Brevet FR2617322A1 — publié le 19881230

L'invention concerne un élément combustible nucléaire réalisé sous forme modulaire ainsi qu'une capsule modulaire pour un tel élément et un procédé de fabrication d'une capsule modulaire. On connait des éléments combustibles nuclé- aires destinés à être groupés sous forme de faisceaux parallèles ou assemblages constituant, par leur juxta- position, le coeur d'un réacteur nucléaire. De tels éléments combustibles comportent une gaine tubulaire fermée à ses extrémités, en un matériau résistant au fluage et à la corrosion sous l'action du réfrigérant à pression et température élevées du réacteur nuclé- aire et renfermant des pastilles empilées dans la di- rection axiale de la gaine, ces pastilles généralement réalisées sous forme frittée étant en un matériau com- bustible nucléaire tel que l'oxyde d'uranium ou l'oxy- de mixte d'uranium et de plutonium. La gaine de l'élément combustible nucléaire a notamment pour rôle d'empêcher l'échappement du pro- duit gazeux de fission dans le fluide réfrigérant et la mise en contact du matériau combustible et du ré- frigérant, ce qui entraînerait l'apparition de réac- tions chimiques. La gaine assure également une fonc- tion mécanique: elle doit maintenir l'empilement de pastilles et résister à la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'élément combus- tible. La tenue à long terme des éléments combusti- bles nucléaires et notamment ceux utilisés dans un ré- acteur nucléaire refroidi et modéré à l'eau légère est tributaire d'un phénomène désigné sous le nom d inter- action pastilles-gaine. Cette interaction résulte de la combinaison d'une action mécanique, à savoir la mise en contrainte de la gaine lors du gonflement et de la dilatation des pastilles sous irradiation, et 2 6 1 7322 d'une action chimique, due notamment aux produits de fission libérés par les pastilles sous irradiation. On a proposé diverses solutions pour limiter dans la mesure du possible l'interaction pastilles- gaine ou ses conséquences sur la tenue des éléments combustibles. On a proposé, par exemple, dans la demande de brevet Français 2.551.905, de placer à l'intérieur de la gaine de l'élément combustible, un tube ouvert de maintien de l'empilement de pastilles sur une par- tie au moins de sa longueur. Ce tube permet de séparer la gaine de l'empilement et se trouve séparé de la gaine par un intervalle radial d'une amplitude suffi- sante pour retarder la venue en contact du tube et de la gaine, lors du gonflement sous irradiation des pas- tilles de combustible. La réalisation d'un tel élément combustible présente des difficultés dans la mesure o cet élément est de grande longueur, par exemple d'une longueur de l'ordre quatre mètres, comme dans le cas des réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau sous pression. Il est en effet difficile d'assurer une fabrication et un montage à l'intérieur de la gaine, d'un tube de grande longueur, de façon à ménager un jeu radial faible et constant sur toute la longueur du tube, entre ce tube et la surface intérieure de la gaine. La réalisation d'un empilement de pastilles à l'intérieur du tube de grande longueur est également une opération longue,.difficile à réaliser et qui né- cessite de prévoir des pastilles dont le diamètre est un peu inférieur au diamètre intérieur du tube, la présence d'un certain jeu radial de montage étant in- dispensable. Ce jeu radial réduit l'efficacité des échanges thermiques entre les pastilles et la gaine, 26 1 7322 si bien qu'il est nécessaire d'augmenter la températu- re des pastilles en fonctionnement, pour maintenir le flux thermique à la valeur requise. D'autre part, il peut être nécessaire de disposer d'éléments combustibles nucléaires qui comportent des zones dont la composition est différen- te, suivant la position de ces zones dans la direction axiale de l'élément combustible. Par exemple, il peut être souhaitable de disposer d'éléments combustibles dont l'enrichissement des pastilles est variable suivant la direction axiale du crayon ou encore, des éléments combustibles dont les zones voisines des extrémités comportent des pas- tilles en un matériau tel qu'un matériau fertile, par exemple l'oxyde d'uranium U02 appauvri ou naturel ou encore de l'oxyde de thorium ThO2 pour la constitution de couvertures axiales à la partie supérieure et à la partie inférieure du coeur. Il peut être également nécessaire de dispo- ser d'éléments combustibles comportant, dans leur par- tie centrale, des éléments appelés poisons consomma- bles, susceptibles d'absorber les neutrons. De tels éléments de poison consommable peuvent par exemple se présenter sous la forme de plaquettes qui sont inter- calées chacune entre deux pastilles successives de combustible nucléaire. Il est bien évident que la fabrication de tels éléments combustibles composites est beaucoup plus complexe que la fabrication des éléments combus- tibles homogènes, puisque des pastilles ou plaquettes de type différent doivent être introduites dans la gaine de l'élément combustible en nombre et suivant un ordre déterminés. Il est également nécessaire de dis- poser de stocks de pastilles de nature différente, ce qui complique la gestion de l'usine de production du combustible. Le but de l'invention est donc de proposer un élément combustible nucléaire comportant une gaine tubulaiTe fermée à ses extrémités, en un matériau ré- sistant.au fluage et à la corrosion sous l'action d'un réfrigérant à pression et température élevées d'un ré- acteur nucléaire et renfermant des pastilles en un ma- tériau ayant une influence sur la réaction nucléaire dans le réacteur, dont une partie au moins est en ma- tériau combustible nucléaire, cet élément combustible permettant de limiter l'interaction pastilles-gaine, malgré un jeu réduit entre les pastilles et la gaine et permettant également dg simplifier la fabrication des éléments combustibles composites comportant des zones successives de nature différente dans la direc- tion axiale. Dans ce but, l'élément combustible nucléaire suivant l'invention comporte une pluralité de capsules modulaires disposées les unes à la suite des autres dans la direction axiale, à l'intérieur de la gaine, chacune des capsules modulaires étant constituée par une enveloppe tubulaire fermée à ses deux extrémités par un élément poreux, et par un empilement de pastil- les insérées sans jeu radial à l'intérieur de l'enve- loppe dont le diamètre extérieur est tel que le jeu radial entre la surface extérieure de la capsule et la surface intérieure de la gaine soit très faible, Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limi- tatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un élément combustible nu- cléaire suivant l'invention, un mode de réalisation d'une capsule modulaire pour cet élément combustible et le procédé de fabrication d'une capsule modulaire. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un élément combustible nucléaire suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe axiale, à plus grande échelle, d'une capsule modulaire de l'élé- ment combustible représenté sur la figure 1. Les figures 3, 4, 5 et 6 sont des vues en coupe axiale d'une capsule modulaire, au cours de dif- férentes étapes de la fabrication de cette capsule. Sur la figure 1, on voit un élément combus- tible désigné de manière générale par le repère 1 et comportant une gaine tubulaire externe 2 de grande longueur par rapport à son diamètre, fermée à ses ex- trémités par des bouchons 3 et 4. L'élément combusti- ble selon l'invention est réalisé de façon à présenter les mêmes dimensions qu'un élément combustible suivant l'art antérieur utilisé dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression actuellement en service. Un tel élément combustible, appelé crayon combustible,. comporte une gaine en alliage de zirco- nium (Zircaloy) dont la longueur est voisine de quatre mètres pour un diamètre extérieur de l'ordre de 0,01 mètre. La gaine externe 2 de l'élément combustible suivant l'invention est réalisée à partir d'un tube de Zircaloy identique à ceux utilisés comme gaine pour les éléments combustibles suivant l'art antérieur dans lesquels sont empilées des pastilles de combustible. La gaine externe 2 renferme une pluralité de capsules 5 qui seront décrites plus en détail en se référant à la figure 2. Les capsules 5 de forme cylindrique sont em- pilées les unes à la suite des autres, à l'intérieur de la gaine 2 et suivant la direction axiale de cette gaine. - Pour la réalisation de l'élément combustible représenté sur la figure 1, on commence par fixer de 2 6 1 7 3 2 2 façon étanche le bouchon 4 à l'extrémité correspondan- te de la gaine 2, par soudage du bouchon sur la gaine. Une première capsule 5a est introduite dans la gaine et vient reposer par son extrémité inférieure sur le bouchon 4. Les autres capsules sont empilées successi- vement, les unes sur les autres, jusqu'à la dernière capsule 5n disposée à la partie supérieure de l'élé- ment combustible. On effectue alors la fermeture de la gaine 2 de l'élément combustible, grâce au bouchon su- périeur 3, un ressort 6 étant intercalé entre la der- nière capsule 5n et le bouchon 3. Pendant le soudage du bouchon 3 à l'extrémité de la gaine 2, une atmos- phère d'hélium sous pressiôn est maintenue à l'inté- rieur de la gaine 2. Comme il est visible sur la figure 2, chacu- ne des capsules 5 comporte une enveloppe tubulaire 10 dans laquelle sont empilées des pastilles frittées 11 en un matériau combustible tel que l'oxyde d'uranium ou l'oxyde. mixte d'uranium et de plutonium ou encore en un oxyde mixte d'uranium et de gadolinium, un oxyde mixte d'uranium et de thorium ou un mélange de ces oxydes. L'enveloppe tubulaire ou gaine de la capsule modulaire 5 est fermée à ses extrémités par des bou- chons en matériau poreux 13 et 14. La gaine 10 est en contact, par sa surface intérieure, avec la surface latérale des pastilles 11, sur toute la longueur de la capsule. En d'autres ter- mes, il ne subsiste pas de jeu radial entre les capsu- les 11 et l'enveloppe tubulaire 10. L'enveloppe tubu- laire 10 présente un diamètre extérieur dont la valeur n'est que de très peu inférieure-au diamètre intérieur de la gaine 2. Il subsiste, après l'assemblage de l'é- lément combustible 1, un jeu radial 12 très faible entre la surface extérieure de la capsule 5 et la sur- face intérieure de la gaine 2. Ce jeu radial peut al- 2617'322 ler de quelques centièmes à un ou deux dizièmes de millimètre. Le diamètre extérieur de la capsule modulai- re 5 correspond au diamètre des capsules 11 augmenté de deux fois l'épaisseur de l'enveloppe tubulaire 10. L'enveloppe 10 est réalisée à partir d'un tube en Zircaloy d'une épaisseur de 0,15 à 0,30 mm. On peut donc facilement prévoir un jeu 12- entre les capsules et la gaine d'une valeur faible et parfaitement déterminée en choisissant judicieusement le diamètre des pastilles et l'épaisseur de l'envelop- pe 10. La longueur limitée des capsules par rapport à la longueur totale de l'élément combustible permet d'autre part de faciliter le montage des capsules, même si le jeu résiduel 12 est très faible, par rap-. port au montage d un tube de grande longueur à l'inté- rieur d'une gaine, dans le cas d'un crayon à double gainage selon l'art antérieur. L enveloppe tubulaire 10 étant en contact avec les pastilles combustibles 11, le jeu entre les pastilles et la gaine se limite au jeu 12 de montage des capsules dans la gaine externe 2. Ce jeu réduit permet de diminuer la température des pastilles, com- bustibles 11, en service dans le réacteur nucléaire. On pourrait également augmenter l'épaisseur de l'en- veloppe tubulaire 10 des capsules ou appliquer un re- vêtement absorbant sur cette enveloppe'tubulaire, sans diminuer de façon notable les transferts thermiques entre les pastilles, combustibles et la gaine externe. En plus de ces avantages, l'élément combus- tible suivant l'invention comportant des capsules mo- dulaires dans lesquelles les pastilles combustibles sont en contact avec la paroi intérieure de l'envelop- 26 1 7322 pe de la capsule, présente, par rapport aux crayons à double gainage selon l'art antérieur, l'avantage de diminuer le risque d'introduction d'un fragment de ma- tériau combustible tel que de l'U02, dans le jeu entre les pastilles et la gaine. Un tel fragment, lorsqu'il vient se placer au contact de la surface intérieure de la gaine peut produire un perçage de cette gaine par interaction mécanique, pendant le fonctionnement du réacteur. Les pastilles poreuses 13 et 14 fermant la capsule 15 peuvent être constituées, de manière avan- tageuse, par un matériau absorbant les produits de fission gazeux. Ces pastilles poreuses d'extrémité pourraient être également constituées par les pastil- les 11 situées aux extrémités de la capsule 5. Les extrémités de l'enveloppe tubulaire 10 sont rabattues sur les capsules 13 et 14, si bien qu elles assurent le maintien de ces capsules et des pastilles 11 de'l'empilement, par sertissage. Pour la réalisation d'éléments combustibles présentant des zones successives différentes dans la direction axiale, on pourra réaliser des capsules 5 de plusieurs types. Par exemple, on pourra prévoir la fabrica- tion de capsules 5 renfermant des pastilles combusti- bles 11 ayant des degrés d'enrichissement variables. En réalisant l'empilement des capsules 5 dans la gaine 2, lors de la fabrication de l'élément combustible 1, on pourra choisir successivement des capsules renfermant des pastilles combustibles ayant des taux d'enrichissement différents. Il est bien évident qu'une telle façon de procéder est beaucoup plus ra'pide et beaucoup plus simple.que la méthode antérieure consistant à empiler des pastilles combus- 26 1 7322 tibles d'enrichissement différent dans une gaine constituée par un tube de grande longueur. Il est également possible, dans le cas o l'on désire réali- ser des éléments combustibles composites de prévoir la fabrication de capsules modulaires 5 renfermant des pastilles -ou autres éléments de natures différentes. On pourra ainsi prévoir des capsules 5 remplies de pastilles en un matériau fertile tel que l'oxyde d'u- ranium appauvri ou naturel ou encore tel que l'oxyde de thorium ThO2, ces capsules étant destinées à cons- tituer les parties d'extrémité, pour la réalisation de couvertures axiales dans le coeur du réacteur. On pourra également prévoir la fabrication de capsules 5 renfermant des poisons consommables, ces capsules étant ensuite placées de préférence dans la partie centrale de l'élément combustible 1. Il est également possible de prévoir simul- tanément ces trois possibilités pour réaliser des crayons combustibles composites à enrichissement va- riable par zone. Dans tous les cas, il suffit de placer les capsules 5 correspondantes aux endroits voulus suivant la direction axiale du crayon 1. On va maintenant se reporter aux figures 3 à 6 pour décrire le procédé de fabrication d'une capsule modulaire d'un élément combustible suivant l'inven- tion. Sur la figure 3. on voit l'enveloppe tubu- laire 10 d'une telle capsule constituée par un tube de Zircaloy dont l'épaisseur est comprise entre 0,15 et 0;30 mm qui peut être revêtu éventuellement par un poison consommable. Dans un premier temps, l'une des extrémités de l'enveloppe tubulaire 10 est fermée par un bouchon présentant un chanfrein 15a dirigé vers l'intérieur 261 7322 du tube. Dans cette première étape, le bouchon 15 est soudé à l'extrémité de l'enveloppe tubulaire 10. Dans une seconde étape représentée sur la figure 4, on introduit une pastille poreuse 14 présen- tant un chanfrein 14a dans le tube 10, de façon que le chanfrein 14a soit dirigé vers le bouchon 15. La pas- tille 14 est placée dans le tube au contact du bouchon 15. Dans une troisième étape représentée sur la figure 5, on introduit successivement des pastilles 11 en matériau combustible (ou d'une autre nature), dans le tube 10, à la suite,de la pastille poreuse 14. Lorsque -le nombre voulu de pastilles combustibles 11 est chargé dans le tube 10, on place une seconde pas- tille poreuse 13 comportant un chanfrein 13a en contact avec la dernière pastille combustible 11 char- gée dans le tube, de façon que le chanfrein 13a soit dirigé vers l'extérieur du tube. On introduit alors un bouchon 16 comportant un chanfrein 16a à l'extrémité du tube 10, le chanfrein 16a étant dirigé vers la cap- sule poreuse 13. Le bouchon 16 est soudé au tube 10 de la même manière que le bouchon 15. Dans une quatrième étape, l'ensemble repré- senté sur la figure 5 comportant le tube 10 fermé par les bouchons 15 et 16 est placé dans une enceinte dans laquelle on établit une pression et une température élevées. Cette opération connue sous le nom de marmit- tage réalise une déformation de la gaine qui est ap- pliquée sur les pastilles 11, de façon à être en contact avec ces pastilles sur toute sa surface inté- rieure. Comme il est visible sur la figure 6, à l'issue de cette quatrième étape, il ne subsiste plus aucun jeu radial entre les pastilles 11 et la surface 2 6 1 73 22 1 1 intérieure de l'enveloppe tubulaire 10. D'autre part, il s'est formé une gorge 18 au niveau des chanfreins 14a de la pastille poreuse 14 et 15a du bouchon 15. Il est bien évident que, de la même façon, - il se forme une gorge au niveau des chanfreins 13a et 16a de la capsule 13 et du bouchon 16, respectivement. On réalise alors un découpage de l'enveloppe , au fond de la gorge 18 et au fond de la gorge cor- respondante située à l'autre extrémité de la capsule. Ce découpage permet de séparer les bouchons 15 et 16 de la capsule 5. Cette capsule se présente alors sous la forme représentée sur la figure 2. La réalisation de l'élément combustible 1 peut être assurée par les opérations qui ont été dé- crites ci-dessus. L'élément combustible obtenu présente donc l'avantage de limiter considérablement l'interaction pastilles-gaine de l'élément combustible tout en main- tenant un très bon rendement thermique de cet élément combustible. D'autre part, la réalisation modulaire de * l'élément combustible suivant l'invention permet d'ob- tenir facilement des zones d'enrichissement variable suivant la direction axiale du crayon et des crayons présentant des zones de natures différentes, suivant leur longueur. La longueur de chacune des capsules modula- ires utilisée pour la fabrication de l'élément combus- tible sera choisie à la fois pour faciliter la fabri- cation des capsules et le montage de l'élément combus- tible. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits, 2 6 1 7322 On pourra imaginer des capsules modulaires renfermant des éléments empilés d'une nature différen- te de ceux qui ont été mentionnés. On peut également envisager la fabrication d'éléments combustibles et de capsules de dimensions différentes de celles qui ont été indiquées ci-dessus. Enfin, il est possible d'envisager d'autres modes de fabrication de capsules renfermant des pas- tilles qui sont en contact avec la paroi intérieure de l'enveloppe tubulaire de la capsule. L'invention s'applique à tout type d'élé- ments combustibles pour un réacteur nucléaire. 26 1 7322 REVENDICATIONS 1.- Elément combustible nucléaire comportant une gaine tubulaire (2) fermée à ses extrémités (3, 4), en un matériau résistant au fluage et à la corro- sion sous l'action d'un réfrigérant à pression et tem- pérature élevées d'un réacteur nucléaire, renfermant des pastilles (11), en un matériau ayant une influence sur la réaction nucléaire dans le réacteur, dont une partie au moins est en matériau combustible, caracté- risé par le fait qu'il comporte une pluralité de cap- sules modulaires (5) disposées les unes à la suite des autres dans la direction axiale, à l'intérieur de la gaine (2), chacune des capsules modulaires (5) étant constituée par une enveloppe tubulaire (10) -fermée à ses deux extrémités par un élément poreux (13, 14) et par un empilement de pastilles (11) insérées sans jeu. radial à l'intérieur de l'enveloppe (10) dont le dia- mètre extérieur est tel que le jeu radial (12) entre la surface extérieure de la capsule (5) et la surface intérieure de la gaine (2) soit très faible. 2.- Elément combustible suivant la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que des capsules (5) différentes de l'élément combustible renferment des pastilles combutibles (11) ayant des taux d'enrichis- sement en matériau fissile différents. 3.- Elément combustible suivant l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'au moins une capsule (5) de l'élément combus- tible (1) renferme des pastilles en un matériau absor- bant les neutrons.. 4.- Elément combustible suivant la revendi- cation 3, caractérisé par le fait qu'au moins une capsule (5) renfermant des pastilles (11) en un maté- riau absorbant les neutrons est disposée à chacune des extrémités de l'élément combustible (1). 26 1 7322 5.- Elément combustible suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'au moins une capsule (5) de l'élément combus- tible (1) renferme un poison consommable. 6.- Elément combustible suivant la revendi- cation 5, caractérisé par le fait que la capsule (5) renfermant un poison consommable est disposé au voi- sinage de la partie centrale de l'élément combustible (1). 7.- Capsule modulaire pour un élément com- bustible suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait qu'elle comporte une en- veloppe tubulaire (10) renfermant des pastilles (11) empilées dans la direction axiale de l'enveloppe tubu- laire (10) et insérées sans jeu radial à l'intérieur de cette enveloppe (10) ainsi que des éléments poreux de fermeture (13, 14) à chacune de ses extrémités. 8.- Capsule modulaire suivant la revendica- tion 7, caractérisée par le fait que les éléments po- reux (13, 14) de fermeture sont en un matériau absor- bant les produits de fission. 9.- Capsule modulaire suivant la revendica- tion 7, caractérisée par le fait que les éléments po- reux (13, 14) de fermeture des capsules (5) sont cons- titués par des pastilles (11) disposées aux extrémités de la capsule (5). 10.- Capsule modulaire suivant l'une quel- conque des revendications 7 à 9, caractérisée par le fait que l'épaisseur de l'enveloppe tubulaire (10) est comprise entre 0,15 et 0,30 mm. 11.- Procédé de fabrication d'une capsule modulaire suivant la revendication 7, caractérisé par le fait qu'on ferme, de façon étanche, une première extrémité d'une enveloppe tubulaire (10) grâce à un ?617322 bouchon (15) comportant un chanfrein (15a), le chan- frein (15a) étant dirigé vers l'intérieur de l'enve- loppe tubulaire (10), - qu'on introduit dans l'enveloppe (10), jusqu'à sa mise en contact avec le bouchon (15), une pastille poreuse (14) comportant un chanfrein (14a) dirigé vers le bouchon (15), - qu'on remplit l'enveloppe tubulaire (10) avec des pastilles (11) constituant un empilement à la suite de la pastille (14), - qu'on place à la suite de la dernière pastille (11) introduite dans le tube et en contact avec celleci, une pastille poreuse (13) comportant un chanfrein (13a) dirigé vers l'extérieur du tube, - qu'on ferme la seconde extrémité du tube, de façon étanche, avec un bouchon (16) comportant un chanfrein (16a) dirigé vers la capsule (13), - qu'on place l'enveloppe tubulaire (10) et les élé- ments qu'elle contient dans une enceinte sous pression et à haute température, - -qu'on réalise sous pression et à haute température l'application de l'enveloppe tubulaire (10) sur les pastilles (11) et sur les chanfreins (13a, 14a, 15a, 16a) des pastilles poreuses (13, 14) et des bouchons (15, 16) respectivement et qu'on réalise le découpage de l'enveloppe tubulaire (10), au niveau des zones de jonction entre les chanfreins (13a, 16a) et (14a, a).