Brevet FR2526212A1 — publié le 19831104

Assemblages combustibles pour réacteurs surrégénérateurs rapi- des à refroidissement par métal liquide, conçus pour créer un trajet de dispersion du combustible en cas d'accident. La présente invention se rapporte à des asseïblages combustibles de conception perfectionnée pour réacteurs surré- générateurs rapides à refroidissement par métal liquide. L'un des accidents qui doivent être envisagés dans une centrale équipée d'un réacteur surrégénérateur rapide à refroidissement par métal liquide, est la rupture hypothéti- que du coeur Cet accident implique une rupture importante du coeur dans laquelle une quantité sensible de combustible nu- cléaire fond avec sa gaine Le combustible nucléaire d'un ré- icteur surrégenérateur rapide à refroidissement par métal li- %uide est normalement refroidi par un écoulement ascendant de liquide de refroidissement, généralement du sodium, sur la sur- face des barres de combustible Lors d'une rupture hypothéti- que du coeur, on considère que la gaine fondue peut, en se déplaçant, former des obstacles qui réduisent la possibilité de retirer définitivement le combustible de la région du coeur, c'est-à-dire un blocage du coeur et par conséquent un état sous-critique permanent. L'objet principal de la présente invention est donc de fournir un assemblage combustible conçu pour réduire ou é- 1 Lminer la possibilité d'un gel de la gaine ou du combustible et, en conséquence, d'un bouchage ou blocage de la région du coeur. Afin de réaliser cet objet, la présente invention consiste en un assemblage combustible pour réacteur surrégéné- rateur rapide à refroidissement par métal liquide, comprenant un conduit entourant un faisceau de barres de combustible, chaque barre de combustible contenant, dans une gaine, des pas- tilles de com Dustible disposées au centre et des pastilles de C Ouverure placées aux extrémités longitudinales opposées des pastilles de combustible situées au centre, et une chambre de qaz de fission Cet assemblage combustible est caractérisé par le fait que les pastilles de couverture supportées dans la gaine sont espacées des pastilles de combustible, une partie au moins de la chambre de gaz étant formée entre les pastilles de combustible et les pastilles de couverture. Un assemblage combustible conçu pour un réacteur sur- régénérateur rapide à refroidissement par métal liquide a été mis au point Dans cet assemblage, l'emplacement des régions longitudinales de couverture et des chambres de gaz de fission dans les barres individuelles de combustible et, en outre, leur hauteur axiale dans les barres de combustible sont répar- tis dans l'assemblage combustible afin de constituer une voie de dispersion du combustible dans le sens longitudinal, permet- tant d'évacuer un matériau fondu. La présente invention sera bien comprise à la lectu- re de la description suivante faite en relation avec les des- sins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique de profil d'un assemblage combustible pour réacteur surrégénérateur rapide à refroidissement par métal liquide; la figure 2 est une vue schématique de profil d'une barre individuelle de combustible d'un assemblage combustible caractéristique de conception courante pour réacteur surrégé- nérateur rapide à refroidissement par métal liquide; la figure 3 est u diqué par la figure 1; la figure 4 est u est indiqué par la figure 2; la figure 5 est u comme il est indiqué par la f la figure 6 est u la figure 7 est u diqué par la figure 4; et la figure 8 est u de l'assemblage combustible q vention. ne vue en coupe comme il est in- n exemple de réalisation comme il n deuxième exemple de réalisation igure 2; ne vue d'un détail de la figure 4; ne vue en coupe comme il est in- ne vue en perspective isométrique ui est l'objet de la présente in- On se reportera maintenant à la figure 1 qui illustre un assemblage combustible pour un réacteur surrégénérateur ra- pide à refroidissement par métal liquide de conception carac- téristique Un assemblage combustible est généralement un grou- pement de barres 1 de combustible dont l'une est illustrée à la figure 2 Les barres 1 de combustible sont rassemblées afin de former un faisceau qui est entouré d'un conduit 2 servant à véhiiculer et à diriger l'écoulement du fluide de refroidisse- ment sur la surface des barres 1 Un espacement est maintenu entre les barres 1 du faisceau au moyen d'un fil 3 enroulé au- tour de chaque barre individuelle 1 comme le représente la fi- gure 3; cet espacement peut également être réalisé et mainte- nu au moyen de sommiers alvéolés et (ou) à claire-voie non re- présentés sur les dessins. Les espacements entre les barres 1 de combustible sont réduits du fait de la présence du fil d'enveloppe ou des sommiers d'écartement, de sorte qu'il reste très peu de place pour l'écoulement du fluide de refroidissement Lors d'une rupture nypothétique du coeur, le combustible fondu et le ma- tériau fondu de la gaine sont dispersés par l'action des pres- sions du gaz de fission ou des tensions de vapeur du combusti- ble ou de l'acier produites par un emballement du coeur Ur e voie de remontée de ces matériaux fondus est constituée par le trajet normal d'écoulement du fluide de refroidissement dans le sous-assemblage combustible à l'intérieur du conduit 2 La capacité pour les matériaux fondus du coeur de pénétrer dans le faisceau de barres 1 de combustible est très importan- te pour une fin rapide de l'accident Si une évacuation suffi- sante ne peut se faire, l'accident va se poursuivre par des phases qui peuvent avoir pour résultat un nouvel état critique et, en conséquence, des emballements ultérieurs L'évolution de l'accident dépend, de manière décisive, de la nature du blocage constitué par l'acier ou le combustible à la partie supérieure du coeur Si les matériaux fondus gèlent sur la surface des barres 1 de combustible, il pourra en résulter un boucâage du trajet d'écoulement L'assemblage combustible pour- rait être complètement fermé ou bloqué, empêchant l'évacuation des matériaux fondus. Mfin de réduire ou d'éliminer le risque d'un gel des matériaux fondus et d'un bouchage du trajet d'écoulement, il apparait qu'il faut élargir ce dernier ou trouver un procédé qui empêche le gel des matériaux fondus. On se reportera maintenant à la figure 2 A P'inté- rieur de chaque barre 1 de combustible sont empilées des pas- tilles; la partie centrale de cet empilement constitue le coeur 4 composé de pastilles de combustible (figures-4, 5) constituées d'un matériau combustible fissile La partie supé- rieure est constituée d'un matériau non combustible destiné à surrégénérer le combustible fissile Cette région appelée cou- verture axiale supérieure 5 contient un matériau composé prin- cipalement d'une matière fertile sous la forme de pastilles de couverture Une région inférieure, appelée couverture axiale in- férieure 6, contient également une matière fertile sous la for- me de pastilles de couverture En fonctionnementces deux ré- gions de couverture se trouvent généralement à des températu- res inférieures à celles des pastilles de combustible car la réaction de fission qui crée la puissance du coeur se produit dans le combustible fissile Les pastilles, aussi bien de cou- verture que de combustible, sont empilées At généralement main- tenues ensemble par un mécanisme à ressort Une chambre 8 de gaz de fission est formée à l'intérieur du ressort, au-dessus de l'empilement de pastilles. Lorsque le combustible fondu ou le matériau fondu de la gaine effectue un mouvement ascendant à l'extérieur de la gaine 9 entourant la barre de combustible, le long de cette dernière, il tend à geler et à boucher le conduit 2 lorsque ce matériau fondu subit une baisse brutale importante de tempéra- ture dans la région supérieure 5 formée par les pastilles de couverture Au contraire, un gel et, en conséquence, un boucha- ge relativement peu importants se produiront dans la région de la chambre 8 de gaz de fission car il n'y a qu'une faible bais- se de température due à la gaine. Une solution qui donnerait à un assemblage combusti- ble une capacité de blocage relativement faible, consisterait à enlever complètement la couverture axiale supérieure 5 Cepen- dant, cette couverture 5 constitue l'un des endroits principaux de surrégénération du plutonium dans le réacteur et elle forme le principal bouclier à neutrons pour les structures permanen- tes telles que les parties internes supérieures situées au- dessus des assemblages amovibles Conformément à la présente invention, la couverture 5 est espacée axialement de la région du combustible, de sorte que les possibilités de blocage à l'intérieur de l'assemblage combustible sont réduites car l'es- pace prévu fournit une voie de dégagement des matériaux fondus. On se reportera maintenant à la figure 4 Suivant la présente invention, il doit y avoir au moinis deux types de bar- res 1 de combustible Dans ces deux types, la chambre 8 de gaz de fission est divisée en deux parties dont l'une sépare les pastilles 13 de couverture des pastilles 12 de combustible Les pastilles 13 de couverture sont empilées sur un disque 10 de support qui s'appuie sur un rebord intérieur il ou dépression formé dans la gaine 9 de la barre de combustible- La figure 5 illustre un second type de barre 1 de combustible, dans laquel- le la partie de la chambre 8, située entre les pastilles 12 de combustible et les pastilles 13 de couverture, est plus gran- de que la partie de la chambre au sommet de la barre de com- bustible. La figure 6 représente des détails du rebord il et du disque 10 de support, ainsi que la figure 7. Le faisceau de barres 1 de combustible rassemblées pour former un assemblage combustible, se compose d'aiguilles de combustible du type 1 et du type 2 représentés aux figures 4 et 5 Il est préférable que les barres de combustible com- portant un écartement plus grand entre les pastilles 13 de couverture et les pastilles 12 de combustible, soient placées au centre d'un assemblage et soient entourées de barres de combustibles dans lesquelles l'écartement entre les pastilles 13 de couverture et les pastilles 12 de combustible est petit. En conséquence, les régions de couverture axiale 5 de barres de combustible contiguës seront axialement décalées les unes par rapport au autres Comme le représente la figure 8, il se forme un trajet d'écoulement de dispersion du fluide de refroi- dissement, indiqué par des flèches, qui pourrait être suivi par le matériau fondu sans que ce dernier subisse une baisse bru- tale de température dans la région formée par les pastilles de couverture. D v,rse md ifications de la pr 4 sente invention pour- raient être envisagées Par exemple, on pourrait imaginer fa- cilement plus de deux types de barres de combustible utilisées dans le même but Il n'est pas nécessaire de diviser la cham- bre de gaz de fission en deux parties; on pourrait simplement diminuer ou augmenter ses dimensions selon la nécessité On pourrait modifier la disposition géométrique de la figure 8 établissant deux zones, de manière à obtenir plus de deux zo- nes ou des zones de forme géométrique différente. Dans le présent exemple de réalisation, on a décrit une variante conçue pour permettre au combustible fondu de quitter la région 4 du coeur et (ou) l'assemblage par un déga- gement vers le haut, de manière à assurer un état sous-critique. De même, on peut modifier la couverture axiale inférieure 6 en incorporant une chambre 8 de gaz de fission et (ou) en modi- fiant les longueurs appropriées des régions formées par les pastilles 13 de couverture, afin de permettre une évacuation du combustible vers le bas depuis l'enveloppe originale de la région du coeur, avec également pour résultat de réduire l'é- tat critique. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contrai- re susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Assemblage combustible pour réacteur surrégénéra- teur rapide à refroidissement par métal liquide, comprenant un conduit ( 2) entourant un faisceau de barres ( 1) de combustible, chaque barre ( 1) de combustible contenant dans une gaine ( 9) des pastilles ( 12) de combustible disposées au centre et des pastilles ( 13) de couverture placées aux extrémités longitu- dinales opposées des pastilles ( 12) de combustible situées au centre, et une chambre ( 8) de gaz de fission, cet assemblage combustible étant caractérisé en ce que les pastilles ( 13) de couverture supportées dans la gaine ( 9) sont espacées des pas- tilles ( 12) de combustible, une partie au moins de la chambre ( 9) de gaz étant formée entre les pastilles ( 12) de combusti- ble et les pastilles ( 13) de couverture. 2 Assemblage combustible suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les barres ( 1) de combustible de cet assemblage sont disposées dans deux zones, ces zones comprenant des barres ( 1) de combustible dans lesquelles des chambres de longueurs différentes sont formées entre les pastilles ( 12) de combustible et les pastilles ( 13) de couverture. 3 Assemblage combustible suivant l'une des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé en ce que l'une des zones est dis- posée au centre de l'autre - 4 Assemblage combustible suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les chambres dans les barres de combus- tible dç la zone centrale ont des longueurs sensiblement supé- rieures à celles des barres de commande de la zone extérieure. Assemblage combustible suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur axiale des chambres situées au-dessus des pastilles ( 12) de combustible dans une zone, est supérieure à la somme de la longueur axiale des chambres ( 8) au-dessus des pastilles de combustible et de la longueur axia- le de l'empilement des pastilles ( 13) de couverture dans l'autre zone. 6 Assemblage combustible suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les barres ( 1) de combustible contiennent un disque ( 10) de support qui s'ap- puie sur un rebord intérieur ( 11) afin de déterminer la hauteur axiale de l'empilement des pastilles de couverture et l'empla- cement de toutes les pastilles à l'intérieur de l'aiguille de combustible, et supporter les pastilles ( 13) de couverture à l'intérieur de la gaine ( 9) avec un certain écartement par rapport aux pastilles ( 12) de combustible.