Brevet FR2543349A1 — publié le 19840928

ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE A TAUX DE COMBUSTION ELEVE POUR REACTEUR NUCLEAIRE L'assemblage combustible qui fait l'objet de l'invention concerne les coeurs des réacteurs nucléaires refroidis à l'eau. Cet assemblage comporte, de façon connue, un ensemble d'éléments combustibles qui sont des tubes de relativement faible diamètre de quelques mètres de longueur unitaire maintenus à l'écartement voulu les uns des autres au moyen de grilles d'espacement. On recherche pour ces réacteurs la possibilité de mettre en oeuvre des combustibles permettant d'atteindre des taux de combustion de plus en plus élevés afin d'espacer le plus possible les périodes d'arrêt pour recharge. On atteint couramment des taux de combustion de l'ordre de 33 000 MWJJ tonne de manière fissile et on recherche la possibilité d'atteindre des taux de combustion de l'ordre de 50 000 MWJ/tonne. I1 est connu pour augmenter le taux de combustion appelé aussi "burn up" de faire appel à des combustibles présentant un enrichissement plus éle- vé et de freiner la trop grande réactivité initiale de ces combustibles en incorporant à la charge des poisons consommables, en plus d'un ajout d'acide borique dans l'eau du circuit primaire.C'est ainsi qu'on utilise par exemple des barres poison contenant certains éléments tels que B, Gd ou Cd qui sont disposés au sein d'un certain nombre v d'assenblages combustibles dans des emplacements réservés pour de telles barresC'est ainsi qu'un assemblage combustible à pas carré, pour réacteur à eau pressurisée comporte par exemple 17 X 17 emplacements,dans lesquels sont disposés 264 éléments combustibles et 25 tubes de guidage. I1 est de pratique courante de loger dans un ou plusieurs de ces tubes de guidage des barres poison, contenant par exemple un verre au bore, qui absorbe I'excès de réactivité présent initialement dans la charge ; au fur et à mesure de l'irradiation, la section de capture de ce verre au bore décroit ce qui compense la perte progressive de réactivité de la charge. L'utilisation de telles barres poison, placées seulement dans quelques emplacements d'un nombre limité d'assemblages combustibles, présente l'inconvénient d'une répartition très hétérogène du poison consommable et donc d'une combustion irrégulière de la matière fissile. On constate, d'une part; une trop grande réactivité des éléments combustibles les plus éloignés des barres poison, avec des surchauffes pouvant entraîner des ruptures de gaine et,d'autre part, une réactivité trop faible des éléments combustibles les plus proches de ces barres poison avec comme conséquence une mauvaise utilisation du combustible. On a proposé pour remédier à cela d'incorporer le poison consommable au combustible lui-même et c'est ainsi par exemple qu'on peut réaliser des pastilles combustibles à base de U02 qui contiennent de petites quantités d'oxyde de gadolinium, Gd203. En effet l'élément Gd est un poison consommable particulièrement efficace. Cependant cette incorporation de Gd203 à U02, même en petites quantités, modifie les caractéristiques des pastilles frittées et en particulier diminue leur conductivité thermique ce qui rend l'écoulement de la chaleur produite au sein des pastilles plus difficile. Cn est donc obligé de limiter le taux d'enrichissement de ces pastilles et on doit donc alors utiliser dans le même réacteur d'autres pastilles,contenant seulement de l'U02 davantage enrichi. Ces taux d'enrichissement différents sont à nouveau une cause d'hétérogénéité de température de fonctionnement, et aussi d'hétérogénéité dans l'utilisation du combustible. De plus, la présence de Gd203 mélangé à U02 complique sérieusement les problèmes de retraitement des combustibles nucléaires. On a donc recherché la possibilité de réaliser des assemblages combustibles présentant une répartition particulièrement homogène d'un poison consommable, sans incorporer celui-ci au combustible, et sans se contenter de localiser ce poison consommable dans un très petit nombre d'emplacements réservés, habituellement utilisés pour des dispositifs de contrôle de la réactivité, tels que des barres de contrôle ou d'arrêt, des barres poison ou autres. Les assemblages combustibles pour réacteurs nucléaires refroidis à l'eau qui font l'objet de l'invention comportent un poison consomma-:: ble réparti dans un ensemble de fils poison de diamètre au plus égal au rayon des éléments combustibles, la majorité de ces fils poison étant logés dans des espaces disponibles entre les éléments combustibles. Ces fils poison sont de préférence sensiblement--rectilignes, et disposés parallèlement à l'axe de l'assemblage combustible, chacun de ces fils traversant au moins deux grilles et étant solidarisé avec elles. L'axe de chaque fil est de préférence aussi proche que possible du centre du carré formé par un ensemble de quatre logements adjacents d'une grille. De préférence, les fils poison traversent chaque grille dans un angle d'un logement d'élément combustible et sont solidarisés avec cette grille par un moyen de fixation convenable. Le diamètre de ces fils qui ne dépasse pas sensiblement le rayon des éléments combustibles est en général compris entre 2 et 5 mm et de préférence entre 2 et 4 mm De préférence également les fils poison comportent une âme contenant le poison consommable sous forme élémentaire ou sous forme de composé, tel qu'un oxyde, carbure etc.. ou encore sous forme d'alliage métallique.Cette âme est entourée d'une gaine constituée par un métal au alliage convenant pour l'utilisation prévue, tel qu'un alliage de ni-- ckel, un alliage de zirconium, du titane allié ou non allié, un acier inoxydable, ou encore un autre métal ou alliage. La gaine enserre de préférence l'âme, une liaison métallurgique étant avantageusement réalisée entre i'une et l'autre. La description détaillée et les figures ci-après montrent des modes de réalisation non limitatifs des assemblages suivant l'invention. Figure 1 partie de grille, vue en plan, faisant partie d'un assemblage combustible suivant l'invention. Figure 2 schéma en élévation d'un assemblage combustible suivant l'invention. Figure 3 vue en perspective d'un mode de liaison entre un fil poison et des grilles dans un assemblage combustible suivant l'invention. Figure 4 détail de la figure 3 montrant, vu en coupe,le mode de liaison de l'extrémité du fil poison avec une grille. Figure 5, vue d'un mode particulier de réalisation d'une patte de fi xation d'un fil poison à une grille. Comme on l'a dit plus haut, on utilise de préférence un fil poison constitué d'une âme, contenant le poison consommable, gainée par un métal ou alliage approprié. L'âme peut être constituée par l'élément poison lui-même tel que B; Gd, Cd ou encore par des composés tels que B4C, Gd203 ou encore par des alliages métalliques. On peut utiliser en particulier des alliages AgCd, tel que l'alliage contenant en á en masse Ag 70 - Cd 30 qui est particulièrement ductile se prêtant donc à la réalisation de fils de faible diamètre. La gaine est de préférence réalisée en un métal ou alliage apte à la trans for- mation, résistant à la corrosion par l'eau pressurisée ou bouillante au voisinage de 300 C. On peut utiliser en particulier des alliages à base de zirconium tels que les Zircaloy, du titane ou des alliages à base de titane, des aciers inoxydables, des alliages à base de nickel etc. On utilise de préférence des fils de faible section afin de ne pas faire obstacle de façon notable au passage de l'eau de refroidissement du réacteur.Le diamètre de ces fils doit être au plus égal au rayon des éléments combustibles c'est à. dire environ 5 mm. On utilise par exemple un fil poison composite ayant de préférence un diamètre d'âme compris entre 1 et 2 > mm gainé par une enveloppe d'épaisseur comprise entre 0,1 et 0,4 mm. Le diamètre extérieur du fil-est au plus égal au rayon des éléments combustibles et de préférence compris entre 2 et 4 mm. La liaison entre les fils poison et les grilles peut être réalisée d'un grand nombre de façons. La figure 1 est une vue en plan d'une partie d'une grille (1) du type 17 X 17, c'est à dire comportant 289 emplacements disposés suivant un pas carré, destinée à un assemblage combustible suivant l'invention. Cette grille (1) comporte d'une part 264 emplacements tels que (2), (3), (4), (5), prévus chacun pour le logement d'un élément combustible tel que (6) et d'autre part 25 emplacements tels que (7) (8), contenant chacun un tube de guidage tel que (9), (10) destiné à recevoir des dispositifs de réglage ou autre. Les fils poison tels que (11)-, (12), (13), (14) sensiblement rectilignes sont orientés parallèlement à l'axe de l'assemblage combustible, c'est à dire perpendiculairement au plan cela figure.On voit qu'ils sont localisés chacun dans un coin d'un des emplacements prévus pour le logement d'un élément combustible, au voisinage d'un centre tel que (15, 16, 17, 18) du carré formé par quatre logements adjacents. Dans le cas de la grille représentée, ces centres sont les points de croisement à angle droit de bandes métalliques disposées sur chant, telles que (19, 20) d'une part et (21, 22, 23) d'autre part. On comprend que grâce à cette disposition on obtient dans le plan de grille une répartition particulièrement homogène du poison consommable et donc du flux de neutrons thermiques en tous points. Grâce au faible diamètre du fil poison le passage libre pour la circulation d'un fluide de refroidissement, généralement de l'eau légère, n'est pas réduit de façon sensible et l'intervalle entre ce fil et la paroi de l'élément combustible aePius proche est suffisant pour éviter toute surchauffe locale. Dans le cas de la figure 1, si on utilise par exemple des éléments combustibles de 9,5 mm de diamètre extérieur lisés dans une grille au pas de 12,6 mm, on voit que,si les bandes ont 0,3 mm d'épaisseur, la paroi d'un fil poison de 2,5 mm de diamètre,placé de façon à tangenter les parois des bandes qui forment le coin dans lequel il est log6,est distante d'au moins 0,83 mm de la paroi de l'élément combustible qui se trouve dans le même logement; la distance croit d'ailleurs très rapidement dès que l'on. s'éloigne de 1a diagonale du logement du combustible. L'expérience montre qu'une telle distance minimale suffit pour empêcher toute surchauffe locale de la gaine de l'élément combustible le long de la génératrice la plus proche du fil poison. Pour obtenir ce résultat, il importe que les fils poison soient maintenus en place de façon suffisamment précise et sûre,dans leur coin, par des pattes de fixation telles que (24, 25) dont on décrira plus loin différents modes de fixation. Dans la pratique, on peut par exemple utiliser comme fil poison un fil à âmeenalliage Ag 70 > - Cd 30 m (pour cent en masse) de 2 mm de-dia- mètre comportant une gaine de 0,25 mm d'épaisseur en alliage. de zirconium du type Zircaloy 2. Un tel fil peut être réalisé par exemple par co étirage ou colaminage d'un produit de départ constitué d'un tube de zircaloy à l'intérieur duquel est logée une barre d'alliage Ag Cd. La figure 2 représente de façon schématique un assemblage combustible (26) vu en élévation. Cet assemblage comporte un ensemble de grilles telles que (27, 28, 29) qui sont semblables à la grille (1) de la figure 1. Ces grilles sont maintenues à distance convenable les unes des autres par un ensemble de 25 tubes de guidage tels que (30) qui se raccordent aux deux embouts inférieur (31) et supérieur (32) de façon connue de l'homme de métier. L'assemblage combustible comporte 264 éléments combustibles tels que (33) qui traversent les grilles comme cela est représenté figure 1. Enfin suivant l'invention, un ensemble de 64 fils poison tels -que (34, 35) est disposé dans l'assemblage combustible de la façon décrite plus haut. On remarque qu'on utilise dans cet assemblage deux dimensions de fils poison :des fils courts d'environ 3 m de longueur tels que (34) et des fils longs d'environ 4 m de longueur tels que (35). Le nombre de chacun de ces fils dépend de l'emplacement qu'occupera l'assemblage dans le réacteur. En effet, il y a intérêt,pour répartir la puissance de façon homogène,à augmenter la quantité de poison consommable contenue dans les assemblages combustibles situés au voisinage de l'axe du coeur du réacteur par rapport à la quantité contenue dans les assemblages situés à la périphérie de ce coeur. Pour la même raison, on augmente la quantité de poison dans la zone médiane de chaque assemblage par rapport aux deux zones d'extrémités. Ce résultat est obtenu par exemple en utilisant des fils de longueurs différentes. On pourrait aussi utiliser des fils dont la teneur en poison varierait d'une extrémité à l'autre de façon continue ou dis continue suivant des lois bien déterminées Les figures 3, 4, et 5 représentent des modes de montage et de fixation de ces fils poison dans un assemblage combustible. Le fil poison (36) comporte une âme (37) en alliage Ag Cd qui est entourée d'une gaine (38) en zircaloy. Ce fil poison est bouché à son extrémité supérieure par un bouchon (39) également en zircaloy -qui peut être soudé ou brasé. On voit que ce fil traverse un trou (40) percé dans une patte de fixation (41) qui est elle-même soudée ou brasée à une bande (42) qui fait partie d'une grille (43). Le fil poison (36) est ainsi solidarisé avec la grille (43) grâce à ce bouchon (39) qui sert de moyen de retenue et évite le glissement du fil poison (36) le long de l'axe de l'assemblage combustible. Le fil poison (36) est maintenu au passage à travers chaque grille, telle que la grille (44) par des languettes de retenue telles que (45, 46) qui sont en général découpées dans la bande. Comme le montre la figure 5, on peut aussi découper dans une bande (47) une patte de fixation (48) qui est pliée à angle droit par rapport au plan de la bande et dans laquelle on perce un trou (49) du diamètre voulu pour qu'il puisse âtie traversé par un fil poison. Comme cela a été dit plus haut, le nombre et les dimensions des fils poison dépendent de la quantité de poison consommable qu'on veut loger dans le coeur du réacteur. Dans le cas par exemple d'assemblages combustibles du type 17 X 17 pour réacteur à eau pressurisée, dans lesquels on se propose de loger sous forme de fil poison par exemple 11,52 kg d'alliage Ag Cd à 30 % en masse de Cd, on peut envisager d'utiliser 64 fils poison d'environ 4 m de long, chaque fil contenant 180 grammes de Ag Cd sous forme d'un fil de 2,4 mm de diamètre entouré d'une gaine en zircaloy de 0;2 mm d'épais- seur. Ce qui équivaut du point de vue absorption des neutrons thermi-ques à 202 grammes de gadolinium par assemblage combustible. Dn voit qu'un tel fil sera facilement logé-dans les coins des emplacements d'éléments combustibles des grilles. D'autres éléments poison peuvent être utilisés pour la réalisation de tels fils. I1 n'est pas nécessaire que ces fils comportent une âme ductile. L'âme peut en effet être constituée par exemple par un composé sous forme pulvérulente ou granulaire tel. qu'un oxyde, un carbureetc. On peut utiliser en particulier du B4C, ou encore du Gd203. De telles poudres peuvent être tassées à l'intérieur d'un tube en zircaloy ou autre métal ou alliage ayant un comportement satisfaisant dans les conditions d'utilisation. Outre les métaux ou alliages'déjà cités, on peut utiliser aussi pour le gainage du niobium allié ou non allié. REVENDICATIONS 1/ Assemblage combustible à taux de combustion élevée, pour réacteur nucléaire refroidi à l'eau, contenant un poison consommableZcaracté- risé en ce qu'il comporte un ensemble de fils poison, de diamètre au plus égal au rayon des éléments combustibles, la majorité de ces fils étant logés dans des espaces disponibles entre les éléments combustibles. 2/ Assemblage combustible suivant revendication 1 caractérisé en ce que les fils poison ont une structure composite constituée d'une âme qui contient le poison consommable et d'une gaine qui entoure cette âme. 3/ Assemblage combustible suivant revendications 2 caractérisé en ce que la gaine enserre l'âme. 4/ Assemblage combustible suivant revendication 2 ou 3 caractérisé en ce quel'âme est constituée par une matière pulvérulente suegranulaire, telle qu'un oxyde, un carbure ou un nitrure. 5/ Assemblage combustible suivant revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'âme est constituée par un métal ou alliage métallique homogène. 6/ Assemblage combustible suivant revendication 5 caractérisé en ce que l'âme est un alliage Ag Cd. 7/ Assemblage combustible suivant l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que l'âme a un diamètre compris entre 1 et 2,5 mm. 8/ Assemblage combustible suivant l'une des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que la gaine est en alliage de zirconium, ou en titane ou alliage à base de titane, ou en acier inoxydable ou en alliage à base de nickel ou en niobium ou alliage à base de niobium. 9/ Assemblage coibustible suivant l'une des revendications 2 à 8 caractérisé en ce que la gaine a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,4mfn. 10/ Assemblage combustible suivant l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le diamètre extérieur du fil poison est compris entre 2 et 5 mm et de préférence entre 2 et 4 mm. 11/ Assemblage combustible suivant l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que les fils poison sont sensiblement rectilignes,disposés parallèlement à l'axe d'assemblage, chaque fil poison étant solidarisé avec au moins deux grilles d'espacement par un moyen de fixation. 12/ Assemblage combustible suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'axe de chaque fil poison est aussi proche que possible du centre du carré formé par un ensemble de quatre logements adjacents d'une grille d'espacement.