Brevet FR2590714A1 — publié le 19870529

"Elément combustible pour réacteur surgénérateur ". La présente inNention concerne des éléments combustibles pour réacteurs surgénérateurs con- tenant des pièges pour les produits de fission. Les réacteurs rapides et les réac- teurs surgénérateurs rapides en particulier se composent généralement d'un noyau central de matière fissile entouré d'une couche de matière fertile. Selon une conception, le noyau est composé d'un certain nombre de sous-ensem- bles contenant chacun un certain nombre de tiges ou élé- ments combustibles. Chaque tige ou élément combustible est un cylindre fermé contenant une colonne de combustible qui est de façon caractéristique un mélange d'oxyde d'uranium et d'oxyde de plutonium, des colonnes de matière fertile qui est de manière caractéristique cons- tituée par de l'oxyde d'uranium, ces colonnes étant placées au-dessus et en-dessous de la colonne de combusti- ble pour former une couche axiale. Les produits de fission obtenus par la fission des matières fissile et fertile sont retenus dans la tige de combustible pendant le fonc- tionnement du réacteur. Le césium est l'un des produits de fission le plus abondant. Etant donné les faibles tempé- ratures de fusion et la pression de vapeur élevée aux températures de fonctionnement caractéristiques pour le combustible à base d'oxyde, dans les réacteurs surgénéra- q-- - teurs rapides à métal liquide, le césium se replace faci- lement à la fois radialement et axialement à l'intérieur d'une tige combustible. Du fait de cette migration, le césium tend à s'accumuler dans des zones très localisées de la tige de combustible. Ces accumulations localisées de césium sont souvent liées à des contraintes locales appliquées à la gaine, à des déformations du combustible et à la fragmentation du combustible et des boulettes des couches. Dans certains cas, on pense que la concen- tration localisée de césium a été à l'origine d'une défaillance prématurée des gaines. Les tentatives antérieures pour com- mander les effets de la migration du césium peuvent être réparties en deux catégories. La première catégorie concerne les changements des caractéristiques du combus- tible et/ou de la couche. Les corrélations décrivant le phénomène de migration du césium montrent que la quantité de césium qui migre dans la colonne de combustible d'oxydes mélangés peut se réduire en augmentant le rapport oxygène/métal du combustible. Toutefois, les possibilités d'utilisation de cette technique sont très limitées à cause de la plus grande attaque de la gaine lorsque le rapport oxygène/métal augmente. Une seconde modification des caractéristiques consiste à utiliser de grands inter- valles entre les boulettes et le revêtement dans les colonnes des couches pour absorber les variations de volume liées au produit de réaction entre le césium et le matériau constituant les couches. Cette solution est également limitée en ce que lorsque le diamètre des cou- ches diminue, l'efficacité de la surgénération du réac- teur diminue également. La seconde solution principale pour commander le césium produit par fission consiste à utili- ser un matériau formant piège tel que de l'oxyde de titane ou de l'oxyde de niobium à la fois à l'extrémité supérieure et à l'extrémité inférieure de la colonne de combustible fissile. Il s'agit d'une solution donnée à titre d'exem- ple d'un brevet US 4 257 847 et auquel il sera fait réfé- rence pour les informations et détails supplémentaires concernant les éléments de combustible ainsi que les difficultés liées à la migration du césium. Dans cette solution, on place des boulettes de faible densité en oxyde de niobium ou oxyde de titane entre la colonne de combustible et les colonnes supérieure et inférieure des couches de façon à piéger le césium produit par la fis- sion. Cette solution présente l'inconvénient de détério- rer le rendement de la réaction du combustible en ce que si l'on utilise suffisamment de matériau formant pièce pour commander le césium, on déplace le matériau des couches de la région active du noyau et on réduit l'influence des neutrons. En outre, les réactions para- sites des neutrons avec le matériau formant piège et le césium accumulé tendent à réduire le flux des neutrons dans la région des couches en diminuant ainsi le rende- ment du réacteur. La présente invention a pour but de créer un moyen permettant de commander la migration du césium produit par fission sans avoir d'effet négatif sur la durée de vie et les caractéristiques d'une tige combustible. A cet effet, l'invention concerne un élément combustible pour réacteur surgénérateur, élément composé d'une gaine tubulaire fermée hermétique- ment à chaque extrémité par un bouchon, une partie intérieure de cette gaine formant un espace destiné au combustible et qui est chargée d'une colonne de matière fissile ainsi qu'une couche supérieure et une couche inférieure de matière fertile réparties axialement en tandem avec la colonne de matière fissile à l'intérieur de la gaine, élément caractérisé en ce qu'un piège à césium est prévu au moins à l'extrémité supérieure de la couche supérieure, ce piège étant-formé au moins en grande partie de carbure de silicium pour recueillir et isoler la migration du césium. De manière préférentielle, le piège est une feuille d'acier inoxydabie revêtue de carbure de silicium, puis enroulée en hélice et placée dans la tige de combustible au-dessus de la boulette supérieure de la couche supérieure. Pendant le fonctionnement, le césium migre, se recueille et s'isole sur le carbure de silicium. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'une tige combustible correspon- dant à un mode de réalisation de l'invention. - la figure 2 est une vue de face d'un support en forme de feuille à l'état plan avant d'être enroulé pour former un type d'élément-piège. - la figure 3 est une vue de bout de la structure à l'état plan selon la figure 2. - la figure 4 est une vue de bout de l'élément-piège de forme hélicoïdale, obtenu en enroulant l'élément plan des figures 2 et 3. - la figure 5 est une coupe longitu- dinale d'une variante de remplissage de tube. - la figure 6 est une coupe longitu- dinale d'une variante de ressort de remplissage et, - les figures 7 et 8 sont des varian- tes de formes que peuvent prendre les boulettes de car- bure de silicium pour jouer le rôle de pièges à césium. Une forme de tige combustible 10 est représentée à la figure 1; elle se compose d'une gaine tubulaire 12 dont les deux extrémités sont fermées par des bouchons 14 et 16; elle comporte un empilement de boulettes de combustible fissiles 18 plus ou moins centrées suivant la hauteur de la tige et comprises en- tre une série de boulettes 20 en matériau fertile formant la couche supérieure et une série de boulettes fertiles 22 formant la couche intérieure. Un tube de remplissage 24 proche de l'extrémité supérieure de la tige crée un vide pour recueillir les gaz produits par la fission et un ressort de compression de remplissage 26 est placé en- tre le bouchon d'extrémité 16 et le tube de remplissage 24. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'élément-piège portant de façon générale la référence 28 se trouve à l'extrémité supérieure de la couche supérieure 20; il est placé entre la couche et le tube de remplissage 24. Cette forme particulière de l'élément-piège apparait le mieux en liaison avec les figures 2-4. Un support 30 en forme de feuille en un matériau tel que de l'acier inoxydable est muni d'éléments d'écartement tels que des bossages 32 sur l'une ou sur les deux surfaces de la feuille, puis au moins l'une des faces reçoit un revêtement en carbure de silicium 34. La feuille plane est alors roulée en hélice comme le montre la figure 4. Il est à remarquer que les bords longitudi- naux de la forme plane de la feuille comportent de préfé- rence des ondulations 36 de façon qu'à l'état enroulé les deux extrémités de l'hélice soient ondulées pour fa\oriser le passage des gaz. Selon un autre mode de réalisation, le tube de remplissage 24 (figure 5) comporte des orifi- ces de passage de gaz 38 et au moins l'une des surfaces intérieures du tube de remplissage présente un revete- ment en carbure de silicium. En variante ou en combinai- son avec le tube de remplissage muni d'un revêtement, il est prévu un ressort de remplissage 26 (figure 6) & muni d'un revêtement de carbure de silicium 42 sur les spires du ressort. L'un ou les deux modes de réalisation des figures 5 et 6 peuvent également s'utiliser en liai- son avec un piège séparé 28. A la figure 7, on a représenté une variante de piège sous la forme d'une boulette de carbure de silicium 44 fendue longitudinalement de manière espa- cée à sa périphérie pour avoir une plus grande surface. Selon la figure 8, la boulette de carbure de silicium 48 comporte un perçage longitudinal 50 de manière à aug- menter sa surface. Lorsque le piège est mis en oeuvre quelle que soit sa forme, il crée un moyen pour collecter et isoler le césium produit par la fission de manière à améliorer la durée de vie de la tige combustible en évi- tant toute réaction entre le césium et le combustible oxydé, mélangé ainsi que le matériau formant les couches. Des essais d'irradiation ont été faits sur des boulettes de carbure de silicium et ont mon- tré que ce matériau était un excellent piège à césium; ce matériau a montré ses possibilités d'extraction adé- quates du césium dans la partie supérieure de la colonne de combustible pour éviter toute réaction à la fois entre le combustible et les matériaux fertiles des couches. Il se produit une dilatation du volume du matériau du piège en carbure de silicium lors de l'absorption du césium; pour tenir compte de cette variation de volume, on préfère un matériau formant piège de faible densité et qui pré- sente une grande surface. La forme de tels pièges repré- sentés aux dessins satisfait aux conditions de faible densité et de grande surface. Enfin les avantages de la présente invention sont les suivants: (1) contrôle et séparation du césium produit par fission, (2) amélioration de la sécurité de la réaction en séparant 2 590714 les produits de fission libérés si un accident grave de\ait se produire, (3) augmentation de l'économie en neutrons par isolation du césium produit par fission à l'extérieur du noyau actif et des régions des couches de façon à réduire les réactions parasites des neutrons, (4) récupération simplifiée d'une partie importante du cesium produit par fission pendant le retraitement et, (5) augmentation de la durée de vie de la tige combustible en évitant les interactions entre le césium et le combustible et le césium et les couches. RE VEy R ICATi t NS 1 % Elément combustible pour réacteur surgénérateur, élément composé d'une gaine tubulaire (12) fermée hermétiquement a chaque extrémité par un bouchon (14, 16), une partie intérieure de cette gaine formant un espace destiné au combustible et qui est chargée d'une colonne de matière fissile ainsi qu'une couche supérieure (20) et une couche inférieure (22) de matière fertile réparties axialement en tandem avec la colonne de matière fissile (18) à l'intérieur de la gaine (12), élément caractérisé en ce qu'un piège à ceésium (28) est prévu au moins à l'extrémité supérieure de la couche supérieure (20), ce piège (28) étant formé au moins en grande partie de carbure de silicium pour recueillir et isoler la migra- tion du cesium. 2 ) Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière fissile est un mélange de PuO2 et U02 et la matière fertile contient U02. 3 ) Elément selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le piège (28) est constitué par un support (30) enroulé en hélice et dont une face est revêtue de carbure de silicium. ) Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau du piège est de l'acier inoxydable. ) Elément selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le sup- port (30) présente des éléments d'écartement (32) réalisés dans la surface pour maintenir écartées les spières succes- sives du support (30) à l'état enroulé et permettre la dilatation en volume du piège (28). 6 ) Elément selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un tube de remplissage (24) et un ressort de remplissage (26) à l'extrémité supérieure de l'élément au-dessus de 2590 7 1 4 la couche supérieure fertile (20) et au moins le tube (24) ou le ressort (26) est revêtu de carbure de silicium sur les surfaces exposées à la migration du césium. J sur les surfaces exposées la migration du cesium.