FR2468187A1 - COMBUSTIBLE ELEMENT FOR NUCLEAR REACTOR FOR RESEARCH AND TESTING MATERIALS - Google Patents
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Abstract
a. Elément combustible pour réacteurs nucléaires d'essai des matériaux et de recherche, essentiellement constitué par des plaques de matière combustible contenant du combustible nucléaire et/ou de la matière fertile, et par des éléments de support b. Caractérisé en ce que les plaques de matière combustible individuelles 1 sont constituées par une combinaison de plusieurs cellules 2 plates, non divisées elles-mêmes, contenant la matière combustible et/ou nucléaire sous revêtement étanche maintenues entre des éléments de support 3. c. Disposition permettant la conversion du réacteur pour des enrichissements différents d'uranium.at. Fuel element for nuclear materials testing and research reactors, consisting essentially of plates of combustible material containing nuclear fuel and / or fertile material, and supporting elements b. Characterized in that the individual combustible material plates 1 are formed by a combination of several flat cells 2, not themselves divided, containing the combustible and / or nuclear material under tight coating held between support elements 3. c. Arrangement allowing the conversion of the reactor for different enrichments of uranium.
Description
1 o - L'invention concerne un élément combustible pour réacteurs1 o - The invention relates to a fuel element for reactors
nucléaires d'essai des matériaux et de recherche, essentiellement constitué par des plaques de matière combustible contenant du combustible nucléaire et/ou de la matière fertile, et par des éléments de support, pour ces plaques de matière combustible. L'élément combustible des réacteurs d'essai de matières (MTR) du type classique, est constitué par des plaques de matière combustible planes ou courbes. Chaque plaque de matière combustible représente une couche, dans laquell la matière combustible proprement dite, habituellement un alliage aluminium-uranium, ou un aluminure d'uranium dispersé dans une matrice d'aluminium, est enrobé de tous côtés par l'aluminium nuclear materials testing and research, consisting essentially of fuel material plates containing nuclear fuel and / or the fertile material, and by supporting elements, for these fuel material plates. The fuel element of the material test reactors (MTR) of the conventional type consists of flat or curved fuel material plates. Each plate of combustible material represents a layer, in which the combustible material itself, usually an aluminum-uranium alloy, or a uranium aluminide dispersed in an aluminum matrix, is coated on all sides with aluminum
de façon étanche. L'assemblage de ces plaques de matière combus- tightly. The assembly of these plates of combustible material
tible en un élément combustible peut s'effectuer au moyen in a fuel element can be achieved by means of
d'éléments de support selon une disposition en caisse ou en tube. support elements in a box or tube arrangement.
Les éléments combustibles standards comprennent entre douze et vingttrois plaques disposées parallèles et également espacées les unes des autres, de telle sorte que de l'eau puisse circuler The standard fuel elements comprise between twelve and twenty three plates arranged parallel and equally spaced from each other, so that water can circulate
entre elles pour le refroidissement et la modération. between them for cooling and moderation.
Les plaques de matière combustible ont en The plates of combustible material have in
général une épaisseur de 1,27 mm et une largeur d'environ 72 mm. general thickness of 1.27 mm and width of about 72 mm.
La zone de matière combustible proprement dite, (l'aliment), présente ici une épaisseur de 0,51 mm et une largeur d'environ The zone of combustible material itself, (the food), here has a thickness of 0.51 mm and a width of about
63 mm; la longueur active se monte à 600 mm. 63 mm; the active length is 600 mm.
Les éléments MTR de cette conception se distinguent par une surface de transfert calorique grande, comme souhaitée. La fabrication des plaques de matière combustible s'effectue normalement par laminage, selon la The MTR elements of this design are distinguished by a large caloric transfer surface, as desired. The manufacture of the plates of combustible material is normally carried out by rolling, according to the
technique dite "d'encadrement".technique called "framing".
L'utilisation d'uranium, avec enrichis- The use of uranium, with enrichment
sement élevé en isotope U 235, comme matière combustible, s'est avérée optimale pour les éléments combustibles MTR, car la quantité élevée de matière de fission nécessaire ici, peut être obtenue simplement, avec des densités de matière combustible relativement faibles, Un enrichissement élevé de l'uranium en U 235 conduit par ailleurs à une matière sensible, dont la diffusion doit être bien contrôlable et limitée. Pour des 2,raisons de protection contre la prolifération, il est exigé que pour les réacteurs MIR, on puisse également utiliser de The high content of U 235 isotope, as a combustible material, has been found to be optimal for MTR fuel elements because the high amount of fission material required here can be achieved simply with relatively low fuel material densities. U-235 uranium also leads to a sensitive material, the diffusion of which must be well controllable and limited. For reasons of protection against proliferation, it is required that for MIR reactors, it is also possible to use
l'uranium moins enrichi en U 235 (maximum 20 % en poids). uranium less enriched in U 235 (maximum 20% by weight).
L'adaptation des réacteurs MrR à des en- The adaptation of the MRR reactors to
richissements moins élevés en U 235 impose que9 pour équilibrer la perte en neutrons plus élevée à cause de la plus grande teneur en U 238, la. teneur en matière de fission soit plus élevée. Ceci, et la mise en oeuvre d'uranium moins enrichi, demande, si l'on ne change pas la géométrie des plaques, que la densité de matière combustible soit environ 5 fois plus grande, De ce fait, pour les matières combustibles MTR actuelles, à base d'aluminure d'uranium, on dépasse les limites que la lower U-235 yields than 9 to balance the higher neutron loss because of the higher U 238 content, the. fission material content is higher. This, and the implementation of less enriched uranium, requires, if one does not change the geometry of the plates, that the density of combustible material is about 5 times greater, Therefore, for the current MTR fuel materials , based on uranium aluminide, we go beyond the limits that the
technique de transformation peut encore dominer. transformation technique can still dominate.
On a proposé à cet effet de mettreen oeuvre des plaques de matière combustible qui contiennent, comme matière combustible, du dioxyde d'uranium, sous forme de petites plaquettes minces frittées, ensachées dans de petites enveloppes en alliage, Les plaques de matière combustible de ce type sont It has been proposed for this purpose to use plates of combustible material which contain, as a combustible material, uranium dioxide, in the form of small sintered thin plates, bagged in small alloy envelopes, the plates of combustible material of this type. type are
surtout adaptées pour ajuster les réacteurs MTR d'un enrichis- especially adapted to adjust the MTR reactors of an enrichment
sement élevé à un enrichissement plus faible. Ltinconvénient ici c'est que les plaquettes en UO doivent présenter, pour des raisons de technique de transformation, une épaisseur minimale increased to lower enrichment. The disadvantage here is that the UO boards must have, for processing technique reasons, a minimum thickness
de plus de 2 mm. Ceci conduit à des plaques de matière combus- more than 2 mm. This leads to plates of combustible material
tible, dans lesquelles le rapport entre la surface de transfert calorique et le volume de matière combustible est bien moins where the ratio between the heat transfer surface and the volume of combustible material is much less
favorable qu'avant. Il s'en suit des inconvénients considé- favorable than before. It follows that there are considerable disadvantages
rables pour la technique de refroidissement. De plus, l'épais- for the cooling technique. In addition, the thick
seur relativement grande de la plaque conduit à une modération relatively large size of the plate leads to moderation
détériorée et une température de matière combustible plus élevée. deteriorated and a higher combustible material temperature.
En outre, le respect des tolérances très strictes dans les mesures des plaquettes minces, conduit à des coûts de finition In addition, compliance with very strict tolerances in the measurements of thin wafers, leads to finishing costs
très élevés.very high.
L'invention s'est fixé pour objectif de mettre au point un élément combustible pour réacteurs nucléaires d'essai des matériaux et de recherche essentiellement constitué par des plaques de matière combustible contenant du combustible nucléaire et/ou de la matière fertile, et par des éléments de The object of the invention is to develop a fuel element for nuclear material test and research reactors essentially consisting of fuel material plates containing nuclear fuel and / or fertile material, and by elements of
support, qui ne pose pas de problème concernant le fonction- support, which poses no problem regarding the function-
nement du iacteur lorsqu'on passe d'un enrichissement élevé en of the factor when switching from high enrichment to
U 235, à un enrichissement moindre, Il est important en parti- U 235, to a lesser enrichment, It is important in parti-
3.- culier, qu'avec une épaisseur de plaque aussi faible que possible, on puisse assurer un rapport aussi élevé que possible de la surface de transfert calorique au volume de matière combustible. A cet effet, l'invention propose un élément combustible caractérisé en ce que les plaques de matière combustible individuelles sont constituées par une combinaison 3. With as little plate thickness as possible, as high a ratio as possible of the caloric transfer surface to the volume of combustible material can be ensured. For this purpose, the invention proposes a fuel element characterized in that the individual fuel material plates consist of a combination
de plusieurs cellules plates, non divisées elles-mêmes, conte- several flat cells, not divided themselves,
nant la matière combustible et/ou nucléaire sous revêtement the combustible and / or nuclear material under coating
étanche maintenuesentre des éléments de support. tightly held between support elements.
Ces cellules, dont la grandeur de passage, ou écartement entre les parois recevant la matière combustible et/ou fertile, sera de préférence inférieure à 2 mm, peuvent être disposées de façon soit perpendiculaire, soit parallèle, These cells, whose passage size, or spacing between the walls receiving the combustible and / or fertile material, will preferably be less than 2 mm, may be arranged either perpendicular or parallel,
à ltaxe longitudinal de l'élément combustible. the longitudinal tax of the fuel element.
Les cellules contiennent de préférence The cells preferably contain
l'uranium et/ou le thorium, sous forme de composés non métal- uranium and / or thorium as non-metallic compounds
liques, mais on peut également utiliser des composés métalliques d'uranium et/ou de thorium. Il s'est avéré particulièrement avantageux que la densité de ces composés d'uranium et/ou de However, it is also possible to use metal compounds of uranium and / or thorium. It has proved particularly advantageous that the density of these compounds of uranium and / or
thorium soit supérieure à 4 g/cm.thorium is greater than 4 g / cm.
Les cellules contiennent la matière combustible et/ou fertile de préférence sous la forme de particules sphériques discrètes. Il est avantageux d'utiliser, The cells contain the combustible and / or fertile material preferably in the form of discrete spherical particles. It is advantageous to use,
en cas de cellules disposées perpendiculairement à laxe longi- in the case of cells arranged perpendicular to the long axis
tudinal de l'élément combustible, un remblai mou de particules, et en cas de cellules disposées parallèlement à cet axe, des tudinal of the fuel element, a soft embankment of particles, and in the case of cells arranged parallel to this axis,
particules enrobées dans une matrice. particles embedded in a matrix.
Par la mise en oeuvre de particules de matière combustible ayant un diamètre situé de préférence entre 0,2 et 0,7 mm, il est possible de maintenir à un faible niveau l'épaisseur totale de la plaque. On assure ainsi que, par suite du rapport favorable entre la surface de matière combustible et le volume de matière combustible, la température de la matière combustible peut être maintenue basse. Ceci est valable en particulier lorsque les particules de matière combustible sont incorporées avantageusement dans une matrice bonne conductrice thermique. Un autre avantage de l'élément combustible selon l'invention consiste en ce que, grâce à la disposition compacte des plaques minces, on peut assurer une modération favorable, ctest-à-dire un bon rapport des atomes hydrogène aux atomes By the use of particles of combustible material having a diameter preferably between 0.2 and 0.7 mm, it is possible to keep the total thickness of the plate at a low level. It is thus ensured that, as a result of the favorable ratio between the combustible material surface and the volume of combustible material, the temperature of the combustible material can be kept low. This is particularly true when the particles of combustible material are advantageously incorporated in a good thermal conductive matrix. Another advantage of the fuel element according to the invention is that, thanks to the compact arrangement of the thin plates, favorable moderation can be ensured, that is to say a good ratio of hydrogen atoms to atoms.
U 235,U 235,
Un autre avantage essentiel de la concep- Another essential advantage of the concept
tion d'élément combustible selon l'invention consiste en ce que, les particules de matière combustible peuvent être obtenues de façon économiquement rentable dans un vaste domaine, à lintérieur de limites étroites, avec des dimensions définies avec précision, de sorte que la teneur en U 235 peut être ajustée simplement et avec une grande souplesse aux exigences qui pèsent sur les réacteurs MTRo A cela s'ajoute la possibilité de remplacer l'isotope U 238 partiellement par du thorium, et de rendre ainsi encore plus difficile la diffusion du plutonium According to the invention, the fuel element particles can be obtained economically in a wide range, within narrow limits, with precisely defined dimensions, so that the U 235 can be adjusted simply and flexibly to the demands placed on the MTRo reactors. In addition, it is possible to replace the U 238 isotope partially with thorium, thus making the diffusion of the plutonium even more difficult.
rendu fertile par formation de luranium.233. rendered fertile by formation of uranium.233.
Les figures 1 à 4 représentent schémati- Figures 1 to 4 show schematically
quement des modes de réalisation, donnés à titre d'exemple, des plaques de matière combustible selon l'invention0 - La figure 1 montre une plaque de matière combustible 1, constituée par les cellules 2 individuelles, disposées perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'élément combustible, qui sont fixés dans deux éléments latéraux de FIG. 1 shows a plate of combustible material 1 constituted by the individual cells 2 arranged perpendicularly to the longitudinal axis of the fuel cell 1. fuel element, which are fixed in two lateral elements of
support 3.support 3.
- La figure 2 est une vue latérale corres- FIG. 2 is a side view corresponding to
pondant à la figure 1.laying in Figure 1.
- La figure 3 représente deux cellules 2 reliées par joint soudé 4, contenant les particules de matière FIG. 3 represents two cells 2 connected by welded joint 4, containing the particles of matter
combustible 5 sous forme de remblai mou. fuel 5 in the form of soft fill.
- La figure 4 montre une cellule dans laquelle les particules 5 sont enrobées dans une matrice 6e Au lieu de joint soudé 4, les cellules 2 peuvent Atre reliées entre elles par une conformation du type languette et rainure, ou bien posées seulement librement les FIG. 4 shows a cell in which the particles 5 are embedded in a matrix 6. Instead of a welded joint 4, the cells 2 can be connected together by a tongue-and-groove type conformation, or they can be laid only freely.
unes sur, ou à c8té, des autres.one on or next to another.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples décrits ci-après, Pour la préparation de plaques de matière combustible avec des plaquettes en siliciure d'uranium comme matière combustible dans les cellules individuelles, on se sert comme poudre de départ, de siliciure d'uranium en poudre avec 4 % en poids de silicium et 96 % en poids d'uranium.,La poudre dont les grains ont une dimension inférieure à 125 microns est pressée en plaquettes dans une matrice carrée, sous une pression de 5,5 K bars, puis les ébauches sont frittées. Après frittage, les dimensions des plaquettes sont les suivantes Epaisseur 1,4 mm Largeur 14,8 mm Longueur 14,8 mm La densité géométrique des plaques est de The invention will be better understood with the aid of the examples described below. For the preparation of plates of combustible material with uranium silicide platelets as a combustible material in the individual cells, it is used as starting powder, powdered uranium silicide with 4% by weight silicon and 96% by weight uranium., The powder whose grains have a size smaller than 125 microns is pressed into platelets in a square die, under a pressure of 5, 5 K bars, then the blanks are sintered. After sintering, the dimensions of the inserts are as follows: Thickness 1.4 mm Width 14.8 mm Length 14.8 mm The geometric density of the plates is
12,5, ce qui correspond à une densité théorique de 80 %. 12.5, which corresponds to a theoretical density of 80%.
On fabrique par laminage des cellules à matière combustible de 60 mm de long, de 15 mm de large et de 1,5 mm d'ouverture, à partir de tubes d'aluminium ayant une Laminated fuel cell cells 60 mm long, 15 mm wide and 1.5 mm aperture are made from aluminum tubes having
épaisseur de paroi de 0,3 mm.wall thickness of 0.3 mm.
Les cellules sont chargées chacune de quatre plaquettes, soumises à une pression réduite, remplies d'hélium, et enfin, fermées par soudage. Ensuite, les cellules chargées de matière combustible sont glissées dan s deux plaques latérales, perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'élément combustible, et fermement serrées au moyen d'un outil The cells are each loaded with four plates, subjected to a reduced pressure, filled with helium, and finally closed by welding. Next, the fuel-laden cells are slid into two side plates, perpendicular to the longitudinal axis of the fuel element, and firmly tightened by means of a tool.
de laminage.rolling.
Pour la préparation de plaques de matière combustible avec des particules en oxyde et en carbure d'uranium, enrobées dans une matrice en aluminiumsilicium, dans les cellules individuelles, on utilise comme matière combustible, des particules seiriques constituées par U02 et UC2, dans un rapport en poids de 1: 1. Les particules, ayant une teneur en uranium de 91,45 % en poids, une teneur en oxygène de 6,7 % en poids, et une teneur en carbone de 1,85 % en poids, présentent un diamète moyen de 300 microns. La densité des particules est de 10,5 g/cm3, ce qui correspond à une densité théorique de For the preparation of plates of combustible material with particles of oxide and uranium carbide coated in an aluminum-silicon matrix, in the individual cells, seiric particles consisting of U02 and UC2 are used as the combustible material, in a ratio of by weight of 1: 1. The particles, having a uranium content of 91.45% by weight, an oxygen content of 6.7% by weight, and a carbon content of 1.85% by weight, exhibit a average diameter of 300 microns. The density of the particles is 10.5 g / cm 3, which corresponds to a theoretical density of
94 o/.94 o /.
Les particules sont obtenues selon un The particles are obtained according to a
procédé connu, par coulée d'une solution de nitrate d'uranyl. known method, by casting a solution of uranyl nitrate.
Pour enrober les particules de matière combustible, on emploie une poudre d'alliage aluminium-silicium, avec 12 % en poids de Si. Pour une grosseur de grain moyenne de 50, la densité en vrac de la poudre est de 1,1 g/cm30 Pour préparer les cellulesdestinées à recevoir la matière combustible, on soude d'abord ensemble deux plaques d'aluminium de 0,4 mm dtépaisseur, avec une longueur To coat the particles of combustible material, an aluminum-silicon alloy powder is used, with 12% by weight of Si. For an average grain size of 50, the bulk density of the powder is 1.1 g / cm30 To prepare the cells intended to receive the combustible material, two aluminum plates of 0.4 mm thick, with a length, are first welded together.
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d'environ 600 mm et une largeur de 70 mm, en-dessous et sur les côtés, de telle façon qu'entre les plaques on obtienne une fente verticale de 1 mm de large. La fente est alors remplie avec un mélange homogène, constitué par 23,4 g de poudre d'alliage Al-Si, et 213,2 g de particules de matière combustible. Le procédé d'obtention d'un mélange homogène de ce type est approximately 600 mm and a width of 70 mm, below and on the sides, so that between the plates a vertical slit of 1 mm wide is obtained. The slot is then filled with a homogeneous mixture consisting of 23.4 g of Al-Si alloy powder and 213.2 g of combustible material particles. The process for obtaining a homogeneous mixture of this type is
décrit dans le brevet DT- 2,333.94. described in the patent DT-2,333,94.
Ensuite, les cellules chargées sont soumises à une pression réduite, elles sont fermées par soudage de leur extrémité supérieure, et assemblées par pressage à 5900 C, sous une pression spécifique de 1 Kbar. Par cette opération, l'épaisseur nominale des plaques diminue de 1,8 à environ 1,6 mm, Les essais métallographiques subséquents n'ont démontré aucune réaction entre les particules de matière Then, the charged cells are subjected to a reduced pressure, they are closed by welding their upper end, and assembled by pressing at 5900 C, under a specific pressure of 1 Kbar. By this operation, the nominal thickness of the plates decreases from 1.8 to about 1.6 mm. Subsequent metallographic tests showed no reaction between the particles of matter.
combustible et la poudre d'alliage d'aluminium, dans les condi- fuel and aluminum alloy powder, under the conditions
tions de fabrication choisies. La zone d'environ 0,8 mm selected manufacturing processes. The area of about 0.8 mm
d'épaisseur, contenant la matière combustible, avait une confor- thick, containing the combustible material, had a conformity
mation uniforme et elle était liée à l'enveloppe d'aluminium sans clivages. Les cellules individuelles sont alors fixées à leur petit c8té, au moyen de deux plaques, et elles sont incorporées à l'élément combustible parallèlement à l'axe longitudinal de uniform and it was linked to the aluminum envelope without cleavages. The individual cells are then attached to their small side, by means of two plates, and they are incorporated in the fuel element parallel to the longitudinal axis of
ce dernier.this last.
Pour la préparation de plaques de matière combustible avec des particules libres en oxyde d'uranium dans les cellules individuelles, on se sert comme matière combustible de particules U02 obtenues selon un procédé connu, avec un For the preparation of plates of combustible material with free particles of uranium oxide in the individual cells, U02 particles obtained according to a known method, with a
2 32 3
diamètre moyen de 300 microns et une densité de 10,7 g/cm, ce qui correspond à unedensité théorique de 98 Y On prépare d'abord, à partir de tubes en alliage de zircon de 0,5 mm d'épaisseur de paroi, par laminage, des cellules plates avec une ouverture de 1 mm et une largeur average diameter of 300 microns and a density of 10.7 g / cm, which corresponds to a theoretical density of 98 Y is prepared first, from zircon alloy tubes of 0.5 mm wall thickness, by rolling, flat cells with an opening of 1 mm and a width
de 15 mm.15 mm.
Tous les quatre cellules, on ferme leur extrémité inférieure par soudage, et on les relie entre elles en les soudant latéralement à une plaque. On charge les cellules avec les particules de matière combustible, puis on les soumet à une pression réduite, on les remplit d'hélium et on les ferme All four cells, their lower end is closed by welding, and they are connected together by welding them laterally to a plate. The cells are loaded with the particles of combustible material, then subjected to reduced pressure, filled with helium and closed.
par soudage.by welding.
24 6818724 68187
7.- Le degré de tassement des particules est de 50 % en volume, ce qui correspond à une densité dturanium, 7.- The degree of compaction of the particles is 50% by volume, which corresponds to a density of uranium,
dans la zone de matière combustible, de 4,7 g/cm3. in the area of combustible material, 4.7 g / cm3.
Pour la préparation de plaques de matière combustible avec des particules en vrac d'oxyde d'uranium et de thorium, dans les cellules individuelles, on utilise des particules de matière combustible obtenues par précipitation à For the preparation of plates of combustible material with bulk particles of uranium oxide and thorium, in the individual cells, particles of combustible material obtained by precipitation at
partir d'une solution de nitrate d'uranyl-thorium. Les parti- from a solution of uranyl thorium nitrate. The parties
cules se composent de 80 % en poids d'U02 et 20 % en poids de ThO2. Les particules ont une densité de 10,4 g/cm3, ce qui correspond à une densité théorique de 97 %- Le diamètre moyen est de 320 microns. Le degré de tassement dans la zone de matière combustible se monte à 45 %/0 en volume, ce qui correspond à une densité de métaux lourds de 4,7 g/cm3. Le traitement ultérieur These consist of 80% by weight of UO 2 and 20% by weight of ThO 2. The particles have a density of 10.4 g / cm 3, which corresponds to a theoretical density of 97%. The mean diameter is 320 microns. The degree of compaction in the combustible material zone amounts to 45% by volume, which corresponds to a heavy metal density of 4.7 g / cm 3. Subsequent processing
s'effectue selon l'exemple 3.is performed according to Example 3.
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