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Eléments combustibles pour réacteurs nucléaires, ; La présente invention se rapporte à des éléments com- bustibles pour réacteurs nucléaires.
Parmi les éléments combustibles pour réacteurs nucléai- res les plus courants figurent ceux dont le matériau combustible nucléaire est engainé dans un tube protecteur fermé par des bou- chons d'extrémité. Chacun des deux bouchons d'extrémité est scellé à la gaine par une soudure dirconférentielle bout à bout obtenue en procédant par soudure à l'arc sous argon.
L'emploi de ces bou- chons d'extrémité soudés présente des difficultés lorsque les élé- ments combustibles ont de petites dimensions en section transversale comme c'est le cas pour les éléments combustibles du type aiguille,
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A ces difficultés sont associés divers facteurs qui comprennent la nécessité d'une précision dans le réglage de la pénétration de là soudure, le désir de réduire la zone affectée par la chaleurde la soudure, le fait que des modifications brusques de la section transversale se produisent dans le voisinage immédiat de la soudure . et la croissance du grain des constituants soudés.
Suivant un aspect de la présente invention, un procédé de fermeture d'une extrémité d'un tube protecteur pour un élément combustible du type aiguille pour.réacteur nucléaire est caractérisée en ce qu'on façonne l'extrémité par rétreinte pour y former un col ouvert et on scelle l'ouverture par soudure.
Suivant un autre aspect de la présente invention, un procédé de fermeture d'une extrémité d'un,tube protecteurnpour un élément combustible du.type aiguille pour réacteur combustible est caractérisé en ce.qu'on assemble un tube de renfort avec l'extré- mité du tube protecteur de manière qu'une partie d'une surface du tube de renfort soit en contact avec une surface opposée de l'ex- trémité du tube protecteur, on rétreint l'ensemble pour former . un col ouvert à l'endroit des surfaces en contact et on scelle l'ouverture du col par soudure.
, '.-
Le tube de renfort est de préférence placé en partie à l'intérieur et en partie à l'extérieur du tube protecteur, l'ex- tréfilé de la partie se trouvant à l'extérieur du tube protecteur étant fermée,
Avant de façonner le col,on soude 'de préférence l'extre- mité du tube protecteur au tube de renfort.
L'invention couvre également un tube protecteur pour un élément combustible nucléaire comprenant une fermeture d'extrémiité obtenue par le procédé décrit dans les quatre paragraphes précédente.
Dans le dessin annexé donné à titre d'exemple, les
Fige 1 à 3 sont des vues en coupe longitudinale, à grande échelle montrant les différentes phases de la fermeture de l'extrémité d'un tube protecteur d'élément combustible pour réacteur nuclèaire
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par le procédé de la présente invention.
Les figures montrent un élément combustible du type aiguille pour réacteur nucléaire comprenant une matière combus- tible nucléaire 1 prise entre des pastilles d'oxyde d'uranium naturel 2,3, et un' tube protecteur 4 entourant le combustible 1.. et.les pastilles 2,3. Le tube 4 est, de manière typique, fait en acier Inoxydable et a un diamètre interne de 0,2 pouce (5 mm) avec une épaisseur de paroi de 0,015 pouce (0,375 mm) tandis que la matière combustible 1 est, de manière typique, de l'bxyde d'uranium ou de l'oxyde de plutonium enrichi ou un mélange de ces deux oxydes, sous la forme d'un empilage de pastilles ou de poudre compactée. Suivant l'invention, une extrémité du tube vide.4 est façonnée par rétreinte pour y former un col ouvert.
Après enlève- ment de la matière en excès, l'ouverture est scellée par un point de soudure à l'arc sous argon 5 de façon que l'extrémité 6 du tube 4 ait une forme approximativement hémisphérique.
Après nettoyage du tube 4, on introduit dans l'ordre indiqué, une cale de positionnement 7 en acier inoxydable, la pastille 2, la matière combustible 1, la pastille 3 et une cale de positionnement 8 en acier inoxydable, par l'extrémité ouverte 9 du tube 4. La cale 7 comporte des extrémités incurvées 10,11 et un trait de scie longitudinal 12 tandis que l'élément 8¯comporte une extrémité incurvée 13 et un trait de scie longitudinal 14.
La fig. 1 montre un tube de renfort 15 enfoncé dans l'extrémité 9 du tube 4 de telle manière qu'une partie de la sur- face extérieure du tube 15 soit en contact avec la surface inté- rieure de l'extrémité 9 du tube 4. Cette partie du tube 15 à l'intérieur du tube 4 comporte une extrémité ouverte ayant une bride 16 dirigée radialement vers l'intérieur tandis qul'extré- mité de l'élément 15 à l'extérieur du tube 4 est rétreinte et fermée par un point de soudure à l'arc sous argon 17.
. Le tube intérieur de renfort 15 est l'extrémité du tube 9 étant emboîté comme représenté sur la Fig. 1, on les soude en-
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semble par un cordon de soudure circonférentiel à l'arc sous argon
18.
Après achèvement de la soudure 18, on rétreint le tube
15 et l'extrémité 9 du tube 4, en formant ainsi un col ouvert 19 (Fig. 2) sur l'ensemble a l'endroit ou leurs surfaces sont en con- tact, puis on coupe le col 19 suivant la ligne indiquée par les flèches 20, ce qui élimine les soudures 17'et%8 et donne une ou- verture 21, Ensuite, on dégaze le tube 4. et on le remplit d'hélium par l'ouverture 21 que l'on ferme finalement par un point de sou- dure à l'arc sous hélium 22 (Fig. 3) qui scelle le tube 15 et l'extrémité 9 du tube 4 ensemble.
L'invention n'est pas limitée aux détails décrits ci- dessus à titre d'exemple avec référence au dessin. C'est ainsi que l'élément 15 ne doit pas nécessairement comprendre la bride 16 bien que cette bride soit avantageuse en ce sens qu'elle délimite un espace de dilatation 23 et retient en place le combustible 1 et . les pastilles 2,3..
Pour certains essais ie fermeture d'extrémités de tubes, on a utilisé pour rétreindre ceux-ci une machine de rétreinte à double matrice Stevens & Bullivant n 10, en maintenant les tubes des éléments combustibles du type aiguille dans un mandrin de serrage porté par un fût monté sur un banc gradué de manière que .
, la longueur du tube introduite dans les matrices de rétreint puisse être réglée de manière précise. En coupe longitudinale, la forme de la matrice ressembleune arche à extrémité semi-cir- culaire, la double matrice délimitant une sortie axiale à l'ex- trémité. La sortie est plus petite pour l'extrémité 6 que pour l'extrémité 9.
D'autres essais de fermeture d'extrémités ont été faits en utilisant une machine de rétreinte tournante Stevens & Bullivant n 4 à double matrice conformée de manière à former une partie tronconique droite entre la partie principale du tube et le col.
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Un tube de renfort analogue au tube de renfort intérieur 15 peut être utilisé à l'extrémité 6 aussi bien qu'à l'extrémité 9. Ce tube de renfort agit en quelque sorte comme un mandrin et sert à.réduire le risque de fissuration pendant la rétreinte. Pour les dimensions de tube indiquées ci-dessus, le tube en acier Inoxydable 15 a, de manière typique, une épaisseur de paroi de
0,017 pouce, (0,425 mm) et on opère la rétreinteà froid, de manié- ' re typique, pour obtenir un col d'un diamètre extérieur de 0,16 pouce (4 mm) et un tube de renfort intérieur 15 ayant un diamètre interne d'environ 0,070 pouce (1,75 mm), (ce qui, en d'autres mots, est la dimension de l'ouverture ou de l'alésage 21,) c'est- à-dire une notable réduction par rapport au diamètre interne de
0,2 pouce (5 mm) du tube 4.
Les essais de résistance à l'éclatement à la température ambiante et à 650 C sur des tubes fermés aux extrémités par ré- treinte et soudure indiquent que dans tous les cas les ruptures commencent dans les parties non rétreintes des tubes, aux pressions normalement prévues à partir des données de résistance à l'éclate- ment du tube.
Le façonnage par rétreinte d'une extrémité d'un tube protecteur d'un élément combustible du type aiguille pour réacteur nucléaire, pour former un col, constitue une caractéristique im- portante de l'invention. insi, d'autres procédés de façonnage des extrémités de ces tubes ont été essayés'et donnent lieu à de sérieux inconvénients que la rétreinte évite: Par repoussage au tour, il est difficile d'obtenir des résultats suivis tandis que le cônage nécessite pour déformer l'extrémité dans une matrice, une charge axiale qui est supérieure à la charge de flambage de la partie principale du tube, tandis que le laminage donne lieu 'à un amincissement de la paroi et à des fissures.
La soudure 18 aide à assurer qu'il n'y a pas de dépla- cement axial relatif entre l'extrémité 9 du tube 4 et le tube de renfort 15 pendant l'opération de rétreinte tandis que les soudures
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17, 18 aident à éviter que de l'huile provenant-du système de lubrification de la machine utilisée pour l'opération de rétrainte :
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pénètre dms les aiguilles de combustible et contamine le combue. tible 1 et les pastilles 2, 3.
Un autre avantage de l'invention est d'éviter l'emploi de bouchons d'extrémité soudés, ce qui écarte les difficultés in- diquées plus haut et celles de l'alignement des bouchons d'extré- mité, et permet l'emploi de simples points de soudure pour le scellement.
Bien que le tube de renfort 15 constitue une pièce sup- plémentaire, son emploi est compensé par les avantages indiqués plus haut, et on peut se passer de cordon de soudure 18 en pré- voyant un emboîtement à frottement dur entre le(tubes 15 et 4.
Le tube protecteur à rétreindre d'un élément combustible du type aiguille pour réacteur'nucléaire a un diamètre extérieur réduit (par exemple 0,23 pouce ou 5,75 mm pour le tube ou gaine 4) et une épaisseur de paroi relativement élevée (par exemple 0,015. pouce ou 0,375 mm) pour le tube ou gaine 4.
REVENDICATIONS.
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1.- Procédé de fermeture d'une extrémité d'un tubs pro- tecteur pour un élément combustible du type aiguille pour réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'on façonne l'extrémité par ré- '.jl' treinte pour y former un col ouvertvet on scelle l'ouverture par soudure.
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Fuel elements for nuclear reactors,; The present invention relates to fuel elements for nuclear reactors.
Among the most common fuel elements for nuclear reactors are those in which the nuclear fuel material is sheathed in a protective tube closed by end caps. Each of the two end caps is sealed to the sheath by a dirconferential butt weld obtained by proceeding by arc welding under argon.
The use of these welded end plugs presents difficulties when the fuel elements have small dimensions in cross section as is the case for needle type fuel elements,
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Associated with these difficulties are various factors which include the need for precision in the adjustment of the penetration of the weld, the desire to reduce the area affected by the heat of the weld, the fact that abrupt changes in the cross section occur. in the immediate vicinity of the weld. and the grain growth of the fused components.
According to one aspect of the present invention, a method of closing one end of a protective tube for a needle type fuel element for a nuclear reactor is characterized in that the end is shaped by necking to form a neck thereon. opened and the opening is sealed by welding.
According to another aspect of the present invention, a method of closing one end of a protective tube for a fuel element of the needle type fuel reactor is characterized in that a reinforcement tube is assembled with the end. - mated the protective tube so that part of a surface of the reinforcing tube is in contact with an opposite surface of the end of the protective tube, the assembly is constricted to form. an open neck at the location of the surfaces in contact and the opening of the neck is sealed by welding.
, '.-
The reinforcement tube is preferably placed partly inside and partly outside the protective tube, the extrusion of the part lying outside the protective tube being closed,
Prior to shaping the neck, the end of the protective tube is preferably welded to the backing tube.
The invention also covers a protective tube for a nuclear fuel element comprising an end closure obtained by the method described in the four preceding paragraphs.
In the attached drawing given by way of example, the
Figs 1 to 3 are longitudinal sectional views, on a large scale showing the different phases of the closing of the end of a protective tube for a nuclear reactor fuel element.
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by the method of the present invention.
The figures show a needle type fuel element for a nuclear reactor comprising a nuclear fuel material 1 gripped between natural uranium oxide pellets 2,3, and a protective tube 4 surrounding the fuel 1. lozenges 2.3. Tube 4 is typically made of stainless steel and has an internal diameter of 0.2 inch (5mm) with a wall thickness of 0.015 inch (0.375mm) while combustible material 1 is typically , uranium oxide or enriched plutonium oxide or a mixture of these two oxides, in the form of a stack of pellets or compacted powder. According to the invention, one end of the empty tube 4 is shaped by necking to form an open neck therein.
After removing the excess material, the opening is sealed with an argon arc weld 5 so that the end 6 of the tube 4 has an approximately hemispherical shape.
After cleaning the tube 4, are introduced in the order indicated, a positioning wedge 7 of stainless steel, the pellet 2, the combustible material 1, the pellet 3 and a positioning wedge 8 of stainless steel, by the open end 9 of the tube 4. The wedge 7 has curved ends 10,11 and a longitudinal kerf 12 while the element 8¯ has a curved end 13 and a longitudinal kerf 14.
Fig. 1 shows a reinforcing tube 15 embedded in the end 9 of the tube 4 such that part of the outer surface of the tube 15 contacts the inner surface of the end 9 of the tube 4. This part of the tube 15 inside the tube 4 has an open end having a flange 16 directed radially inward while the end of the element 15 outside the tube 4 is necked and closed by a. argon arc welding point 17.
. The inner reinforcing tube 15 is the end of the tube 9 being nested as shown in FIG. 1, we weld them together
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appears by a circumferential weld bead with argon arc
18.
After completion of the weld 18, the tube is shrunk
15 and the end 9 of the tube 4, thus forming an open neck 19 (Fig. 2) on the whole where their surfaces are in contact, then the neck 19 is cut along the line indicated by arrows 20, which eliminates the welds 17 ′ and% 8 and gives an opening 21, Then the tube 4 is degassed and it is filled with helium through the opening 21 which is finally closed with a helium arc weld 22 (Fig. 3) which seals tube 15 and end 9 of tube 4 together.
The invention is not limited to the details described above by way of example with reference to the drawing. Thus, the element 15 does not necessarily have to include the flange 16 although this flange is advantageous in that it defines an expansion space 23 and retains the fuel 1 and in place. the tablets 2,3 ..
For certain tests, ie closing the ends of tubes, a Stevens & Bullivant n 10 double-die shrinking machine was used to shrink them, by holding the tubes of the needle-type fuel elements in a clamping mandrel carried by a was mounted on a graduated bench so that.
, the length of the tube introduced into the shrinkage dies can be precisely adjusted. In longitudinal section, the shape of the matrix resembles an arch with a semi-circular end, the double matrix defining an axial outlet at the end. The outlet is smaller for end 6 than for end 9.
Further end closure tests were carried out using a Stevens & Bullivant No. 4 rotary necking machine with double die shaped so as to form a straight frustoconical part between the main part of the tube and the neck.
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A reinforcing tube similar to the inner reinforcing tube 15 can be used at end 6 as well as at end 9. This reinforcing tube acts as a kind of mandrel and serves to reduce the risk of cracking during. the necking. For the pipe dimensions given above, the stainless steel pipe 15 typically has a wall thickness of
0.017 inch, (0.425 mm) and cold necking, typically, to obtain a neck with an outside diameter of 0.16 inch (4 mm) and an inside reinforcement tube having an inside diameter. approximately 0.070 inch (1.75 mm), (which, in other words, is the size of the opening or bore 21,) that is, a noticeable reduction from the internal diameter of
0.2 inch (5mm) from tube 4.
The burst strength tests at ambient temperature and at 650 C on tubes closed at the ends by shrinkage and welding indicate that in all cases the ruptures begin in the non-constricted parts of the tubes, at the pressures normally expected at based on the tube burst strength data.
The shaping by necking of one end of a protective tube of a needle-type fuel element for a nuclear reactor, to form a neck, constitutes an important characteristic of the invention. Thus, other methods of shaping the ends of these tubes have been tried and give rise to serious drawbacks which the necking avoids: By spinning, it is difficult to obtain consistent results while the taper requires to deform the end in a die, an axial load which is greater than the buckling load of the main part of the tube, while rolling gives rise to wall thinning and cracking.
The weld 18 helps to ensure that there is no relative axial displacement between the end 9 of the tube 4 and the reinforcement tube 15 during the necking operation while the welds
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17, 18 help prevent oil from the machine lubrication system used for the tensioning operation:
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penetrates through the fuel pins and contaminates the fuel. tible 1 and tablets 2, 3.
Another advantage of the invention is to avoid the use of welded end caps, which eliminates the difficulties indicated above and those of the alignment of the end caps, and allows the use. simple solder points for sealing.
Although the reinforcing tube 15 constitutes an additional part, its use is compensated by the advantages indicated above, and the weld bead 18 can be dispensed with by providing a tight friction fit between the (tubes 15 and 4.
The protective tube to be shrunk of a needle-type nuclear reactor fuel element has a small outside diameter (e.g. 0.23 inch or 5.75 mm for tube or cladding 4) and a relatively high wall thickness (e.g. example 0.015. inch or 0.375 mm) for tube or sheath 4.
CLAIMS.
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1.- A method of closing one end of a protective tube for a fuel element of the needle type for a nuclear reactor, characterized in that the end is shaped by shrinkage to form a open collar, the opening is sealed by welding.
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