui-ci après son déchargement du réacteur nucléaire, puis fait tourner de 1800 autour d'un axe trans versal et enfile de nouveau dans cette position sur l'élément combustible. On réintroduit ensuite l'élément combustible dans le réacteur nucléaire.On obtient bien de la sorte une uniformisation de la déformation du fourreau sur toute sa longueur pendant le fonctionnement dans le réacteur nucléaire et par conséquent une durée d'utilisation prolongée dudit fourreau, mais ltélément combustible lui-même et les barreaux de combustible qui en font partie se trouvent réintroduits en position inchangée dans le réacteur nucléaire, si bien que l'épaisseur des couches de corrosion sur la surface c8té eau des gaines des barreaux de combustible et par conséquent la durée de marche admissible de l'élément combustible dans le réacteur nucléaire ne sont influencées en rien. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré schématiquement par le dessin annexé, sur lequel t la figure 1 est une vue en perspective d'un élément combustible pour un réacteur nucléaire à eau sous pression p la figure 2 est une vue en perspective d'un squelette de l'élément combustible selon la figure p les figures 3 et 4 sont des diagrammes représentant des épaisseurs de couches de corrosion sur la surface cOté eau de la gaine d'un barreau de combustible de l'élément combustible selon la figure t en fonction de la longueur considérée sur le barreau de combustible. L'élément combustible 2 est représenté sur la figure t avec son axe longitudinal dirigé verticalement. il est également placé en cette position dans le réacteur nucléaire eau sous pression. Il comporte une pièce d'extrémité constituée par une partie du haut 3 et une autre pièce d'extrémité constituée par une partie du bas 4. Ces deux pièces extr8es sont reliées entre elles par les tubes-guides de barres de commande 5 du squelette selon la figure 2.Chacun des tubes-guides de barres de commande 5 est fixé de façon amovible, par exemple par vissage, à la plaque de tête 3a de la partie du haut 3 par une extrémité et à la plaque de pied 4a de la partie du bas 4 par l'autre extrémité Les tubesguides de barres de commande 5 traversent huit ensembles d'entretoises 6 ayant chacun la forme d'une grille qui, par rapport à la direction de l'axe longitudinal de l'élément combustible 2, sont séparés par des distances identiques0 Les gaines 7, renfermant du combustible nucléaire, des barreaux de combustible sont guidées à travers les mailles de la grille d'entretoisement 6 non occupées sur la figure 2, c'est- & dire non occupées par les tubes-guides de barres de commande 5. Lesdites gaines 7 de ces barreaux de combustible ne sont fixées ni à la plaque de tête 3a de la partie du haut 3 ni à la plaque de pied 4a de la partie du bas 4. Elles ont du jeu dans leur direction longitudinale entre la plaque de tête 3a et la plaque de pied 4a et peuvent par conséquent se dilater librement en direction axiale, c'est-è-dire en direction longitudinale de l'élément combustible 2. Pendant son temps de marche dans le réacteur nucléaire à eau sous pression, dans lequel il est placé avec son axe longitudinal vertical comme sur la figure 1, l'élément combustible 2 est déchargé à un rythme annuel, puis réintroduit, axe longitudinal vertical, au même emplacement, ou à un autre,dans le réacteur nucléaire0 On dépose, axe longitudinal vertical, dans un bassin à éléments combustibles empli d'eau l'élément combustible 7 irradié déchargé du réacteur nucléaire et placé dans une corbeille de maintien à l'aide de laquelle on le fait tourner de 1800 autour d'un axe 8 transversal à l'axe longitudinal 9 de l'élément combustible 2 et par conséquent aussi des gaines 7 des barreaux de combustible, si bien que la direction verticale de l'axe longitudinal de l'élément combustible se maintient bien, mais que les parties du bas 4 et du haut 3 de l'élément combustible 2 se trouvent maintenant respectivement aux extrémités verticales supérieure et inférieure de l'élément combustible 20 On détache alors des tubes-guides de barres de commande 5 et retire de l'élément combustible 3 la partie du bas 4 se trouvant maintenant à l'extremité verticale supérieure de Isélélat combustible 2. On peut répartir ensuite les barreaux de combustible irradiée de l'élément combustible 2 avec leurs gaines 7 en un groupe b fort taux de combustion et un groupe à faible taux de combustion. Il faut entendre par le taux de combustion d'un barres de eambustible le rapport de l'énergie engendrée dans son combustible nucléaire à la masse du métal lourd uranium contenu dais ce ce même combustible. On peut déterminer par exemple le taux de combustion relatif des barreaux de combustible au moyen d'un dispositif de balayage à rayons selon la revue "Atom und Strom", n 3/4, Mars/Avril 1972, page 67. Le taux de combustion s'exprime en mégavatts-jours/kg. Après leur extraoEon de l'élément combustible 2, on fait tourner de 1800 autour de l'axe transversal 8 les barreaux de combustible du groupe è fort taux de combustion et on les réintroduit, en cette position tournée, dans l'élément combustible 2, cependant que l'on s'abstient de faire tourner autour de l'axe transversal 8 les barreaux de combustible du groupe à faible taux de combustion. Pour accélérer le cours des opérations, il est cependant avantageux de ne pas répartir tout d'abord les barreaux de combustible de l'élément combustible 2 en deux groupes selon leur taux de coibustion, mais extraire de l'élément combustible t toua les barreaux de combustible, les faire tourner de 1800 autour de l'axe transversal 8 et les réintroduire, en cette position tournée,-dans l'élément combustible 2. A l'extrémité verticale supérieure de l'élément combustible 2, on réassemble la partie du bus 4 auxtubes-guides de barres de commande 5. Après quoi, on fait tourner à nouveau l'élément combustible 2 de 180 autour de l'axe transversal 8 dans le bassin à éléinata combustibles empli d'eau, en sorte que la partie du haut 3 se trouve de nouveau à I'extrémité verticale supérieure, et la partie du bas 4 à l'extrémité verticale inférieure, de l'élément combustible 2. On réintroduit ensuite cet élément combustible en position verticaledeson axe longitudinal dans le réacteur nucléaire, en sorte que, là aussi, les parties du haut 3 et du bas 4 se trouvent également respectivement aux extrémités verticales supérieure et inférieure de l'élément combustible 2. il en résulte que les barreaux de combustible du groupe B plus fort taux de combustion, ou tous les barreaux de combustible, de l'élément combustible 2 se trouvent introduits dans la position tournée, autour de l'axe transversal 8, de 1800 par rapport à leur p o s itio n i niticrle dans 1 e r e' a c t e u r nucléaire. il peut aussi être avantageux, pour accélérer le cours des opérations, de remplacer, sur l'élément combustible 2 selon la figure 1 déchargé du réacteur nucléaire et placé dans le bassin à éléments combustibles empli d'eau, la partie du haut 3 placée sur cette figure 1 à l'extrémité verticale supérieure par une partie du bas 4 puis de faire tourner l'élément combustible 2 de 1800 autour de l'axe transversal 8, en sorte que la partie du bas 4 se trouve désormais à l'extrémité verticale supérieure de l'élément combustible 2 et, enfin, de remplacer par une partie du haut 3 la partie du bas placée maintenant à l'extrémité verticale supérieure de l'élément combustible 2. On introduit, pour finir, l'élément combustible 2 avec ses parties du haut et du bas échangées et avec son axe longitudinal en position verticale, dans le réacteur nucléaire, en sorte que lesdites parties du haut et du bas se trouvent respectivement aux extrémités verticales supérieure et inférieure de l'élément combustible 20 Il en résulte de même que les barreaux de combustible irradiés de l'élément combustible 2 sont réintroduits dans le réacteur nucléaire en une position tournée de 1800, autour de l'axe transversal 8 de l'élément combustible 2, par rapport à leur position initiale dans le réacteur nucléaire. Si l'on utilise des éléments combustibles 2 munis de pièces d'extrémité établies en sorte quelles soient utilisables aussi bien comme partie du haut que comme partie du bas de l'élément combustible 2, on peut supprimer l'échange desçpièces d'extrémité sur les extrémités de l'élément combustible 20 il suffit alors de tourner, dans le bassin à éléments combustibles empli d'eau, après le déchargement du réacteur nucléaire l'éliment combustible 2 de 1800 autour de l'axe transversal 8 puis de le réintroduire en cette position dans le réacteur nucléaire en sorte que la pièce d'extrdmité qui se trouvait à l'origine k l'extrémité verticale supérieure de l'élément combustible 2 soit maintenant à l'extrémité verticale inférieure de l'élément combustible 2, et que la pièce d'extrémité qui se trouvait initialement k l'extrémité verticale inférieure soit maintenant k l'extrémité verticale supérieure de l'élément combustible 20 il en résulte aussi que les barreaux de combustible irradiés de l'élément combustible 2 se trouvent réintroduits,avec ave leur axe longitudinal vertical, dans le réacteur nucléaire en une position tournée de 1800, autour de l'axe transversal 8 de l'élément combustible 2, par rapport à leur position initiale dans le réacteur nucléaire. On voit ainsi l'avantage d'un agencement identique des deux pièces d' extrémité. Dans les diagrammes selon les figures 3 et 4, on a chaque fois représenté au-dessous de l'axe des abscisses la gaine 7 d'un barreau de combustible irradié avec huit entretoisements 6 schématisés qui sont à même distance les uns des autres par rapport à la direction longitudinale de la gaine 7. Cette dernier, constituée par un alliage de zirconium, étain, fer et chrome, a une longueur, portée en abscisse, d'environ 4 000 ms. On a porté en ordonnée sur ces diagrammes l'épaisseur de la couche de corrosion composée d'oxyde formée sur la surface extérieure, c'est-à-dire c8té réfrigérant, ou eau, de la gaine 7.Les courbes I, il, III et IV des diagrammes selon les figures 3 et 4 correspondent respectivement à des taux de combustion de 15, 30, 45 et 60 mégawatts-jours/kgO Le diagramme selon la figure 3 se rapporte à la gaine 7 d'un barreau de combustible qui, pendant tout son temps de service d'environ 4 années dans un reacteur nucléaire à eau sous pression, est resté constamment en position verticale de son axe longitudinal dans ce réacteur nucléaire avec la Isême extrémité verticale supérieure et la même extrémité verticale inférieure0 On voit nettement que l'épaisseur de la couche de corrosion se répartit de façon dissymétrique sur la longueur de la gaine 7.Elle est relativement faible à l'extrémité verticale inférieure de la gaine 7, c'est-à-dire au point d'origine des coordonnées, et accuse un maximum très net à environ 3 000 mm, ctest-å-dire à proximité de ltextrémité verticale supérieure de la gaine 7. Le niveau de ce maximum d'épaisseur dépend entièrement du taux de combustion du barreau de combustible revêtu de la gaine 70 Le diagramme selon la figure 4 se rapporte à la gaine 7 d'un barreau de combustible qui est bien établi comme celui selon la figure 3, mais qui, durant la même durée de service d'environ quatre années dans le réacteur nucléaire, a été tourné à trois reprises de 1800 autour d'un axe transversal, cela chaque fois à l'expiration d'un même intervalle de temps, si bien qu'k chaque fois son extrémité verticale supérieure dans le réacteur nucléaire a été remplacée par son extrémité verticale inférieure et vice versa. Comme l'indique le diagramme selon la figure 4, on obtient une répartition largement symétrique de l'épaisseur de la couche de corrosion avec un maximum situé à peu près b milongueur de la gaine 7. Au lieu que, pour un taux de combustion de 60 mégawatts-jours/kg, l'épaisseur de la couche de corrosion dans le diagramme selon la figure 3 se monte en son maximum toujours à plus de 150 au, l'épaisseur correspondante, au maximum du diagramme selon la figure 4, n'est que d'environ 75 pm. Cela signifie que le procédé selon l'invention augmente très nettement la durée de marche admissible d'un élément combustible dans un réacteur nucléaire. Le rendement économique du fonctionnement du réacteur nucléaire s'en trouve amélioré, et la quantité des déchets radioactifs à décontaminer réduite. REVENDICAT IONS 1. Procédé de déchargement et de chargement d'un réacteur nucléaire dans lequel on décharge dudit réacteur nucléaire un élément combustible irradié comportant des pièces d'extrémité et des barreaux de combustible, puis on le réintroduit dans un réacteur nucléaire et dans lequel on fait tourner, autour d'un axe transversal, de 1800 par rapport à leur position initiale dans un réacteur nucléaire des barreaux de combustible irradiés provenant d'un élément combustible irradié dans ce même réacteur nucléaire, procédé caractérisé par le fait que l'on réintroduit dans le réacteur nucléaire 11 élément combustible (2) déchargé de ce dernier et renfermant les barreaux de combustible (7) irradiés, ceux-ci en la position tournée, autour de l'axe transversal (8), dé 1800 par rapport à leur position initiale dans ledit réacteur nucléaire. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'après le déchargement, on fait tourner de 1800 autour de l'axe transversal (8) tous les barreaux de combustible (7) irradiés de l'élément combustible (2) et, en les gardant assemblés en cette position dans l'élément combustible (2), on les réintroduit dans le reacteur nucléaire. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé par le fait qu'après le déchargement on fait tourner tout l'élément de combustible (2) de 1800 & tour de l'axe transversal (8). 4. Procédé selon la revendication 2 caractérisé par le fait que l'on remplace la pièce d'extrémité représentant dans l'élément combustible (2) une partie du bas (4) par une pièce dXextrémité représentant une partie du haut (3), et la pièce d'extrémité représentant une partie du haut (3) par une pièce d'extrémité représentant une partie du bas (4). 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'on sépare les barreaux de combustible (7) irradiés de 11 élément combustible (2) irradié déchargé en un groupe à fort taux de combustion et un groupe à faible taux de combustion et que lton ne fait tourner de 1800 autour de l'axe transversal (8) que les barreaux de combustible (7) irradiés du groupe à fort taux de combustion. 6o Elément combustible à pièces d'extrémité et barreaux de combustible, notamment pour un procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les pièces d'extrémité sont établies en sorte qu'elles soient utilisables aussi bien en partie du haut (3) qu'en partie du bas (4) de l'élément combustible (2).