Brevet FR2548434A1 — publié le 19850104

La présente invention concerne d'une manière générale un perfectionnement apporté à un chapeau terminal de fermeture de l'extrémité d'un tube de gainage d'élément ou de barre de combustible nucléaire et, plus particulièrement, un cha5 peau terminal muni d'une capsule de gaz de marquage qui en est solidarisée. Pendant le fonctionnement de réacteurs nucléaires, il peut survenir une détérioration d'un élément de combustible nucléaire se traduisant par la libération dans le caloporteur 10 et finalement dans l'environnement de matériau combustible nucléaire et de produits de fission radioactifs De plus, du caloporteur peut pénétrer dans l'élément combustible détérioré et réagir avec les matériaux combustibles, provoquant des dommages supplémentaires Il importe donc de pouvoir rapide15 ment déceler la détérioration d'un élément combustible et détériorer l'emplacement de l'élément combustible détérioré. L'une des méthodes connues de détection de la détérioration d'un élément combustible a recours à l'analyse de gaz préalablement introduits dans l'élément combustible Selon cette méthode, dite de "marquage au gaz", on utilise des gaz de marquage (aussi appelés "gaz d'identification) On s'est livré à diverses études sur les sortes de gaz dont on dispose comme gaz de marquage, sur les dispositifs de détection de gaz etc. Certains rapports indiquent que des gaz rares tels que, par 25 exemple, xénon, krypton et leurs isotopes conviennent pour introduction dans des éléments nucléaires, soit isolément soit sous forme de mélanges dans des proportions déterminées. Conformément à une méthode selon la technique antérieure d'introduction du gaz de marquage dans l'élément combustible, 30 on enferme le gaz de marquage dans une capsule qu'on scelle et qui est munie d'un moyen de descellement, et l'on place la capsule de gaz de marquage ainsi formée dans l'élément combustible Lorsqu'une certaine température se trouve atteinte dans l'élément combustible, le moyen de descellement agit 35 pour libérer dans l'intérieur de l'élément combustible le gaz de marquage enfermé dans la capsule S'il apparaît, dans un coeur de réacteur, une détérioration du tube de gainage de l'élément combustible, le gaz de marquage s'échappant de 1 ' élément combustible permet de déterminer l'emplacement de 1 ' élément combustible détérioré, par exemple par analyse par spectrométrie de masse d'un échantillon prélevé sur le gaz de couverture du réacteur. Un problème qui se pose dans l'application pratique du marquage au gaz est celui de savoir comment associer ou faire se correspondre l'élément combustible et la capsule de gaz de marquage qui y est chargée, lors de la fabrication de 1 ' élément combustible Dans l'élément combustible courant type, on remplit un tube de gainage de combustible, dont l'extrémi10 té inférieure est fermée par un chapeau terminal qui lui est soudé, d'une pluralité d'agglomérés de combustible nucléaire, et l'on charge la capsule de gaz de marquage dans un espace supérieur du tube de gainage, puis on ferme hermétiquement l'extrémité supérieure du tube de gainage au moyen d'un cha15 peau terminal supérieur Donc, selon la technique antérieure, la capsule de gaz de marquage est réalisée en tant qu'élément séparé et indépendant du chapeau terminal Il est donc nécessaire de relever manuellement la correspondance entre l'élément combustible et la capsule de gaz de marquage chaque fois 20 qu'on charge des capsules de gaz de marquage dans des éléments combustibles De plus, il faut procéder à un examen radiographique non destructif, après le chargement de la capsule de gaz de marquage, pour examiner l'état de la capsule chargée dans l'élément combustible Il faut donc consacrer beaucoup de main-d'oeuvre au relevé opéré lors du chargement de la capsule et à l'examen non destructif effectué après le chargement De plus, du fait que la précision de l'examen non destructif est limitée, la fiabilité des indications obtenues par exemen après le chargement est aussi pratiquement limitée. 30 La présente invention a pour but d'apporter à un chapeau terminal de tube de gainage et à une capsule de gaz de marquage un perfectionnement permettant de triompher des inconvénients sus-exposés de la structure courante. Elle a aussi pour but de proposer une combinaison d'un 35 chapeau terminal et d'une capsule de gaz de marquage qui n' oblige pas à relever la correspondance entre l'élément combustible nucléaire et la capsule de gaz de marquage qui y est chargée et qui permette de réduire la main-d'oeuvre consacrée à l'examen non destructif opéré après chargement de la capsu- le de gaz de marquage. Suivant la présente invention, il est prévu une structure unitaire de chapeau terminal et de capsule de gaz de marquage dans laquelle la capsule de gaz de marquage fait corps avec le chapeau terminal Le chapeau terminal présente une surface extérieure sur laquelle sont portées des indications relatives au gaz de marquage contenu dans la capsule de gaz de marquage En variante, on donne au chapeau terminal une forme particulière servant à identifier le gaz de marquage 10 présent dans la capsule de gaz de marquage. La capsule de gaz de marquage est reliée par soudage ou analogue au tronçon d'extrémité intérieur du chapeau terminal qui regarde l'intérieur du tube de gainage d'un élément combustible On insère la capsule de gaz de marquage ainsi for15 mée et le chapeau terminal dans le tube de gainage, puis on soude hermétiquement le chapeau terminal au tube de gainage. La capsule de gaz de marquage à combiner avec le chapeau terminal suivant la présente invention peut avoir diverses structures comme, par exemple, une structure ayant recours aux caractéristiques de ressorts en un alliage à mémoire des formes, ou une structure ayant recours aux caractéristiques d'un sceau fusible en un métal ou alliage à bas point de fusion. Le dessin annexé illustre trois modes de réalisation pré25 férés de la présente invention afin de faire comprendre, conjointement avec la description, le principe de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe d'un chapeau terminal combiné avec une capsule de gaz de marquage pour former une structure unitaire qui est insérée dans un tube de gainage de combustible d'élément de combustible nucléaire, illustrant un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est, comme la figure 1, une vue en coupe de la structure combinée de chapeau terminal et de capsule de gaz de marquage adaptée au tube de gainage, illustrant un 35 second mode de réalisation de l'invention, et la figure 3 est, comme les précédentes figures du dessin, une vue en coupe de la structure combinée de chapeau terminal et de capsule de gaz de marquage adaptée à un tube de gainage semblable, illustrant un troisième mode de réalisa- tion de l'invention. On va décrire en détail la présente invention en se référant aux réalisations préférées illustrées par les figures 1 et 3 Les figures 1 et 2 illustrent des exemples de chapeau 5 terminal combiné avec des capsules de gaz de marquage du type utilisant un alliage doté de mémoire des formes façonné sous forme de ressort hélicoidal ayant un état d'expansion ou d' allongement mémorisé dans sa phase bêta et comprimé dans sa phase martensite pour être posé dans la capsule, et la figure 10 3 représente un exemple combiné avec une capsule à gaz de marquage du type à fermeture par un sceau fusible et placé dans un récipient qui est fixé à un chapeau terminal. On se réfère d'abord à la réalisation selon la figure 1; un tampon ou chapeau terminal 1 est fixé par sa partie inté15 rieure la à une capsule de gaz de marquage 3 La capsule de gaz de marquage 3 représentée à titre d'exemple sur la figure 1 comporte un tube sensiblement cylindrique 4 dont une extrémité est reliée au chapeau terminal 1 et dont l'autre extrémité est hermétiquement délimitée par une membrane ou dia20 phragme mince 5 Dans la capsule à gaz de marquage 3 est disposé un poinçon ou élément pénétrant 10 qui est situé en face et à une certaine distance du diaphragme 5 L'élément pénétrant 10 destiné à perforer le diaphragme 5 présente, dans l'exemple illustré, un prolongement ou tuyau pointu 6 à ex25 trémité taillée en biais comme représenté, et un ressort hélicoidal 7, servant de dispositif moteur propre à pousser le prolongement pointu 6 contre le diaphragme 5 Le ressort hélicoidal 7 est en un alliage doté de mémoire des formes qui comporte un état de dilatation déterminé mémorisé dans sa phase bêta et qu'on a comprimé dans sa phase martensite pour le poser dans la capsule 3 Une extrémité du ressort 7 porte contre l'embase annulaire 11 du prolongement pointu 6 et 1 ' autre extrémité est ancrée au niveau d'une saillie intérieure 8 ménagée par une technique d'étirage à un endroit déterminé 35 du tube cylindrique 4 de la capsule à gaz de marquage 3 Le prolongement pointu 6 sous la forme d'un tuyau sert de passage à travers lequel le gaz de marquage s'écoule quand le diaphragme 5 est rompu par l'élément pénétrant 10. Le chapeau terminal 1 présente un passage 9 le traversant pour permettre de remplir de gaz de marquage la capsule 3. Comme représenté, le passage 9 débouche à l'intérieur de la capsule 3 et à l'extérieur de la capsule On scelle le passage 9, par exemple par technique de soudage au laser, après avoir rempli la capsule 3 de gaz de marquage à travers le passage 9 A ce moment, des indications relatives au gaz de marquage introduit et à la capsule de gaz de marquage sont confirmées et marquées en conséquence sur la surface extérieure du chapeau terminal 1 En variante, on peut préparer diverses formes de chapeaux terminaux et affecter particulièrement l'une d'elles aux indications relatives àla capsule et au gaz de marquage qu'elle contient Les indications relatives à la capsule de gaz de marquage 3 comportent, par exemple, les conditions de fabrication de la capsule, la date de fabrica15 tion, le lieu de fabrication etc, afin que ces données puissent éventuellement être de quelque assistance dans la recherche des motifs lorsqu'on constate en fonctionnement la détérioration de la capsule On insère la capsule de gaz de marquage 3 ainsi formée, fixée au chapeau terminal 1, dans un tube de gainage de combustible 2 d'élément de combustible nucléaire, puis on soude hermétiquement le chapeau terminal 1 sur le tube de gainage 2 Pour desceller une capsule de gaz de marquage, il suffit de la chauffer au-delà de la température critique de l'alliage à mémoire des formes Du fait du chauffage, le dispositif moteur formé par le ressort hélicoidal 7 se dilate et pousse le prolongement pointu 6 contre le diaphragme 5 pour rompre celui-ci de sorte que le gaz de marquage présent dans la capsule 3 est libéré de celle-ci, mais à l'intérieur du tube de gainage de combustible 2 de l'élément com30 bustible. Le choix de l'alliage doté de mémoire des formes constituant le ressort 7 n'est pas particulièrement limité mais, du point de vue de la résistance à la corrosion et de l'économie neutronique, il est préférable d'utiliser un alliage 35 nickel-titane appelé Nitinol, offrant l'avantage qu'on peut déterminer sa température critique par choix judicieux de sa composition. La figure 2 représente un chapeau terminal modifié selon la présente invention, qui est relié à un autre type de cap- suie à gaz de marquage comportant un ressort hélicoïdal en alliage doté de mémoire des formes Le chapeau terminal 21 est encore réuni avec la capsule de gaz de marquage 23 en une structure unitaire Dans la structure selon la figure 2, on assemble d'abord la capsule de gaz de marquage 23 La capsule 23 comporte un tube sensiblement cylindrique 24 et est scellée à une de ses extrémités par un tampon 30 présentant un trou 29 d'introduction de gaz A l'autre extrémité de la capsule 23 est disposé un élément pénétrant 20 comportant un prolongement pointu 26 et un ressort hélicoidal 27 en un alliage doté de mémoire des formes, le prolongement pointu 26 étant situé en face et à une certaine distance du chapeau terminal 21 Le chapeau terminal présente, dans la réalisation selon la figure 2, une cavité 32 de réception du prolon15 gement pointu 26 et un diaphragme mince 25 monté dans la cavité 32 La référence numérique 31 désigne un passage destiné à décharger le gaz de marquage hors de la capsule, mais à 1 ' intérieur du tube de gainage de combustible 22 quand le prolongement pointu 26 est poussé contre le diaphragme 25 pour 20 rompre celui-ci On fixe le chapeau terminal 21 à la capsule 23 par soudage ou analogue pour réaliser une structure unitaire On remplit la capsule de gaz de marquage 23 avec le gaz de marquage déterminé à travers le trou 29 du tampon 30 et l'on scelle ensuite le trou 29, par exemple par soudage au 25 laser A ce moment, des données relatives au gaz de marquage et à la capsule 23 sont confirmées et indiquées sur la surface extérieure du chapeau terminal 21 En variante, la forme du chapeau terminal 21 peut être appariée avec les indications concernant le gaz de marquage et la capsule On engage 30 ensuite le chapeau terminal 21 dans le tube de gainage 22 de façon que la capsule de gaz de marquage 33 soit insérée et positionnée dans le tube de gainage 22 par soudage ou analogue. Le descellement de la capsule 23 s'opère de la même ma35 nière que dans la structure selon la figure 1 Quand la température de l'élément combustible nucléaire s'élève au-dessus de la température critique de l'alliage doté de mémoire constituant le ressort hélicoidal 27, le ressort 27 se déploie pour pousser le prolongement pointu 26 afin de rompre le diaphragme mince 25 Ainsi, le gaz de marquage présent dans la capsule 23 se décharge hors de la capsule à travers le passage de déchargement de gaz de marquage 31 et un espace longitudinal défini entre la surface intérieure du tube de gainage de combustible 22 et la surface extérieure de la capsule 23 le long de la capsule. La figure 3 représente encore une autre réalisation de l'invention, dans laquelle un gaz de marquage est enfermé par un sceau fusible 44 dans une capsule de gaz de marquage 43, 10 et la capsule de gaz de marquage 43 est positionnée et fixée dans un tube cylindrique ou récipient 45 Le récipient 45 est relié, par une technique appropriée comme de soudage ou de vissage, à un chapeau terminal 41 qui présente un passage de déchargement de gaz de marquage 46 La référence numérique 47 15 désigne un tampon de fermeture qui ferme une extrémité du récipient 45 et maintient en place la capsule à gaz de marquage 43 Une fois le chapeau terminal 41 fixé au récipient 45, on porte sur la surface extérieure du chapeau terminal 41 des indications relatives à la capsule de gaz de marquage 43 et au gaz de marquage contenu dans la capsule Ensuite, on insère le récipient à capsule de gaz de marquage 45 dans le tube de gainage de combustible 42, semblable à ceux selon les modes de réalisation précédents, et l'on scelle hermétiquement le chapeau terminal 41 sur le tube de gainage de combustible, par exemple par soudage La capsule de gaz de marquage 43 utilisée dans l'exemple illustré comporte pour sa fermeture un sceau fusible 44 Le sceau fusible 44 est en métériaux tels par exemple que métaux à bas point de fusion ou alliages à point de fusion inférieur à la température que le caloporteur 30 présente dans le réacteur pendant le fonctionnement du réacteur, de sorte que le gaz de marquage est libéré dans l'intérieur de l'élément combustible à la température sus-indiquée à travers le passage 46 et un espace ménagé entre le tube de gainage 42 et le récipient 45 La capsule de gaz de marquage 35 43 représentée sur la figure 3 est connue comme décrit dans le brevet US 3 957 576 (Boyer et al) et on ne décrira pas à nouveau la structure de capsule représentée sur la figure 3. Comme on l'a décrit, ilest prévu suivant la présente invention un chapeau terminal muni d'une capsule de gaz de mar- quage dans lequel la capsule de gaz de marquage fait corps avec l'extrémité intérieure du corps du chapeau terminal fermant une extrémité d'un tube de gainage de combustible Par conséquent, après l'assemblage, la capsule de gaz de marquage est contenue dans le tube de gainage de combustible et est donc invisible Toutefois, puisque des indications relatives au gaz de marquage présent dans la capsule de gaz de marquage sont portées sur la surface extérieure du corps de chapeau terminal qui est solidaire de la capsule, il est possible d' 10 obtenir des renseignements sur le gaz de marquage et sur la capsule de gaz de marquage en vérifiant les indications portées sur le chapeau terminal, ou la forme du chapeau terminal. On peut appliquer ce principe même lorsqu'on utilise un grand nombre de gaz de marquage différents, pourvu qu'on choisisse 15 des indications et des formes de chapeau propres à indiquer clairement les correspondances entre les différents gaz de marquage et les éléments combustibles. Ainsi, suivant la présente invention, les indications sur le gaz de marquage et la capsule de gaz de marquage sont 20 appariées avec les marques portées sur les corps de chapeau terminal ou avec les formes de chapeau terminal lorsqu'on intègre les capsules de gaz de marquage ou leurs récipients aux chapeaux terminaux, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de relever manuellement la correspondance entre les éléments combustible et les capsules de gaz de marquage qu'ils contiennent En outre, il est possible d'obtenir aisément des indications sur les gaz de marquage et les capsules de gaz de marquage en vérifiant les mentions portées sur les chapeaux terminaux ou les formes des chapeaux terminaux, même une fois 30 les capsules de gaz de marquage insérées dans les éléments combustibles et scellées dans ceux-ci, par exemple par soudage Ceci réduit la main-d'oeuvre à consacrer à l'essai non destructif opéré après chargement des capsules de gaz de marquage dans les éléments combustibles. Bien qu'on ai décrit la présente invention en se référant aux réalisations préférées, on pourra adopter de nombreuses modifications et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Chapeau terminal muni d'une capsule de gaz de marquage pour la fermeture d'une extrémité d'un tube de gainage d'élément de combustible nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend un corps de chapeau d'extrémité ( 1; 21; 41) pour la fermeture d'une extrémité d'un tube de gainage de combustible ( 2; 22; 42) et une capsule de gaz de marquage ( 3; 23; 43) réunie d'un seul tenant avec une extrémité dudit chapeau terminal pour former une structure unitaire, ledit corps de chapeau terminal présentant une surface extérieure qui porte des indications relatibes au gaz de marquage présent dans ladite capsule de gaz de marquage. 2 Structure unitaire de chapeau terminal et de capsule de gaz de marquage selon la revendication 1, caractérisée en 15 ce que la capsule de gaz de marquage comporte un tube sensiblement cylindrique ( 4; 24) relié par une extrémité audit corps de chapeau terminal, un diaphragme mince ( 5; 25) délimitant hermétiquement l'autre extrémité du tube cylindrique et un élément pénétrant ( 10; 20) disposé en face et à une certaine distance dudit diaphragme mince pour perforer ledit diaphragme, ledit élément pénétrant comportant un tuyau ( 6; 26) à extrémité taillée en biais et un ressort hélicoidal ( 7; 27) destiné à repousser ledit tuyau pour qu'il pénètre ledit diaphragme, ledit ressort hélicoidal étant en un alliage doté 25 de mémoire. 3 Structure unitaire de chapeau terminal et de capsule de gaz de marquage selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément pénétrant ( 10, 20) comporte une embase annulaire ( 11) pour la fixation en place dudit tuyau, une extrémité dudit ressort hélicoïdal étant en contact avec ladite embase annulaire, et ledit tube cylindrique présentant une saillie annulaire ( 8) pour la fixation de l'autre extrémité du ressort hélicoïdal. 4 Structure unitaire selon la revendication 2, caracté35 risée en ce que le corps de chapeau terminal présente un passage ( 9; 31; 46) que traverse le gaz de marquage de remplissage de la capsule à gaz de marquage ( 3; 23; 43), ce passage étant scellé après le remplissage de la capsule par le gaz de marquage. Structure unitaire de chapeau terminal et de capsule de gaz de marquage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la capsule de gaz de marquage comporte un tube sensiblement cylindrique ( 24) relié par une extrémité au corps 5 de chapeau ( 21), un tampon ( 30) destiné à fermer l'autre extrémité dudit tube cylindrique quand celui-ci est rempli d'un gaz de marquage et un élément pénétrant ( 10) comportant un tuyau ( 26) à extrémité taillée en biais et un ressort hélicoidal ( 27) en un alliage doté de mémoire des formes des10 tiné à repousser ledit tuyau vers ledit corps de chapeau terminal, et en ce que le corps de chapeau terminal présente une cavité ( 32) destinée à recevoir ledit tuyau quand celui-ci est repoussé, un diaphragme mince ( 25) pour la fermeture hermétique de ladite cavité, ce diaphragme étant disposé en face 15 et à une certaine distance dudit tuyau, et un passage ( 31), communiquant avec ladite cavité, destiné à décharger le gaz de marquage de ladite capsule de gaz de marquage quand ledit diaphragme mince se trouve rompu par ledit tuyau. 6 Structure unitaire de capsule de gaz de marquage et 20 de chapeau terminal selon la revendication 1, caractérisée en ce que la capsule de gaz de marquage comporte un sceau fusible ( 44) pour sa fermeture et en ce que le corps de chapeau terminal ( 41) comporte un récipient cylindrique ( 45) qui lui est relié par l'une de ses extrémités et un passage de 25 déchargmeent de gaz ( 46), l'autre extrémité dudit récipient cylindrique étant fermée par un tampon ( 47) qui fixe aussi ladite capsule de gaz de marquage en place dans ledit récipient.