CH624787A5

CH624787A5 -

Info

Publication number: CH624787A5
Application number: CH765678A
Authority: CH
Inventors: Jacques Delafosse
Original assignee: Commissariat Energie Atomique
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1981-08-14
Also published as: GB2001469B; IT1160437B; US4224106A; FR2398367B2; IT7868740A0; GB2001469A; ES471935A2; FR2398367A2; BE868964R

Description

La présente invention concerne un élément combustible nucléaire en plaques comportant un noyau combustible constitué par la juxtaposition dans un cadre d'une pluralité de plaquettes de matériau combustible céramique revêtues chacune d'une protection métallique et gainées entre deux plaques métalliques de gainage. Cet élément combustible est du type des éléments combustibles en plaques spécialement adaptés aux conditions qui sont celles des réacteurs nucléaires du type à eau ordinaire.

Un tel élément décrit par exemple dans le brevet américain 4 038 135 du 26 juillet 1977, conduit à des réalisations d'éléments combustibles particulièrement robustes et fiables, mais il a néanmoins l'inconvénient de nécessiter le revêtement complet de chaque plaquette de combustible par une feuille métallique mince, ce qui conduit à des réalisations industrielles d'une certaine complexité.

Par ailleurs, il existe des applications particulières des combustibles nucléaires en plaques dans lesquelles il est spécialement intéressant de disposer de ce combustible sous forme de plaques très minces, d'épaisseur inférieure à 2 mm notamment, c'est le cas par exemple lorsque l'on veut équiper un cœur de pile piscine à l'aide de plaques de combustible ayant un taux d'enrichissement inférieur à 8% en U 235, ainsi qu'il sera expliqué plus loin. Or, les techniques dévéloppées dans le brevet américain 4 038 135 du 26 juillet 1977 se prêtent mal à l'obtention d'un tel élément de faible épaisseur.

La présente invention a précisément pour objet un élément combustible de faible épaisseur, qui offre l'avantage de permettre une fabrication industrielle plus simple et plus rapide, tout en gardant par ailleurs l'ensemble des avantages inhérents à l'élément combustible nucléaire en plaque faisant l'objet du brevet américain 4 038 135.

L'élément combustible selon la présente invention se caractérise en ce que le revêtement de chaque plaquette est réalisé latéralement par une grille de fils encastrée dans un cadre et donc chaque maille à la forme et les dimensions d'une plaquette pour servir de logement à l'une de celles-ci.

Selon une variante également importante de la présente invention, la grille dont les mailles servent de logement aux différentes plaquettes d'élément combustible est constituée de fils fins en un métal absorbant peu les neutrons qui sont d'une part soudés électriquement entre eux et, d'autre part, soudés par diffusion aux plaques latérales et d'extrémité qui constituent le cadre proprement dit, ainsi qu'aux plaques de gainage. s Dans une variante intéressante de l'invention, les extrémités des fils sont soudées à un fil d'encadrement qui fait le tour de la grille sur ses quatre côtés.

Les fils métalliques constituant la grille ont une section circulaire de diamètre très faible, de préférence inférieur à 2 mm, 10 et la forme des mailles de la grille est choisie rectangulaire ou carrée. Les plaquettes de combustible correspondantes ont une épaisseur variant par exemple de 1 à 2 mm, le plus couramment de l'ordre de 1,5 mm.

Dans une variante préférée de l'invention, les fils de la grille 15 sont en zircaloy, mais la grille, les plaques latérales et d'extrémité ainsi que les plaques de gainage peuvent également être réalisées tout ou partie en aluminium ou en l'un de ses alliages tel que 1'AG ; des solutions mixtes - avec certaines pièces en «zircaloy» (marque), c'est à dire zirconium faiblement allié avec 20 quelques pourcent d'étain, de fer, de chrome et de nickel et certaines autres en aluminium ou en alliage d'aluminium - sont également intéressantes.

De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture 25 de la description des exemples de mise en œuvre qui seront donnés ci-après à titre non limitatif en se référant aux figures 1 et 2 sur lesquelles:

- la fig. 1 représente en vue partiellement éclatée un élément combustible nucléaire en plaque objet de l'invention, 30 - la fig. 2 représente une variant de réalisation de l'élément combustible de la fig. 1,

-la fig. 3 représente un faisceau de courbes montrant pour différentes valeur du taux d'enrichissement en U 235, les variations de la réactivité d'un cœur de réacteur nucléaire du type 35 piscine en fonction du rapport de modération.

Sur la figure 1, on a représenté le cadre 3 dans lequel se trouve logée la grille 6. Ce cadre 4 comporte deux plaques latérales 4a et 4b ainsi que deux plaques d'extrémité 4c et 4d.

Dans l'exemple décrit, la grille 6 est constituée de deux 40 familles de fils fins de «zircaloy» 6a et 6b qui se coupent à angle droit, et sont soudés électriquement en des points tels que 7 de façon à former un réseau de mailles dans lequel viennent se loger ultérieurement les plaquettes d'élément combustible céramique 8 proprement dites. Dans l'exemple représenté sur la 45 figure 1, ces mailles ont une forme rectangulaire, mais elles pourraient tout aussi bien, pour certaines applications différentes, revêtir la forme carrée.

Les différents fils 6a et 6b de la grille 6 ont un diamètre sensiblement égal à l'épaisseur des plaquettes 8 et sont soumis 50 après leur soudure électrique sous pression pour réduire les surépaisseurs en leur point de rencontre 7 à un ébavinage de façon à calibrer parfaitement les alvéoles. Les différentes plaquettes de combustible fritté ont une épaisseur comprise entre 1 et 1,5 mm le plus généralement. Les dimensions de chaque maille rec-55 tangulaire sont choisies de façon à optimiser la facilité de mise en forme au moment de la compression de chaque plaquette. A titre indicatif, de bonnes dimensions sont de l'ordre de 30 X18 mm ; comme indiqué plus haut, toutefois, la forme carrée (17X17 mm par exemple) semble représenter, pour des raisons 60 de technologie, une solution particulièrement intéressante.

Conformément à l'invention, l'ensemble de la grille 6 et des plaquettes 8 est finalement gainé entre une plaque de gainage supérieure 9 et une plaque de gainage inférieure 10.

Dans la variante de la figure 2, la grille 6 est munie d'un fil 65 d'encadrement 11 l'entourant sur ses quatre côtés et de même nature et dimension que les fils 6a et 6b de la grille elle-même. Ce fil d'encadrement 11 est soudé aux fils 6a et 6b ainsi qu'aux plaques latérales 4a et 4b et aux plaques d'extrémités 4c et 4d.

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L'une des applications industrielles les plus intéressantes de l'élément combustible de faible épaisseur objet de la présente invention, réside dans la possibilité de transformer la cœur d'une pile piscine déjà existante en l'équipant de plaques d'élément combustible à bas taux d'enrichissement. En effet, pour faire le bilan nucléaire du cœur d'une telle pile, on doit prendre en considération quatre facteurs essentiels qui sont respectivement:

- le rapport de modération égal au rapport du volume du modérateur (eau) par rapport au volume du combustible ;

- le taux d'enrichissement du combustible qui pour des piles piscines courantes peut atteindre 93% en U 235,

- la masse d'U 235 dans le cœur,

- la réactivité disponible qui représente l'aptitude du cœur à réaliser des irradiations sur matériaux.

Les rapports entre les quatre paramètres précédents, dont deux sont liés (masse d'uranium et d'enrichissement), sont illustrés par le faisceau de courbes de la figure 3 qui montre l'évolution de la réactivité pour un certain nombre d'enrichissements respectivement égaux à 1,5%, 2,5%, 3%, 3,5%, 4%, 5%, 7,5% et 10%, en fonction du rapport de modération porté en abscisse. La forme générale de ces mêmes courbes (fonction croissante passant par un maximum pour redécroître ensuite) indique que c'est aux environs d'une valeur au moins égale à 2 qu'il faut placer le rapport de modération pour bénéficier de la réactivité maximale du cœur.

Avec les éléments combustibles couramment utilisés jusqu'à présent dans les piles piscines (éléments en plaques d'alliage aluminium-uranium enrichi à 93% U 235) on travaille généralement avec un tel rapport de modération voisin de 2.

Si l'on remplace dans un tel réacteur les éléments combustibles en plaques par des éléments plaques du type à plaquettes 5 d'épaisseur relativement élevée (par exemple 4 à 5 mm) on peut alors:

- soit garder sensiblement dans l'espace prévu pour le cœur le même nombre de plaques, ce qui provoque une diminution du rapport de modération et nécessite un enrichissement beaucoup io plus grand pour maintenir la même réactivité,

- soit diminuer le nombre de plaques pour garder le même rapport de modération, auquel cas la puissance du cœur diminue.

En utilisant au contraire des éléments combustibles en plais ques minces tels que la présente invention permet de les réaliser, on peut augmenter le nombre de plaques tout en conservant un rapport de modération très voisin de 2 et se contenter par conséquent d'un enrichissement relativement bas du combustible pour conserver une puissance sensiblement identique au cœur 20 de la pile piscine.

Si l'on se reporte à cette même figure 3, on voit par exemple qu'un cœur constitué de plaques épaisses, permettant un rapport de modération de l'ordre de 1, et chargé à l'enrichissement de 10% en U 235 et déchargé à 5% d'U 235 résiduel (trajet BC), 25 fonctionne avec la même réserve de réactivité, qu'un cœur permettant un rapport de modération de 2 chargé à 4,5% d'U 235 et décharge à 3% (trajet AD) d'U 235.

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2 feuilles dessins

Claims

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1. Elément combustible nucléaire en plaques comportant un noyau combustible constitué par la juxtaposition dans un cadre d'une pluralité de plaquettes de matériau combustible céramique revêtues chacune d'une protection métallique et gainées entre deux plaques métalliques de gainage, caractérisé en ce que le revêtement de chaque plaquette est réalisé latéralement par une grille de fils encastrée dans le cadre et dont chaque maille à la forme et les dimensions d'une plaquette pour servir de logement à l'une de celles-ci.

2. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille est constituée de fils d'un métal choisi dans le groupe comprenant le zirconium, faiblement allié avec de l'é-tain, du fer, du chrome et du nickel, l'aluminium et ses alliages, soudés électriquement entre eux et par diffusion aux plaques latérales constituant le cadre.

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REVENDICATIONS

3. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grille est bordée sur ses quatre côtés d'un fil d'encadrement soudé aux fils de la grille ainsi qu'aux plaques latérales et d'extrémité.

4. Elément combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que la forme des mailles de la grille est choisie rectangulaire ou carrée.

5. Elément combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fils constituant la grille sont de section circulaire de diamètre inférieur à 2 millimètres.