Brevet FR2617323A1 — publié le 19881230

L'invention concerne un élément absorbant les neutrons utilisé dans un réacteur nucléaire, pour le réglage de l'activité du coeur du réacteur. Il est connu d'utiliser dais un réacteur nucléaire, des éléments absorbants les neutrons com- portant 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 nucléaire, renfermant un matériau absorbant les neutrons tel que du carbure de bore B4C contenant une certaine proportion de bore 10. De tels éléments absorbants ou crayons absorbants peuvent être introduits dans certains assemblages du coeur du réac- teur, en remplacement de crayons combustibles. Les crayons absorbants peuvent également constituer des grappes de commande dont les crayons disposés parallè- lement les uns par rapport aux autres peuvent être dé- placés simultanément à l'intérieur des tubes guides de certains assemblages du coeur, pour assurer la condui- te du réacteur. Le matériau absorbant se présente générale- ment sous la forme de pastilles frittées de forme cy- lindrique qui sont empilées à l'intérieur de la gaine tubulaire du crayon absorbant. Les pastilles ont un diamètre peu inférieur au diamètre intérieur de la gaine, si bien que le jeu radial entre la surface in- térieure de la gaine et l'empilement de pastilles ab- sorbantes est généralement très faible. On assure ainsi le meilleur remplissage possible de la gaine, par le matériau absorbant. Le bore 10 contenu dans le carbure de bore absorbant est l'isotope du bore qui assure l'absorp- tion des neutrons. Le bore 10 contenu dans les pastil- les d'un.crayon absorbant est consommé en service dans 26 1 7323 le réacteur, sous l'effet du flux de neutrons. La dé- gradation des pastilles d'absorbant par consommation de bore 10 commence par les couches superficielles des pastilles et se traduit par un gonflement et unedes- quamation de leur zone corticale. Il peut en résulter la formation de petits fragments de B 4C qui sont sus- ceptibles de venir se loger dans le jeu existant entre la pastille et la gaine et de provoquer ainsi une dé- formation excessive de la gaine qui peut aller jusqu'à sa rupture, sous l'effet de la poussée de la pastille due au gonflement. Ce phénomène est connu sous le nom d'inter- action pastilles-gaine. D-'autre part, lorsque le bore 10 absorbe un neutron, il donne naissance à du tritium par la réac- tion suivante: B10 + n -.--> H3 + 2. Le tritium formé peut diffuser'au travers de la gaine du crayon absorbant qui est généralement en acier inoxydable; le tritium s'échappe ainsi dans le fluide primaire du réacteur, si bien qu'il est suscep- tible de polluer le circuit primaire du réacteur. Dans le cas d'une rupture de la gaine du crayon absorbant, le liquide de refroidissement pri- maire du réacteur, par exemple de l'eau sous pression, vient en contact avec le carbure de bore contenu dans la gaine. Il se produit alors les réactions suivan- tes: B4C + 6H20 ---6H2 + ZB203 + C 8203 + 3H20 6H3 BO3 2 3 2" 3B3 D'autre part, l'eau contenant de l'acide bo- rique H3BO3 est décomposée en H2 et H202, sous l'ac- tion des particules. Le taux de production de H2 et H202 croit avec le flux neutronique et la concentra- tion en acide borique. 26 1 7323 Le peroxyde d'hydrogène H202 résultant de la 2 2 radiolyse de l'eau réagit avec le carbure de bore B4C selon la réaction: B C 3H O 8O ' 4C 3H202..3H2 2B203 + C A l'issue de cette réaction, l'oxyde B203 donne de l'acide borique H3BO3 en se dissolvant dans 1'eau. En cas de rupture de gaine, par usure de cette gaine ou par interaction pastilles-gaine, l'eau du circuit primaire pénètre dans le crayon dans le faible jeu existant entre les pastilles et la gaine ainsi que dans les porosipés des pastilles frittées. Les réactions 1 et 2 indiquées ci-dessus se produisentÀ et la concentration locale en acide borique H3BO03 aug- mente, ce qui accroit la radiolyse de l'eau qui donne naissance à du peroyxde d'hydrogène H 202. Ce peroxyde d'hydrogène conduit à son tour à la dégradation du B4C par la réaction 3. Cet enchainement de réactions conduit à une corrosion et à une dégradation accélérée du B4C qui peut aller jusqu'à la dissolution complète du B4 C contenu dans le crayon absorbant et à'une perte totale d'antiréactivité de ce crayon, dans un délai relative- ment bref pouvant être de quelques mois. Dans le cas de crayons constituant des élé- ments d'une grappe de commande utilisée comme barre de contrôle du réacteur, la fonction de cette barre de contrôle peut être perdue partiellement ou totalement. Le but de l'invention est donc de proposer un élément absorbant les neutrons comportant une gaine tubulaire 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, renfermant un matériau absorbant les 26 1 7323 neutrons, qui permette d'éviter une interaction en service entre le matériau absorbant et la gaine ou de limiter les conséquences d'une telle interaction ainsi que d'empêcher une mise en contact du fluide de re- froidissement du réacteur et du matériau absorbant ou d'en limiter les conséquences. Dans ce but, l'élément absorbant selon l'in- vention comporte une pluralité de capsules modulaires disposées les unes à la suite des autres dans la di- rection 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, entièrement rempli dé matériau absorbant. 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 dç réalisation d'un crayon absorbant suivant l'invention. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un crayon absorbant 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. Sur la figure 1, on voit un élément absor- bant désigné dans son ensemble par le repère 1 et comportant une gaine tubulaire 2 fermée à ses extré- mités par des bouchons 3 et 4. Dans le cas d'un crayon absorbant utilisé dans les réacteurs nucléaire à eau sous pression, la gaine 2 est constituée par un t.ube en acier inoxydable ou en alliage de zirconium (Zircaloy) et les bouchons 3 et 4, également en acier inoxydable ou en Zircaloy sont soudés aux extrémités de la gaine 2. La gaine 2 peut être constituée par exemple par une gaine d'un élément absorbant selon l'art anté- rieur destiné à contenir des pastilles de carbure de bore en contact direct avec la paroi intérieure de la gaine. De tels éléments absorbants dont la gaine est dimensionnée de façon adaptée peuvent être introduits dans des assemblages combustibles du coeur du réacteur ou assemblés comme éléments constitutifs d'une barre de contrôle du réacteur. Selon l'invention, le crayon absorbant 1 renferme des capsules modulaires 5 qui sont empilées dans la gaine 2, suivant la direction axiale de cette gaine entre les bouchons 3 et 4. La fabrication de l'élément absorbant 1 peut être assurée par les opérations suivantes: - soudure d'un bouchon 4 à l'extrémité d'une gaine tu- bulaire 2, la gaine et le bouchon étant par exemple en acier inoxydable, introduction d'une première capsule 5a dans la gaine 2, cette capsule venant reposer sur le bouchon 4, - empilement des capsules suivantes 5, jusqu'à la der- nière capsule 5n, - soudage du bouchon 3 en acier inoxydable à la secon- de extrémité de la gaine tubulaire 2, un ressort 6 de maintien des capsules étant intercalé entre le bouchon 3 et la dernière capsule 5n et une atmosphère d'hélium sous pression étant maintenue à l'intérieur de la gai- ne 2 pendant le soudage du bouchon 3. On va maintenant se reporter à la figure 2 pour décrire une capsule 5 contenant du matériau ab- sorbant. La capsule 5 comporte une enveloppe tubulai- re 10 fermée à ses extrémités par deux pastilles po- reuses 11 et 12. L'enveloppe 10 renferme un empilement de pastilles 13 en carbure de bore B4C. 4' Les pastilles 13 sont insérées dans l'enve- loppe tubulaire 10, de façon qu'il n'existe aucun jeu radial entre les pastilles et cette enveloppe. Les pastilles 13 disposées à l'extrémité de la capsule sont en contact avec les pastilles poreuses 11. Le volume intérieur de l'enveloppe tubulaire 10 est donc entièrement rempli par du matériau absorbant. La gaine 10 présente une épaisseur faible comprise entre 0,15 et 0,20 mm. Pour réaliser la capsule représentée sur la figure 2, on part d'une enveloppe tubulaire d'une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,20 mm dont le dia- mètre intérieur permet l'introduction des pastilles 13 en carbure de bore B4C. Dans un premier temps, cette enveloppe tubulaire est fermée à l'une de ses extrémi- tés par un bouchon et une pastille poreuse, par exem- ple, la pastille 12 est introduite dans l'enveloppe tubulaire jusqu'à sa mise en contact avec ce premier bouchon constituant un fond de fermeture de l'envelop- pe 10. Les pastilles en carbure de bore 13 sont empi- lées à la suite de la pastille poreuse 12, puis une seconde pastille poreuse 11 est mise en place contre la,. dernière pastille 13 introduire dans l'enveloppé 10. Un bouchon de fermeture est ensuite fixé de façon étanche à la seconde extrémité de l'enveloppe 10. L'enveloppe 10 fermée de façon étanche par les deux bouchons et renfermant les pastilles poreuses 11 et 12 et les pastilles absorbantes 13 est introdui- te dans une enceinte o elle est soumise à une tempé- rature et à une pression'élevées. A l'issue.du traitement à température et pression élevées, ce traitement connu étant appelé marmittage, la gaine tubulaire 10 est venue en contact avec la surface latérale des pastilles 13, aucun jeu radial ne subsistant entre les pastilles et la surface intérieure de la gaine. De mime, les pastilles poreu- 26 1 7323 ses 11 et 12 sont serties par la gaine 10 qui a subi un rétreint à température et pression élevées. On ré- alise alors, par découpage des extrémités de la gaine tubulaire 10, la séparation des bouchons de fermeture des pastilles poreuses 11 et 12 qui assurent le main- tien dés pastilles absorbantes 13. La capsule 5 se trouve sous la forme présen- tée sur la figure 2. Le montage de l'élément absorbant à partir des capsules modulaires est effectué comme indiqué précédemment. Lorsque le crayon absorbant est en service, les pastilles 13 en carbure de bore subissent un bom- bardement neutronique qui provoque leur gonflement et leur dégradation. L'enveloppe tubulaire 10 de la cap- sule 5 suit les déformations des pastilles 13, si-bien qu'il n'existe aucun jeu radial entre les pastilles et la gaine. On évite ainsi toute accumulation de poudre ou de particules entre les pastilles 13 et l'enveloppe 10. Les pastilles absorbantes étant d'autre part contenues dans les capsules 5, il he se produit pas d'interaction entre le matériau absorbant et la gaine externe 2. En outre, les gaz formés sous irradiation à l'intérieur de la capsule' 5 peuvent s'échapper par les extrémités de la capsule constituée par les pastilles poreuses 11 et 12. Il ne se produit donc pas d'éléva- tion de la pression'gazeuse à l'intérieur des capsules qui pourrait conduire à des déformations de la paroi de l'enveloppe tubulaire 10. Les gaz formés sous irradiation et en parti- culier l'hélium s'échappent des capsules 5 et viennent se rassembler à l'extrémité de l'élément absorbant, entre la capsule 5n et le bouchon 3. De manière avantageuse, on choisira pour constituer l'enveloppe tubulaire 10 des capsules, un matériau assurant le piégeage du tritium formé à par- tir du bore 10, sous l'effet du bombardement neutroni- que. Ce matériau peut être par exemple du zirconium ou du titane ou un de leurs alliages. Ces matériaux peu- vent être choisis, en particulier parce que la section de capture du matériau de l'enveloppe de la capsule a peu d'importance, puisqu'il s'agit ici de la concep- tion d'un crayon absorbant. Le matériau constituant la gaine externe pourra être constitué avantageusement par de l'acier inoxydable. Dans le cas o, en service, il se produit une rupture de la gaine externe 2 de l'élément absor- bant, l'eau de refroidissement du réacteur ne vient pas en contact avec le matériau absorbant qui est contenu à l'intérieur-des capsules 5 dont les envelop- pes 10 sont restées étanches. Il est à remarquer ce- pendant que pour éviter un contact de l'eau avec le matériau absorbant, il est nécessaire de choisir la porosité des pastilles 11 et 12 des capsules 5 de fa- çon que les gaz produits par irradiation et en parti- culier l'hélium puisse passer à travers ces pastilles poreuses mais que l'eau de refroidissement du réacteur ne puisse les traverser dans l'autre sens. S'il se produit, pour un même élément absor- bant, en service, une rupture de la gaine externe 2 et une rupture d'une enveloppe de l'une des capsules 5, l'eau de refroidissement du réacteur pourra venir en contact du matériau absorbant disposé dans la capsule dont l'enveloppe présente une fissure. Le carbure de bore 8 C contenu dans cette capsule 5 subira alors une dégradation et une dissolution de type chimique, comme il a été indiqué ci-dessus. Même si la totalité du carbure de bore contenu dans la capsule est dissoute, cette élimina- tion du carbure de bore se limitera à l'une des capsu- les de l'élément absorbant qui conservera donc en grande partie son antiréactivité. Il sera alors possi- ble d'attendre une période d'entretien et de répara- tion du réacteur nucléaire, pour effectuer le rempla- cement du crayon absorbant défectueux. L'élément absorbant suivant l'invention pré- sente donc une meilleure tenue en service et une plus grande fiabilité que les éléments absorbants suivant l'art antérieur. Il est bien évident que l'invention ne se. limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que le matériau absorbant conte- nu dans les capsules peut se présenter sous la forme d une poudre plus ou moins compactée dont on remplit l'enveloppe tubulaire 10 qui peut être ensuite scellée avant de subir un marmittage assurant le rétreint de l'enveloppe et son frettage sur la poudre compactée. L'invention peut s'appliquer à d'autres ma- tériaux absorbants que le carbure de bore B4C. Les matériaux constituant la gaine externe de l'élément absorbant et les enveloppes tubulaires des capsulés modulaires peuvent être différents de ceux qui ont été indiqués ci-dessus. L'invention peut s'appliquer à tout élément absorbant utilisé dans un réacteur nucléaire refroidi par un liquide tel que de l'eau. REVENDICATIONS 1.- Elément absorbant les neutrons compor- tant une gaine tubulaire (2) fermée: à ses extrémités, en un matériau résistant au fluage et à la corrosion sous l'action d'un réfrigérant à pression et tempéra- ture élevées d'un réacteur nucléaire, renfermant un matériau absorbant les neutrons, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de capsules modulai- res (5) disposées l'une à la suite de l'autre dans la direction axiale, à l'intérieur de la gaine (2), cha- cune des capsules modulaires (5) étant constitué par une enveloppe tubulaire (10) fermée à ses deux extré- mités par un élément poreux'(11, 12) entièrement rem- plie de matériau absorbant (13). 2.- Elément absorbant suivant la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que sa gaine tubulaire externe (2).est en acier inoxydable. 3.- Capsule 'modulaire pour un élément com- bustible suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte une enveloppe tubulaire (10) renfermant un matériau ab- sorbant les neutrons (13) remplissant entièrement le volume intérieur de l'enveloppe (10) ainsi que des éléments poreux de fermeture (11, 12) à chacune de ses extrémités. 4.- Capsule modulaire suivant la revendica- tion 3, caractérisée par le fait.que le matériau ab- sorbant (13) est sous la forme d'un empilement de pas- tilles (13) inséré sans jeu radial à l'intérieur de l'enveloppe tubulaire (10). 5.- Capsule modulaire suivant la revendica- tion 3, caractérisée par le fait que le matériau ab- sorbant (13) est sous la forme d'une poudre compactée enfermée sans jeu dans l'enveloppe tubulaire (10). 26 1 7323 1 1 6.- Capsule modulaire suivant l'une quelcon- que des revendications 3, 4 et 5, caractérisée par le fait que l'enveloppe tubulaire (10) a une épaisseur comprise entre 0,15 et 0,20 mm. 7.- Capsule modulaire suivant l'une quelcon- que des revendications 3 à 6, caractérisée par le fait que son enveloppe tubulaire (10) est en titane. 8.- Capsule modulaire suivant l'une quelcon- que des revendications 3 à 6. caractérisée par le fait que son enveloppe tubulaire (10) est en zirconium. 9.- Capsule modulaire suivant l'une quelcon- que des revendications 3 à 8, caractérisée par le fait que les éléments poreux (11, 12) de fermeture de son enveloppe (10) sont perméables à des gaz tels que l'hélium mais impermables à l'eau. 10.- Capsule modulaire selon l'une quelcon- que des revendications 3 à 9, caractérisée par le fait que le matériau absorbant est du carbure de bore B4C.