Brevet FR2522865A1 — publié le 19830909

La présente invention se rapporte à un élément combustible de réacteur nucléaire et, plus particulière- ment, à un élément combustible de ce type présentant des propriétés améliorées de transfert de chaleur entre la matière combustible -t le revitement. Parmi les par 3 mètres qui influencent le processus de transfert de chaleur dans le sens radial entre la matière'combustible et le revêtement, on peut citer la zone de contact effective entre le combustible et le revé- tement, l'intervalle séparant ledit combustible dudit revêtemernt, les propriétés thermiques et physiques des matériaux conjuguées dudit coiibustilile et dudit revête- ment, l'état superficiel de l'interface entre le combus- tible et le revêtement, la radiation et le fluide t c'est- à-dire du gaz) situé dans l'intersttce. Au sein des paramètres précités, la conducti Vité thermique du-gaz Joue un rôle important puur déterminer la part que représente la conductance de ll'intervalle dans l'ensemble du transfert de cha,leur -L'inter"alle entre le combustible et le revêtement est initialement empli d'un gaz de faible poids moléculaire et à forte conductivité thermique, tel que de l'hélium Lors de la combustion du combustible, des produits de fission sont engendrés et une partie de ces produits de fission ( xénon et krypton) s'échappe vers la région de l'élé- ment combustible formant une chambre L'accumulation subséquente de ces gaz dans l'intervalle entre le combus- tible et son revêtement se traduit par une baisse de la conductance thermique dudit intervalle à cause de la plus faible conductivité thermique du mélange gazeux, La condition chimique et la concentration des produits de fission ( se présentant sous la forme d'un élément, d'un cxyde ou d'un composé complexe) exercent aussi une in- fluence sur la disponibilité en oxygène à l'intérieur de la barre combustible Cela diminue à son tour le poten- tiel du combustible en oxygène qui revêt une importance primordiale pour déterminer si le combustible peut entrer on réaction chimique avec le revêtement Lorsque de telles réactions se produisent, elles résultent en une corrosion du métal et en un affaiblissement consécutif du revête- ment qui constitue la barrière primaire à la libération de rrdio-activité Ainsi, tout parcmètre influençant la concen- tration locale et/ou la répartition des différents gaz à l'intérieur de la chambre revet une importance. Le diffusion thermique constitue un tel paramètre et elle consiste en un déplacement relatif des composants de masse d'un mélange gazeux résultant de différences de température à l'intérieur de ce mélange, telles que déter- minées par une différence de température entre deux surfa- ces Un tel déplacement a été attesté expérimentalement par S Chapman et F W Dootscn in Phil Mag l 6 l 33, 248 ( 1917) En 1938-, K Clusius et G Dickel, in- Naturwisenschaften, 26, 547 ( 1938) ont utilisé ce phéno- mène-pour inventer un procédé de séparation en continu de mélanges de gaz et d'isotopes Une étude théorique p Yus récente a fait ressortir qu'une éventuelle séparation thermi- que notable des gaz pouvait se produire dans certaines condi- tions à l'intérieur d'une barre combustible ( S K Loyalka, V K Chandola, L 8 Thomes Clusius-Dickel Effects in a Nuclear Fuel Rod ' in Nuclear Science and Engineering, Jutilet 1979). Il a été mis au point une forme de réalisation de barre combustible de réacteur nucléaire qui tire parti non seulement de la diffusion thermique, mais également de la ségrégation par convection pour séparer les gaz de fission, de poids moléculaire élevé et à faible conducti- vité thermique, des gaz de faible poids moléculaire et à meilleure conductivité thermique, de façon à améliorer le transfert de chaleur à travers l'intervalle entre le combustible et le revêtement. Comme mentionné ci-avant, la diffusion thermique consiste en un déplacement relatif des composants d'un mélange gazeux provoqué par des différences de tempéra- ture à l'intérieur dudit mélange, telles que déterminées par le gradient thermique entre deux surfaces ( dans uns barre combustible, entre la face externe du combustihle et la face interne du revêtement) De ce fait, dans un mélange dont la composition est initalement uniforme, cela entraîne la formation d'un gradient de concentraetioni à travers l'intervalle Une diffusion normale a tendance à éliminer ce gradient de concentration et il est possi- ble d'obtenir un état stationnaire dans lequel l'effet de séparation de la diffusion thermique est contrebalan- cé par l'effet de rétablissement du mélange exercé par la diffusion ordinaire Dans une barre combustible, les gradients thermiques dans les directions axiale, radiale et circonférentielle présentés par les gaz dans l'interval- le contribuent tous à une séparation partielle des compo- sants du fait de la diffusion thermique Il s'est égale- ment révélé que des effets de convection provoqués par gravitation ont en outre une interaction avec les diffé- rences de concentration dans le sens radial induites thermiquement, et qu'ils entrainent pour finir une migration des composants gazeux les plus lourds et les plus légers vers le fond et vers le sommet de la barre, respectivement Les différences de concentration dans le sens axial qui en résultent deviennent ainsi plus grandes encore en cas de conjugaison des effets de convection et de diffusion thermiques que dans le cas o la diffusion thermique agit seule. Par conséquent, l'élément combustible nucléaire selon l'invention présente un revêtement externe métalli- que de forme tubulaire comportant une surface interne et des extrémités obturées hermétiquement, l'espace intérieur de ce revêtement étant subdivisé en une chambre supérieure relativement longue de combustible et en une chambre infé- rieure relativement courte d'accumulation de gaz, ces chambres étant mutuellement en communication gazeuse Un noyau central en matière combustible de la classe des actini- des est logé dans la chambre supérieure, la di-mrntre de l'élément combustible étant légèrement plus petit que celui de l'espace interne du revêtement, de façon à ménager entre eux un intervalle annulaire, lin gaz de transfert de chaleur, de faible poids molsculaire et forte conductivité thermique, est emprisonné hermétique- ment dans le revêtement afin de conduire Id chaleur entre la matière combustible et la face interne de la paroi dudit revêtement lors de l'irradiation de l'élé- ment combustible Au moins une gorge ( ou ccril i généra- lement longitudinale, s'étendant de haut en bas 1 l long de la chambre de combustible jusqu'à la chambre d'accu- mulation avec laquelle elle communique, est élaborée soit dans la surface externe du combustible, soit dans la sprface interne de la paroi du revêtement, ou bien partiallement dans ces deux surfaces La profondeur radiale de cette gorge est suffisante pour former une zone de différence de température accrue entre la sur- face externe chaude du combustible et la surface intor- ne relativement plus froide du revêtement, en vue de provoquer finalement une séparation thermique dans le sens radial entre le gaz de transfert de chaleur, de faible poids moléculaire, et les gaz de produits de fission de poids moléculaire élevé, ces derniers migrant vers la surface relativement plus froide du revêtement et s'écoulant par gravité vers le bas, le long de la gorge, jusqu'à la chambre d'accumulation Dans l'une des formes de réalisation, la chambre d'accumulation peut renfermer une matière capable d'entrer en réaction avec certains types de gaz de poids moléculaire élevé ou-de fixer ces gaz,en guise de moyen pour retenir ces derniers et empêcher leur diffusion dans la chambre de combustible pour diluer le gaz de transfert de chaleur Cela peut se produire aussi bien lorsque le gradient thermique entre le combustible et son revêtement est réduit à zéro, que lorsque le réacteur est mis à l'arrêt. L'invention a par conséquent pour objet de propo- ser un élément combustible pour réacteur nucléaire pré- sentant un transfert de chaleur améliora à travers l'in- S tervalle entre le combustible et le revêtement, L'inven- tion vise aussi à proposer un élémeint combustible pour réacteur nucléaire renfermant un moyen pour séparer le -gaz d e transfert thermique, d: faible poids mo ldculaire, et les gaz de fission de poids molé 6 ulaire élevé, en vue d'améliorer le transfert de chaleur à travers l'in- tervalle entre le combustible et son rov tement. L'invention va à présent être décrite plus en dé- tail à titre d'exemples nullement limitatifs en regard du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une coupe longitudinale fragmen- taire de l'élément combustible selon l'invention la figure 2 est une coupe transversale dudit élément combustible, selon la ligne 2-2 de la figure 1, représentant l'une des formes de réalisation de l'in- ventio n' la figure 3 est une coupe transversale de l'élé- ment combustible illustrant une autre forme de réalisa- tion de l'invention;et la figure 4 est une coupe transversale dudit élé- ment combustible montrant une autre variante de réalisa- tion selon l'invention. La figure I représente un élément combustible 10 qui comporte un tube externe 12 de revêtement subdivisé en une chambre supérieure 14 de combustible, relativement longue, et en une chambre inférieure 16 d'accumulation, relativement courte, ces chambres étant séparées par un collet de support 18 s'étendant vers l'intérieur Dans l'espace interne de la chambre 14, un noyau central cylin- drique 20 de combustible, en appui sur le collet 18, présente une circonférence externe 22 dont le diamètre est légèrement plus petit que celui d'une face interne 24 de la paroi du tube 12, afin de donner naissance à un étroit intervalle annulaire 26 Plusieurs gorges ( ou canaux) longitudinales 28, équidistantes sur le périmè- tre de la face 24 à l'intérieur de la chambre 14, par- courent cette chambre 14 de haut en bas jusqu'à la cham- bre d'accumulation 16 avec laqueila elles communiquent. Chaque gorge 28 possède une:,urface 30 formée dans le revêtement et une surface 32 Formée par le combustible, qu-i doivenmt être suffisamment espaces afin d'assurer, entre ces surfaces, une différence de température suffi- sante pour produire une séparation thermique A l'inté- rieur de la chambre 16, se trouve une matière 34 d'absorp- tion ou de fixation pour absorber certains gaz de pro- duits de fission et empêcher leur réintroduction dans la chambre 14 de combustible pendant des périodes durant lesquelles l'élément combustible est refroidi. Comme le montre la figure 2, des gorges 28 sont équidistantes sur le périmètre de la face interne 24 Sur la figure 3, ces gorges sont équidistantes sur la péri- phérie de la circonférence externe 22 du noyau 20 de combustible alors que, sur la figure 4, des gorges 28 _ &ont distantes les unes des autres à la fois sur la face interne 24 et sur la circonférence externe 22 Dans cette forme de réalisation, il sera nécessaire de prévoir un agencement pour interdire une rotation du combustible par rapport à son revêtement, de telle sorte que les gorges restent mutuellement en regard pour assurer la différence de température L'homnme de l'art percevra d'autres procédés et configurations assurant des zones longitudinales localisées de d fférence de température accrue suffisante pour provoquer la séparation thermique dans le sens radial. L'élément combustible doit comporter au moins une et de préférence au moins trois gorges équidistantes pour produire la séparation appropriée des gaz De préfé- rence, ces gorges s'étendront vers le bas à partir du sommet de la chambre de combustible jusqu'à la chambre inférieure d'accumulation et elles peuvent être rectili- gnes ou être de configura-titn hel 4 codale dans le sens vertical. La profondeur des gorges, c'est-à-dire la distance entre la face chaude du noyau de combustible St la face plus froide du revêtement, doit être suffisante pour produire une différence locale de température dans le sens radial,entre le combustible et son revêtement, se traduisant finalement par une séparation entre les gaz de fission, de poids moléculaire élevé, et le gaz de transfert de chaleur, de poids moléculaire faible Il s'est avéré qu'une différence de température d'au moins C entre les parois chaude et froide crée les condi- tions adéquates pour une séparation convective par diffusion thermique des composants gazeux, La profon- deur exacte des gorges dépendra de la matière considérée utilisée en guise de combustible, de la largeur de l'intervalle annulaire, de la conductivité thermique de la matière formant le revêtement et d'autres facteurs. En général, la profondeur de chaque gorge, c'est-à-dire la distance entre les surfaces chaude et plus froide, sera d'au moins 0,005 cm et n'excédera pas environ 0,254 cm pour éviter l'oo-curence d'une amorce d'effets de convec- tion gazeuse dans la gorge La largeur des gorges peut varier d'environ 0,05 cm à environ I cm selon le périmè- tre interne du revêtement et le nombre de gorges. La matière de fixation appropriée pour absorber certains des types de gaz de fission tels que le césium 132 provenant de la désintégration du xénon 133 peut consister en des paillettes de zirconium. Cette matière peut être renferm Ae par la chambre d'accu- mulation sous la forme de particules séparées ou bien elle peut être appliquée sous la forme d'un revêtement sur la paroi de cette chambre En variante, cette mati- ère de fixation peut être présente dans la chambre d'accumulation sous la forme d'un manchon vertical poreux et cylindrique à extrémités ouvertes, qui supporterait le combustible à la place du collu L 18. L'expéiltoence suivante, menée pour démontrer la faisabilité de l'invention, utilise une seule et unique gorge pour diminuer l'accumulation, dans l'intervalle entre le combustible et le revêtement d'une barre de combustilile nucléaire, des gaz de fission de poids molé- culaire élevé. On a fabriqué un dispositif de simulation à barre de combustible compo Itant un, barre en oxyde d'aluminium longue de 228 cm, percée d'un seul alésage et Jogée dans un tube de revêtement en aluminium Des organes d'espa- cement ont été assujettis au " combustible " en A 1203 pour maintenir un intervalle R': dial nominal de 0,063 cm entre le combustible et son revêtement Un fil métallique chauffant a été placé le long Je l'axe de l'allésage traversant le combustible Les températures régnant à la surface et dans la région de l'âme ont été commandées par des thermocouplesd sposés à une distance d'approxi- mativement 8 cm à l'écart du fond et du sommet de l'em- pilement de combustible Des orifices d'échantillonnage des gaz ont été élaborés dans les chambres inférieure et supérieure du tube en aluminium L'extérieur de ce tube a été refroidi par de l'eau et maintenu à une tempé- rature de 20 C à 25 O C ( de l'entrée vers la sortie) afin d'établir un gradient thermique horizontal entre les surfaces respectives du " combustible " et du ' revê- tement " Les résultats de deux expériences sont résumés dans le tableau ci-après: ( At % Xe) Bal He Pression Comp du Comp du Temp CL Temp. du gaz gaz au gaz au au sommet CL au (M Pa l sommet fond (K) fond (K) Mélange gazeux renfermant au départ I 1,7 % Xe Puissance d'entrée: 80 W/m Zéro heure x 520 11,7 11,7 320 317 96 heures 310 10,1 26,8 318 325 Mélange gazeux renfermant au départ 52 % Xe Puissance d'entrés:89 W/m Zéro heure 350 52 52 371 366 18 heures 350 25 96 344 563 48 heures 240 29 99 343 553 Dorée d'équilibrage 9 approximativement 70 heures 5 x Durée d'équilibrage: approximativement 70 heures XX Durse d'quilibrage: approximativement a heures Temp C L température enregistrée dans la région centrale du combustible. Ces résultats montrent pour l'essentiel une quantité de 99 % de Xe au fond de la barre avec un mélange gazeux ini- tial renfermant 48 % de He pour 52 % de Xe, après 48 heures de. foncttonnement. On peut ainsi constater que les gorges ménagées dans l'élément combustible, associées à une chambre d'accu- mulation disposée au fond d'une barre combustible, servent à recueillir les gaz de fission ( Xe, Kr) de poids molé- cula re plus élevé engendrés lors de la combustion du combustible, ce qui permet à une forte concentration d'hé- lium de demeurer dans la région de plus forte puissance (c'est-à-dire proche du centre) de la barre combustible. Il en résulte une augmentation de la conductance de l'in- tervalle dans cette région, qui abaisse la température régnant dans la zone centrale du combustible Cela main- tient aussi le potentiel du combustible en oxygène par une réduction de la formation de produits de fission à l'intérieur de l'intervalle, en diminuant l'ampleur de l'interaction chimique entre le combustible et son revé- tement. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent tre apportées à l'élément combustible décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Elément combustible pour réacteur nucléaire comprenant un revêtement externe métallique de forme tubulaire qui présente une surface interne et des extré- mité supérieure et inférieure -bturées hermétiquement un noyau central Cylindrique de matière combustible de la classe des actinides dont la circonférence externe est logée à l'intérieur du tube de revêtement pour former une chambre de combustible, le diamètre de cette surface circonférentielle étant légèrement plus petit que le diamètre de l'espace interne du revêtement afin de ména- ger entre eux un étroit intervalle annulaire j ainsi. qu'un gaz de faible poids moléculaire emprisonné herméti- quement dans ledit revêtement en vue d'améliorer le transfert de chaleur, lors de l'irradiation, entre la face externe chaude de la matière combustible et la face interne relativement plus froide du revêtement, la fission de ladite matière combustible de la classe des actinidesengendrant, lors de l'irradiation de l'élément combustible, des gaz de produits de fission de poids moléculaire élevé qui se mélangent audit gaz de faible poids moléculaire et réduisent l'aptitude de ce gaz à transférer la chaleur, élément combustible caractérisé par le fait qu'il présente une petite chambre ( 16) d'accumulation gazeuse située dans le tube de revêtement ( 12) au-dessous de la chambre ( 14) de combustible et communiquant avec cette dernière, ainsi qu'au moins une gorge longitudinale ( 28) ménagée respectivement dans ladite face interne ( 24) de la paroi dudit revêtement ( 12) ou dans ladite circonférence externe ( 22) de la matière combustible ( 10), cette gorge ( 28) s'étendant sur la longueur de ladite chambre ( 14) de combustible pour communiquer avec ladite chambre ( 16) d'accumulation gazeuse 5 p-ar le fait que ladite gorge ( 28) communique avec ledit intervalle annulaire ( 26) pour former une zone locale de différence de température accrue entre la face chaude du combustible et la face relativement plus froide du revêtement sur toute la longueur de l'assemblage; et par le fait que la différence de température est suffisante pour provoquer une séparation thermique dans le sens radial entre le gaz de faible poids moléculaire et le gaz de fission de poids molécu- laire élevé, ce dernier migirant par diffusion thermique vers la surface plus froide du revêtement ( 12) et des- cendant par gravité le long de la surface de la chambre inférieure ( 16) d'accumulation, cependant que le gaz de faible poids moléculaire demeur-e dinrs la chambre s ipé- rieure ( 14) de combustible, séparant ainsi les gaz de fission de poids moléculaire élevé du gaz de transfert de chaleur' de faible poids moléculaire, en maintenant les propriétés de ce dernier à transférer la chaleur, 2 Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre ( 14) dudit élé- ment combustible ( 10) présente au moins trois gorges longitudinales ( 28) équidistantes. -3 Elément combustible selon la revendication 2-, caractérisé par le fait que la différence de température entre la face chaude du combu tible ( 10) et la face relativement plus froide du revêtement ( 12) est d'au moins 600 C dans la région des gorges ( 28). 4 Elément combustible selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la distance entre la face chaude du combustible ( 10) et la face plus froide du revêtement ( 12) est d'au moins 0,005 cm dans la région des gorges ( 28). Elément combustible selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la distance entre la face chaude du combustible ( 10) et la face plus froide du revêtement ( 12) est comprise entre 0,005 cm et 0,25 cm dans la région des gorges ( 28). 6 Elément combustible selon la revendication 5, caractérisé par le fait que I L chambre ci'a;cumulation ( 16) contient une matière d'absorption ou de fixation ( 34) destinée à réagir avec certains ghz do fission de poids moléculaire élevé pour empêcher saur réintroduc- tion dans la chambre ( 14) de combustible lorsque l'Vlé- ment combustible ( 10) s'est refroidi. 7 Elément combustible se Ion la revendication 6, caractérisé par le fait que la matière d'absorption ou de fixation ( 34) est du zirconium. 8 Elément combustible selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les gorges '28) sont ména- gées dans la face interne ( 24) de la paroi du revêtement ( 12). 9 Elément pombustible selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les gorges ( 28) sont prati- quées dans la circonférence externe ( 22) de la matière combustible ( 10). Elément combustible selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les gorges ( 283)-sont élabo- rées partiellement dans la face interne ( 24) de la paroi du-revêtement ( 12) et partiellement dans la circon- férence externe ( 22) de la matière combustible ( 10).