Brevet FR2671903A1 — publié le 19920724

1. ELEMENT COMBUSTIBLE NUCLEAIRE REFROIDI PAR GAZ La présente invention concerne en général les réac- teurs nucléaires et, plus particulièrement, les réacteurs refroidis par gaz à haute température et leurs éléments combustibles. Dans les réacteurs refroidis par gaz à haute tempéra- ture, les types de combustible utilisés comprennent les éléments combustibles en tiges, les comprimés de particules cylindriques dans des blocs de graphite hexagonaux (prisma- tiques), les comprimés de particules sphériques (boules), et les barres de combustible/graphite, hexagonales, extru- dées, NERVA (moteurs nucléaires pour lanceurs) Les réac- teurs utilisant les combustibles en forme de prisme ou de boules utilisent le carbone comme matériau de matrice liant les particules de combustible enrobées et comme modérateur de réacteur L'utilisation de carbone comme modérateur aboutit à des éléments combustibles à teneur en particules combustibles limitée et des coeurs de réacteurs de très grande taille étant donné la grande quantité de carbone né- cessaire pour ralentir les neutrons Les brevets ayant trait aux éléments combustibles pour réacteurs refroidis par gaz dont le présent demandeur a connaissance sont men- tionnés ci-dessous. Le brevet U S N O 4,569,820 décrit des éléments com- bustibles empilables usinés à partir de graphite et compor- tant des chambres de combustible qui reçoivent un combusti- ble nucléaire sous la forme de particules enrobées Des orifices de réfrigérant sont usinés dans les blocs de gra- phite séparément des chambres de combustible de manière que le réfrigérant ne contacte pas directement le combusti- ble. Le brevet U S NI 4,759,911 décrit un élément combus- tible nucléaire refroidi par gaz composé d'une pluralité de cylindres poreux rigides de taille échelonnée, emboîtés, qui contiennent des quantités variables de combustible nu- cléaire sur eux. Le brevet U S NI 3,560,339 décrit un élément combus- tible de réacteur nucléaire comportant une gaine tubulaire allongée qui renferme des particules combustibles et une pluralité de disques de plus petit diamètre que le diamètre intérieur de la gaine. Le brevet U S NO 4,704,248 décrit un élément combus- tible nucléaire composé d'un bloc allongé de matériau ré- fractaire comportant une pluralité de passages de réfrigé- rant distincts et des orifices de combustible allongés. Des joints d'extrémité garantissent une circulation cor- recte du réfrigérant dans les passages de réfrigérant. Le brevet U S N O 3,873,420 décrit un ensemble d'élé- ment combustible comprenant un bloc prismatique comportant des alésages contenant le combustible et des alésages in- tersticiels conduisant le réfrigérant s'étendant bout-à- bout Le combustible comprend des piles de comprimés an- nulaires qui chemisent les alésages à combustible et for- ment des conduits centraux d'écoulement de réfrigérant dans le combustible Le bloc forme un support pour les comprimés annulaires. Les brevets U S N O 3,891,502, N O 3,988,397, et NO 4,017,567 décrivent des éléments combustibles en blocs formés à partir de matrice de graphite. Bien que les brevets précités décrivent une variété d'éléments combustibles, les blocs solides décrits pré- voient tous des conduits de réfrigérant et conduits conte- nant du combustible distincts de manière que la chaleur produite par le combustible soit extraite des blocs et que le réfrigérant ne soit pas directement en contact avec le combustible Cela augmente la taille de l'élément combusti- ble, du coeur, et du réacteur Il existe un besoin d'élé- ments combustibles refroidis par gaz de plus petite taille que les éléments combustibles actuels mais capables de gé- nérer la même puissance. La présente invention est précisément en rapport avec ledit besoin Elle propose un élément combustible nucléaire refroidi par gaz qui permet un contact direct du réfrigé- rant avec le matériau contenant le combustible Une plura- lité de disques contenant le combustible sont empilés et supportés au sein d'un tube cylindrique par des garnitures d'extrémité Le tube cylindrique forme un passage de ré- frigérant à l'extérieur de la pile de disques, permet une rigidité de structure, et sépare le réfrigérant et les comprimés de combustible de tout modérateur de neutrons utilisé Les comprimés en disques peuvent être fabriqués pour un écoulement de réfrigérant radial ou axial. Pour mieux comprendre la nature et les objets de la présente invention, il faut se reporter à la description qui suit, conjointement-aux dessins annexés, sur lesquels les pièces identiques portent les mêmes références, et o La figure 1 est une vue de côté en coupe de la présen- te invention. La figure 2 est une vue en plan illustrant la présente invention dans une cuve de réacteur nucléaire. La figure 3 illustre un seul disque de la pile de dis- ques de la présente invention. La figure 4 illustre une variante de mode de réalisa- tion d'un seul disque de la présente invention. La figure 5 est une vue de côté qui illustre le bloca- ge par emboîtement des disques de la présente invention. La figure 6 illustre une variante de mode de réalisa- tion de la présente invention. En se référant aux dessins, il apparaît sur la figure 1 que la présente invention est indiquée généralement par la référence 10 L'élément combustible nucléaire refroidi par gaz 10 est généralement composé d'une pluralité de dis- ques individuels 12, d'un tube cylindrique 14, et de garni- tures d'extrémité 16. Chaque disque 12 utilise de préférence un matériau de matrice tel que le carbone pour lier les particules combus- tibles nucléaires en un disque tel qu'illustré Durant le processus de fabrication, des conduits d'écoulement sont ménagés selon le trajet souhaité de réfrigérant dans les disques Dans le mode de réalisation préféré illustré sur la figure 1 et 3, un seul conduit axial 18 est ménagé sen- siblement au centre de chaque disque 12 Chaque disque 12 est également doté d'une pluralité de petits conduits ou canaux radiaux 20 qui s'étendent du bord externe du disque 12 au conduit axial 18 Des canaux 20 peuvent être prévus sur la face supérieure ou inférieure de chaque disque ou sur les deux faces Lorsque les disques sont empilés comme représenté sur la figure 1, des canaux 20 forment un pas- sage pour l'écoulement du réfrigérant radialement en tra- vers des disques jusqu'au conduit axial 18. La pile de disques est disposée à l'intérieur du tube cylindrique 14 et maintenue en place par des garnitures d'extrémité supérieure et inférieure 16 A, B de manière à former un espace annulaire 21 entre les disques 12 et le tube cylindrique 18 Le tube cylindrique 14 est de préfé- rence fermé à son extrémité supérieure et ouvert à son ex- trémité inférieure Un ressort 22 est disposé entre la gar- niture d'extrémité supérieure 16 A et l'extrémité supérieure du tube cylindrique 14 Il permet une expansion axiale des disques 12 durant le fonctionnement du réacteur La garni- ture d'extrémité supérieure 16 A peut également être dotée d'une zone centrale évidée pour recevoir le disque supé- rieur 12 afin de permettre un support latéral et empêcher le déplacement de côté des disques La garniture d'extrémi- té inférieure 16 B présente sensiblement le même diamètre extérieur que les disques 12 La garniture d'extrémité in- férieure 16 B est dotée d'un alésage central 24 la traver- sant. Une variante de mode de réalisation des disques 12 est illustrée sur les figures 4, 5 o une pluralité d'alésages axiaux 26 sont prévus pour l'écoulement du réfrigérant Ces alésages suppriment la nécessité de canaux 20 étant donné la superficie accrue des disques 12 en contact avec le flux de réfrigérant et permettent d'utiliser uniquement un flux de réfrigérant axial dans les disques 12 Comme représenté sur la figure 5, l'un ou l'autre mode de réalisation des disques 12 peut également prévoir des éléments qui amènent les disques 12 à rester correctement positionnés l'un par rapport à l'autre La face inférieure de chaque disque 12 peut être dotée d'une encoche 28 adjacente à son bord externe Une patte 30 d'une taille correspondant à celle de l'encoche 28 peut être disposée sur la face supérieure de chaque disque 12 Lors de l'empilage des disques 12, la patte 30 est reçue dans l'encoche 28 d'un disque adjacent. Cela empêche la rotation des disques 12 l'un par rapport à l'autre et maintient un alignement correct des alésages axiaux 26 Une autre caractéristique qui peut être utilisée pour l'un ou l'autre mode de réalisation est le façonnage de chacun des disques 12 de manière que sa face supérieure soit concave et que sa face inférieure soit convexe d'un même degré que la face supérieure concave Celle-ci est indiquée par la dimension D sur la figure 5 La concordance des surfaces convexe et concave lorsque les disques 12 sont empilés permet un support latéral et empêche le glisement des disques 12 l'un par rapport à l'autre. Une pluralité d'éléments combustibles nucléaires 10 refroidis par gaz sont utilisés dans un réacteur nucléaire refroidi par gaz 32 tel que celui illustré sur la figure 2. Le réacteur 32 est composé d'une cuve de réacteur 34, de cylindres de commande 36, d'un modérateur 38, de chicanes d'écoulement 40, d'éléments combustibles nucléaires refroi- dis par gaz 10, de barres de commande 42 et de tubes de ré- frigérant 44 A des fins de clareté d'illustration, seul un petit nombre de tubes de réfrigérant 44 sont représentés et il est entendu que davantage de tubes 44 peuvent être uti- lisés. Lors du fonctionnement, le réfrigérant est dirigé dans la cuve du réacteur 34 jusqu'aux éléments combustibles nu- cléaires 10 refroidis par gaz pour extraire la chaleur de ceux-ci Comme indiqué par les flèches sur la figure 1, le réfrigérant pénètre dans l'espace annulaire 21 entre la pi- le de disques de combustible 12 et la paroi interne du tube cylindrique 14, s'écoule radialement entre les disques de combustible 12 par les canaux 20 dans le conduit axial 18, puis vers le bas par le conduit axial 18 et l'alésage cen- tral 24 dans la garniture d'extrémité inférieure 16 B Le réfrigérant est alors dirigé jusqu'à un dispositif de transformation d'énergie qui transforme la chaleur en éner- gie utile Les avantages qui suivent sont obtenus grâce à l'élément combustible nucléaire 10 refroidi par gaz Des chargements de grand volume de particules combustibles en- robées peuvent être obtenus dans les disques 12 étant donné la faible quantité de matériau de matrice en excédent né- cessaire pour former le disque et obtenir la rigidité exi- gée Cela permet de réduire la dimension de l'élément com- bustible nucléaire et la taille globale du coeur La sépa- ration du combustible du modérateur, à l'inverse de l'art antérieur qui incorpore le modérateur dans les éléments combustibles, sépare également le modérateur du réfrigérant du réacteur Cela permet d'utiliser des modérateurs hydro- génés de température relativement faible qui sont moins vo- lumineux que le carbone ou le graphite et aboutit à une diminution du volume du réacteur Un autre avantage de la séparation du modérateur et du réfrigérant est qu'elle constitue un mécanisme d'extraction de chaleur résiduelle indépendant pour refroidir le réacteur au cas o le flux de réfrigérant normal est perdu La forme simple des dis- ques 12 permet de les réaliser à partir de matériaux ré- fractaires à température élevée tels que le carbone gra- phité avec des coins arrondis pour augmenter la résistance aux contraintes mécaniques et thermiques, ce qui accroît l'élasticité de la forme de combustible dans des conditions qui généreraient normalement de fortes contraintes Cela est encore renforcé par le support supplémentaire de struc- ture fourni par le tube cylindrique 14 La géométrie simple des disques 12 permet d'employer des techniques de fabrica- tion courantes tout en minimisant le risque de détériora- tion des particules combustibles enrobées au sein du disque 12 parce que la contrainte sur les particules combustibles peut être maintenue très faible durant la fabrication. La figure 6 illustre une variante de mode de réalisa- tion d'élément combustible nucléaire 10 refroidi par gaz dans lequel le tube cylindrique 14 est ouvert aux deux ex- trémités La pile de disques combustibles nucléaires 12 est conçue pour un écoulement radial par utilisation de canaux tels que décrits ci- dessus de manière que le réfrigérant circule radialement entre les disques puis axialement à l'extérieur de la pile via le conduit axial 18 Cependant, dans ce mode de réalisation, le réfrigérant s'écoule dans l'élément combustible nucléaire 10 refroidi par gaz à une extrémité et hors de l'élément combustible 10 à l'extrémité opposée Cela se passe de la manière décrite ci-dessous La garniture d'extrémité supérieure 116 A est non-poreuse et dotée d'un alésage axial 46 qui est en alignement axial avec les conduits axiaux 18 de la pile de disques combusti- bles 12 La garniture d'extrémité inférieure 116 B est dotée d'un moyen 48 pour permettre l'expansion axiale des disques combustibles 12 durant le fonctionnement du réacteur Le moyen 48 peut consister en un ressort ou soufflet Comme indiqué par les flèches, le réfrigérant s'écoule dans le conduit axial 21 par l'ouverture 50 à l'extrémité inférieu- re du tube cylindrique 14 Le réfrigérant est alors forcé de s'écouler radialement en travers des disques combusti- bles 12 via les canaux 20 dans le conduit axial 18 puis axialement hors de l'élément combustible 10 via l'alésage axial 46. Etant donné que beaucoup de modes de réalisation va- riables et différents sont possibles dans le cadre du con- cept de la présente invention et que diverses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation détaillé ici selon les exigences de description, il est clair que les détails sont donnés ici à titre explicatif et non limita- tif. REVENDICATIONS 1 Elément combustible nucléaire ( 10) refroidi par gaz, comprenant: a un tube cylindrique ( 14) comportant une extrémité ouver- te; b une pluralité de disques combustibles nucléaires ( 12) empilés au sein dudit tube cylindrique ( 14) de manière à former un espace annulaire ( 21) entre lesdits disques ( 12) et ledit tube ( 14); c lesdits disques combustibles nucléaires ( 12) comportant chacun un conduit axial ( 18) les traversant; et d une garniture d'extrémité supérieure ( 16 A) et une garni- ture d'extrémité inférieure ( 16 B) dans ledit tube cylindri- que ( 14) qui supportent lesdits disques combustibles nu- cléaires ( 12) dans ledit tube ( 14). 2 Elément combustible nucléaire ( 10) selon la revendica- tion 1, dans lequel ladite garniture d'extrémité inférieure ( 16 B) est dotée d'un alésage central ( 24) en alignement axial avec le conduit axial ( 18) dans lesdits disques com- bustibles ( 12). 3 Elément combustible nucléaire ( 10) selon la revendica- tion 1, dans lequel une surface de chacun desdits disques combustibles ( 12) est dotée de canaux ( 20) qui s'étendent radialement entre ledit conduit axial ( 18) et le bord ex- terne desdits disques ( 12). 4 Elément combustible nucléaire ( 10) selon la revendica- tion 1, dans lequel chacun desdits disques combustibles ( 12) présente une surface concave supérieure et une surface convexe inférieure. Elément combustible nucléaire ( 10) refroidi par gaz, comprenant: a un tube cylindrique ( 14) comportant une extrémité ouver- te; b une pluralité de disques combustibles nucléaires ( 12) empilés au sein dudit tube cylindrique ( 14) de manière à former un espace annulaire ( 21) entre lesdits disques ( 12) et ledit tube ( 14); c lesdits disques combustibles nucléaires ( 12) comportant chacun un conduit axial ( 18) les traversant et des canaux ( 20) sur une surface de chaque disque ( 12) qui s'étendent radialement entre ledit conduit axial ( 18) et le bord ex- terne desdits disques ( 12); et d une garniture d'extrémité supérieure ( 16 A) et une garni- ture d'extrémité inférieure ( 16 B) dans ledit tube cylindri- que ( 14) qui supportent lesdits disques combustibles nu- cléaires ( 12) dans ledit tube ( 14), ladite garniture d'ex- trémité inférieure ( 16 B) étant dotée d'un alésage central ( 24) en alignement axial avec le conduit axial ( 18) dans lesdits disques combustibles ( 12). 6 Elément combustible nucléaire ( 10) selon la revendica- tion 5, dans lequel chacun desdits disques combustibles ( 12) présente une surface concave supérieure et une surface convexe inférieure. 7 Elément combustible nucléaire ( 10) refroidi par gaz, comprenant: a un tube cylindrique ( 14) ouvert aux deux extrémités; b une pluralité de disques combustibles nucléaires ( 12) empilés au sein dudit tube cylindrique ( 14) de manière à former un espace annulaire ( 21) entre lesdits disques ( 12) et ledit tube ( 14); c lesdits disques combustibles nucléaires ( 12) comportant chacun un conduit axial ( 18) les traversant; d une garniture d'extrémité supérieure ( 116 A) et une gar- niture d'extrémité inférieure ( 116 B) dans ledit tube cylin- drique ( 14) qui supportent lesdits disques combustibles nu- cléaires ( 12) dans ledit tube ( 14). 8 Elément combustible nucléaire ( 10) selon la revendica- tion 7, dans lequel ladite garniture d'extrémité supérieure ( 116 A) est dotée d'un alésage axial ( 46) en alignement axial avec les conduits axiaux ( 18) dans ladite pile de disques combustibles ( 12). 9 Elément combustible nucléaire ( 10) selon la revendica- tion 7, dans lequel une surface de chacun desdits disques combustibles ( 12) est dotée de canaux ( 20) qui s'étendent radialement entre ledit conduit axial ( 18) et le bord ex- terne desdits disques ( 12). Elément combustible nucléaire ( 10) selon la revendica- tion 7, dans lequel chacun desdits disques combustibles ( 12) présente une surface concave supérieure et une surface convexe inférieure.