Brevet FR2633434A1 — publié le 19891229

La présente invention a trait d'une manière générale à des éléments combustibles nucléaires et en particulier à des éléments combustibles a lit de parti- cules. Les réacteurs à lit de particules conçus en premier lieu au début des années soixante étaient destinés à constituer un perfectionnement par rapport aux réacteurs à coeur plein mis au point conjointement avec des pro- grammes de propulsion de roquettes. Les réacteurs à lit de particules proposés alors étaient composés d'une manière générale d'un lit annulaire de particules de combustible nucléaire maintenu à l'extérieur par un tube poreux (fritte extérieure). Selon certaines conceptions, le lit de parti- cules était maintenu contre la fritte extérieure par une force centrifuge engendrée par rotation du lit et de la fritte. Un tel lit était dit lit tournant. Selon une autre conception de lit, dit fixe, les particules étaient main- tenues entre des frittes intérieure et extérieure. Dans les deux conceptions, du gaz de refroidissement arrivait à travers la fritte extérieure, s'écoulait radialement vers l'intérieur à travers le lit de particules o il était chauffé et s'échappait axialement en longeant le vide central du lit. Une autre variante du réacteur à lit de particules comportait un ensemble régulier d'éléments combustibles distincts composés de frittes extérieure et intérieur, d'un lit de particules de combustible et de garnitures d'extrémités propres à maintenir le tout assem- blé. Ces éléments combustibles ont typiquement un rapport longueur/diamètre extérieur de quatre à un ou davantage, alors que pour les conceptions initiales de lit tournant et de lit fixe, ce rapport était d'environ 1/1. Pendant le fonctionnement, les éléments combustibles nucléaires soulèvent des problèmes associés à la croissance subie par des particules de combustible pendant la combustion nu- cléaire et aux dilatations et contractions thermiques différentielles du lit de particules et des frittes inté- rieure et extérieure. Lors de variations des températures des organes, des dilatations ou contractions thermiques différentielles peuvent provoquer une compression accrue du lit de particules de combustible ou, inversement, la disparition de charges de compression, rendant le lit Lâche. Des charges de compression excessives peuvent provoquer une détérioration par fracture des particules de combustible ou une déformation des frittes de confinement. Un lit 'lâche peut laisser le gaz de refroidissement s'écouler plus librement à travers certaines zones qu'ail- leurs, ce qui fait apparaître des points froids et des points chauds indésirables au sein du lit de particules. Un élément combustible pour réacteur à lit de particules bien conçu doit être de nature à s'adapter à des modifications de température spécifiées et aux dilatations différen- tielles résultantes. Une tentative connue de solution des problèmes ci-dessus consiste à prévoir un ressort en coupelle à chaque extrémité du lit de combustible. Parmi les brevets connus de la demanderesse tentant de résoudre le problème des dilatations et con- tractions différentielles figurent les suivants. Le brevet des Etats Unis n 3 679 545 (Leirvik) décrit un élément de coeur pour réacteur nucléaire com- portant un ou plusieurs éléments d'entretoisement tubu- laires en coupelle qui supportent élastiquement et posi- tionnent à l'intérieur d'un tube de gainage scellé soit du matériau combustible nucléaire, soit du matériau absorbeur de neutrons. Chaque entretoise en coupelle est placée dans une zone collectrice à l'intérieur du tube de gainage et renforce radialement la section de paroi de tube entourant cette zone collectrice pour l'empêcher de s'affaisser sous l'effet de la pression de fluide extérieur. Le brevet des Etats Unis n 3 989 590 (Wehrli, III et al.) décrit un élément combustible pressurisé intérieurement et gainé hermétiquement pour réacteur nucléaire, comportant une capsule écrasable scellée située dans le collecteur de l'élément combustible. La capsule subit un écrasement contrôlé en mode de gondolement quand la pression augmente dans le collecteur pour maintenir l'élément combustible sous pression sensiblement constante pendant la quasi-totalité de sa vie active. Les brevets des Etats Unis n 3 647 623 (Hepps et al.) décrit un élément combustible à gainage métallique pour réacteur nucléaire qui comporte dans son intérieur un organe du genre soufflet supporté intérieurement et mis en communication avec le milieu entourant l'élément combusti- ble en vue du maintien d'une pression intérieure sensible- ment égale à la pression extérieure ou ambiante régnant. pendant la combustion nucléaire. Le brevet des Etats Unis n 3 677 894 (Ferrari) décrit un élément combustible pour réacteur nucléaire sous pression comprenant un étui de gainage étanché, du combus- tible nucléaire dans l'étui et un moyen propre à établir une atmosphère intérieure sous pression de façon que l'élément combustible soit autoportant, et caractérisé par un gainage à paroi métallique présentant une épaisseur réduite pour les conditions d'utilisation du réacteur. Les brevets des Etats Unis n 3 009 869 (Basset- t), 3 772 147 (Bratton et al.), 3 274 067 (Greebler et al.), 3 291 698 (Fortescue), 3 671 393 (Williams), 4 011 134 (Stehle et al.), 4 699 757 (Cloue) et 4 111 748 (Hay- ashi et al.) ont trait à une variété d'organes d'entretoi- sement représentative de l'état de la technique. Ces brevets se rapportent tous à des éléments combustibles scellés comportant des chambres collectrices destinées à capter et retenir les gaz de fission produits par le combustible présent dans l'élément pendant la combustion nucléaire tout en provoquant aussi une certaine expansion longitudinale des segments combustibles. Ceci diffère du problème auquel s'attaque la présente inven- tion: dilatations et contractions différentielles d'élé- ments combustibles poreux, non scellés, et des particules de combustible, le gaz de refroidissement traversant directement un lit de particules de combustible et non de grands segments combustibles, en contact direct avec les particules de combustible. La seule solution déjà proposée à ce problème, telle qu'indiquée ci-dessus, est jugée insuffisante parce qu'elle fixe une limite au rapport longueur/largeur de l'élément combustible. Ce problème exige une solution selon laquelle des dilatations et contractions puissent apparaître sans que les particules de combustible soient endommagées ni rendues lâches, sans qu'il y ait déplacement d'une quantité notable de combus- tible, sans qu'il y ait addition d'une quantité notable de matériau absorbeur de neutrons et sans qu'il y ait pertur- bation sensible de la bonne distribution du flux de gaz de refroidissement. La présente invention s'attaque de manière directe au problème ci-dessus. Ce qu'elle prévoit est un élément combustible à lit de particules comportant des dispositifs de compression judicieusement placés dans le lit de particules. Des frittes intérieure et extérieure poreuses sont reliées l'une à l'autre à une extrémité par un chapeau. A l'autre extrémité un épaulement prévu entre les deux frittes positionne celles-ci radialement mais ne les entrave pas axialement. On peut placer un ressort et une rondelle à l'une ou à l'une et l'autre des extrémités pour maintenir l'application d'une force de tassement au lit de particules de combustible. Un ou plusieurs disposi- tifs de compression sont incorporés dans le lit de parti- cules combustibles entre les extrémités des frittes inté- rieure et extérieure. Les dispositifs de compression sont situés tout près de la fritte extérieure et dimensionnés en sorte d'occuper approximativement la moitié de l'épaisseur du lit prévue entre les deux frittes. Pour faire mieux comprendre la nature et les buts de la présente invention, on va décrire celle-ci ci-dessous en se référant aux dessins annexés, sur lesquels les mêmes pièces portent les mêmes références numériques; sur ces dessins: la figure 1 est une vue en coupe d'un élément combustible selon l'invention, montrant les dispositifs de compression à l'état dilaté; la figure 2 est une vue en coupe de l'élément combustible selon l'invention, montrant les dispositifs de compression à l'état comprimé; la figure 3 est une vue latérale grossie d'un dispositif de compression; la figure 4 est une vue latérale grossie d'un ? 6 33 4 34 dispositif de compression suivant une variante; la figure 5 est une vue latérale grossie d'un dispositif de compression suivant une autre variante. En se référant aux dessins, on voit sur la figure 1 un élément combustible à lit de particules selon l'in- vention désigné par la référence générale 10. L'élément combustible à lit de particules 10 est composé, d'une manière générale, d'une fritte intérieure 12, d'une fritte extérieure 14, d'une couche de particules de combustible 16, de premiers dispositifs de compression 18 et de seconds dispositifs de compression 20. Les frittes intérieure 12 et extérieure 14 peuvent être façonnées en tout matériau connu dans le métier comme convenant pour les conditions régnant dans un réacteur nucléaire. Les frittes 12, 14 sont poreuses pour que le gaz de refroidissement puisse les traverser et franchir le lit de particules de combustible 16. La fritte intérieure 12 est de diamètre plus faible que la fritte extérieure 14. Les frittes 12 et 14 sont reliées l'une à l'autre à une première extrémité par un chapeau d'extrémité 22 qui leur conserve leurs positions axiales et radiales relatives. A une seconde extrémité, les frittes 12, 14 sont positionnées radialement par un épaulement 24 mais non entravées axialement. Ceci ménage entre les deux frittes un espace annulaire 26 qui contient un lit de particules de combustible 16. Le lit de particules de combustibles 16 est composé d'une multiplicité de particules de combustible convenablement dimensionnées en vue de la transmission de chaleur à un gaz de refroidissement envoyé traverser l'espace annulaire 26 et le lit de particules 16. En fonctionnement normal du gaz de refroidissement traverse radialement le lit de particules 16, pénètre dans l'alésage intérieur 28 de la fritte intérieure 12, puis ressort axialement par une extrémité de l'alésage 28. Le chapeau d'extrémité 22 empêche l'écoulement vers l'extérieur à l'autre extrémité. Les particules de combustible sont relativement petites par rapport aux segments combustibles utilisés dans des éléments combustibles scellés et sont maintenues convenablement tassées par des dispositifs de compression. De premiers dispositifs de compression 18 peuvent être placés à l'une ou à l'une et l'autre extrémités de l'espace annulaire 26 dans l'élément combustible à lit de particule 10. Dans la réalisation préférée, des dispositifs de compression 18 sont prévus aux deux extrémités car ceci permet un plus grand rapport longueur/largeur de l'élément combustible 10. Le premier dispositif de compression 18 est formé d'un ressort 30 et d'une rondelle 32 voisins de l'une ou l'autre extrémité de l'élément combustible 10. Le ressort 30 est représenté à titre d'exemple sous forme de ressort en coupelle, mais peut être d'un autre type conve- nable. Le ressort 30 porte à la première extrémité, contre le chapeau d'extrémité 22 et, à la seconde extrémité, contre l'épaulement 24. La rondelle 32 est interposée à coulissement entre les frittes intérieure 12 et extérieure 14, contre le ressort 30. Ceci maintient l'application au lit de particules de combustible 16 d'une force de tasse- ment qui permet des dilatations et contractions du lit de particules de combustible 16 sans apparition au sein des particules de combustible de contrainte ni de relâchement inadmissible. De nombreux types d'application de réacteur à lit de particules exigent des éléments combustibles conçus en sorte de présenter un haut rapport de la longueur du lit au diamètre effectif du lit. Ceci fait apparaître dans la partie axiale médiane du lit de combustible des forces de frottement dont on ne peut triompher, provoquant des coincements par friction des particules de combustible et des charges de compression excessives. Un second dispositif de compression 20 placé dans l'espace annulaire 26 au sein du lit de particules de combustible 16 absorbe les dilatations locales. Bien qu'on ait représenté à titre d'exemple un seul second dispositif de compression 20, on peut en prévoir plus d'un. La figure 3 présente un vue agrandie du second dispositif de com- pression 20. Dans la réalisation préférée, le second dispositif de compression 20 est composé de deux rondelles Belleville ou ressorts 34 à fentes dont les petites bases sont juxtaposées. Ceci fait apparaître un profil en forme de V ouvrant vers l'extérieur par rapport aux frittes intérieure et extérieure 12, 14. Les rondelles Belleville ou ressorts 34 ont le diamètre extérieur voulu pour épouser la fritte extérieure 14 avec seulement un jeu suffisant pour permettre le mouvement souhaité du ressort. Les ressorts 34 présentent des fentes 36 destinées à permettre au gaz de refroidissement de traverser le ressort et de le refroidir avant de pénétrer dans le lit de particules de combustible 16 de part et d'autre des ressorts 34. Les fentes 36 servent aussi à augmenter l'élasticité à la compression des ressorts 34. Il est à noter que les fentes 36 doivent être plus étroites que les particules de com- bustible pour empêcher celles-ci de pénétrer dans l'espace libre séparant les ressorts 34 et de s'opposer à une pleine compression. A l'état pleinement comprimé, les ressorts 34 sont plats et occupent seulement dans le lit de particules 16 un volume équivalent à leur volume matériel. L'extrémité ouverte du V est juxtaposée à la fritte extérieure 14 et dimensionnée en sorte d'occuper seulement, à l'état de pleine expansion, la moitié environ de l'épaisseur du lit de particules 16. Du fait qu'il occupe surtout la région extérieure du lit de particules de combustible 16, le second dispositif de compression 20 peut être maintenu à une température modérée, ce qui permet de le fabriquer en l'un quelconque des divers matériaux pour ressorts cou- rants. Pour une hauteur axiale donnée, le second dispositif de compression 20 peut absorber une plus forte variation du volume du lit quand le V débouche contre la fritte exté- rieure 14 que lorsqu'il débouche contre la fritte inté- rieure 12. De plus, en évitant d'occuper la région inté- rieure du lit de particules de combustible 16, on laisse à la fritte intérieure 12, la plus chaude, plus de liberté de mouvement par rapport au second dispositif de compression 20. La figure 4 illustre une variante 120 du second dispositif de compression 20 comportant un ressort en coupelles multicouche 38, une cage de ressort 40 et une rondelle plate 42 portant à coulissement contre le pourtour de la cage à ressort 40. La cage à ressort 40 comporte une section verticale perforée qui porte contre la fritte intérieure 12 et présente un rebord extérieur recourbé qui empêche la rondelle de se trouver séparée à force de la cage 40. La configuration du ressort en coupelle 38 et des fentes ménagées dans la cage à ressort 40 permettent au gaz de refroidissement de s'écouler en sorte de refroidir l'empilage de ressort avant de pénétrer dans le lit de combustible. La configuration du ressort en coupelles 38 assure aussi l'application à la rondelle plate 42- de charges multiponctuelles et uniformes, ce qui empêche la rondelle de se couder et, par là, de se coincer sur la cage à ressort 40. Cette configuration permet au dispositif de compression 120 d'absorber une forte variation de volume du lit de particules de combustible 16. La figure 5 représente à titre d'exemple une seconde variante 220 du second dispositif de compression 20. Le dispositif de compression 220 comporte une cage à ressort 40 et une rondelle plate 42 comme décrit ci-dessus. Un tore métallique creux à paroi mince, sous pression, 44 est placé entre la cage 40 et la rondelle 42 pour faire office de ressort. Cette conception convient pour des conditions o le fluage du matériau du ressort ferait normalement perdre au ressort sa force de retour à l'état initial. C'est le gaz comprimé présent à l'intérieur du tore métallique 44 qui engendre la force de rappel. En fonctionnement, les dispositifs de compression 18, 20 permettent l'apparition de dilatations et con- tractions dans le lit de particules de combustible 16 et dans les frittes intérieure et extérieure 12, 14 sans que le lit de particules de combustible 16 subisse une com- pression ou un relâchement inadmissible. Dans la réalisa- tion préférée, on obtient une efficacité maximale en faisant appel à des matériaux pour ressorts à haute résis- tance mécanique tels qu'alliages à haute résistance méca- nique d'acier inoxydable, de nickel et de cuivre au béryl- lium pour façonner lés dispositifs de compression 18, 20. Bien entendu, on pourra apporter aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple diverses 6'334-3 4 modifications et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Elément combustible (10) à lit de particules, caractérisé en ce qu'il comprend: a) une fritte intérieure (12); b) une fritte extérieure (14) fixée à la fritte intérieure et définissant avec elle un espace annulaire (26); c) un lit de particules de combustible (16) présent dans l'espace annulaire (26); d) un premier dispositif de compression (18) prévu à chaque extrémité de l'espace annulaire (26); et e) un second dispositif de compression (20, 120, 220) placé dans l'espace annulaire (26) au sein du lit de particules de combustible (16). 2. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier dispositif de compression (18) est composé d'un ressort (30) et d'une rondelle (32) montés coulissants dans l'espace annulaire (26). 3. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second dispositif de compression (20) est composé de deux rondelles Belleville (34) à fentes, placées l'une contre l'autre. 4. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second dispositif de compression (120) comprend: a) une cage à ressort à fentes (40) placée dans l'espace annulaire (26); b) un ressort en coupelles (38) monté sur la cage à ressort (40); et c) une rondelle (42) montée coulissante sur la cage à ressort (40) contre le ressort en coupelle (38). 5. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second dispositif de compression (220) comprend: a) une cage à ressort à fentes (40) placée dans l'espace annulaire (26); b) un tore métallique pressurisé (44) monté sur la cage à ressort (40); et c) une rondelle (42) montée coulissante sur la cage à ressort contre ledit tore métallique (44). 6. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les frittes intérieure (12) et extérieure (14) sont fixées l'une à l'autre par un chapeau d'extrémité (22) à une première extrémité et guidées radialement par un épaulement (24) à une seconde extrémité.