FR2771211A1 - Crayon de combustible nucleaire - Google Patents

Abstract

Le crayon de combustible (1) comporte une gaine tubulaire (2), une pluralité de pastilles de matériau combustible nucléaire (4) empilées sous la forme d'une colonne de pastilles de combustible dans la direction axiale à l'intérieur de la gaine (2), un bouchon de fermeture (3) à chacune des extrémités de la gaine (2) et un ressort de maintien de la colonne de pastilles de combustible (4). La gaine (2), qui est fermée de manière étanche par les bouchons (3) renferme un gaz de remplissage sous pression tel que de l'hélium. Le crayon de combustible (1) comporte une capsule (5) contenue à l'intérieur de la gaine (2) dont la paroi délimite une chambre (6) dont la pression interne est inférieure à la pression du gaz contenu dans la gaine (2). La capsule (5) comportant une partie (8) destructible telle qu'un disque de rupture permet d'assurer une augmentation du volume d'expansion du gaz contenu dans le crayon de combustible, lorsque la pression de ce gaz atteint une valeur prédéterminée et d'améliorer le comportement du crayon de combustible jusqu'en fin de vie.

Description

L'invention concerne un crayon combustible d'un assemblage de combustible nucléaire d'un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau et en particulier d'un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau sous pression.

Les réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau et en particulier les réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau sous pression comportent un coeur constitué par des assemblages de combustible juxtaposés et réalisés de manière que l'eau de refroidissement du réacteur nucléaire en circulation assure le prélèvement de la chaleur produite par réaction nucléaire à l'intérieur des assemblages de combustible.

Les assemblages de combustible nucléaire sont généralement constitués sous la forme de faisceaux de crayons de forme cylindrique de grande longueur disposés et maintenus dans une ossature, dans une disposition telle que les axes des crayons soient parallèles entre eux.

Les crayons combustibles sont eux-mêmes constitués d'une gaine tubulaire cylindrique en un matériau absorbant faiblement les neutrons tel qu'un alliage de zirconium, une pluralité de pastilles de matériau combustible nucléaire, tel que de l'oxyde d'uranium UO2 ou de l'oxyde mixte d'uranium et de plutonium empilées l'une sur l'autre dans la direction axiale de la gaine, de manière à constituer une colonne de pastilles combustibles, des bouchons de fermeture étanche des extrémités de la gaine, et un ressort de maintien intercalé entre l'une des extrémités de la colonne de pastilles combustibles et la surface interne de l'un des bouchons. Lors de la fabrication des crayons de combustible, I'intérieur de la gaine remplie par les pastilles de combustible est rempli d'un gaz neutre sous pression tel que de l'hélium. Les bouchons sont fixés de manière étanche au gaz de remplissage, de sorte que le gaz de remplissage de la gaine reste confiné à l'intérieur du crayon après sa fabrication et pendant toute l'utilisation du crayon à l'intérieur du cour du réacteur nucléaire. Le gaz sous pression remplissant la gaine du crayon venant en contact avec les pastilles de combustible permet d'obtenir un échange thermique satisfaisant entre les pastilles de combustible et la gaine du crayon1 malgré l'existence d'un jeu radial entre les pastilles et la gaine du crayon, au moins lorsque le crayon est neuf et n'a pas encore subi un fort taux d'irradiation.

A l'intérieur du cceur du réacteur nucléaire en service, le matériau combustible des crayons des assemblages est le siège de réactions de fission sous l'effet du bombardement neutronique. Des produits de fission se forment, certains de ces produits sous forme gazeuse, appelés gaz de fission, se mélangeant avec le gaz sous pression remplissant la gaine du crayon. II en résulte une augmentation progressive de la pression à l'intérieur du crayon, au cours de son utilisation dans le coeur du réacteur nucléaire. Parallèlement la gaine flue sous l'influence de la pression du réfrigérant jusqu'à venir se plaquer contre la colonne de pastilles.

Lorsque la pression à l'intérieur de la gaine du crayon dépasse une certaine valeur, il y a alors risque de réouverture du jeu pastilles-gaine, ce qui n'est pas admissible pour la conception du crayon de combustible.

L'augmentation de la pression du gaz à l'intérieur de la gaine du crayon limite donc la durée de vie des crayons combustibles et le taux de combustion qui peut être obtenu sur le combustible nucléaire.

De manière à diminuer les coûts relatifs au remplacement et à la maintenance du combustible dans les réacteurs nucléaires, on cherche actuellement à prolonger le plus possible la durée de vie des crayons et des assemblages de combustible.

Dans ce but, on a cherché à limiter la pression du gaz contenu dans la gaine en fin de vie des crayons de combustible nucléaire.

Une solution à ce problème pourrait consister à diminuer la pression initiale du gaz de remplissage de la gaine mais cette solution n'est généralement pas acceptable dans la mesure où une pression élevée du gaz de remplissage est nécessaire pour obtenir un bon transfert thermique entre les pastilles et la gaine et une bonne stabilité mécanique de la gaine en début d'irradiation.

Le but de l'invention est donc de proposer un crayon combustible nucléaire comportant une gaine tubulaire, une pluralité de pastilles de matériau combustible nucléaire empilées sous forme d'une colonne de pastilles de combustible, dans la direction axiale à l'intérieur de la gaine, un bouchon de fermeture à chacune des extrémités de la gaine, un moyen de maintien axial de la colonne intercalé entre la surface interne de l'un des bouchons et l'une des extrémités de la colonne de pastilles de combustible et un gaz sous pression de remplissage de la gaine qui est fermée de manière étanche au gaz de remplissage par les bouchons, le crayon combustible étant réalisé de manière à limiter la pression du gaz en fin de vie du crayon de combustible.

Dans ce but, le crayon combustible comporte de plus une capsule contenue à l'intérieur de la gaine fermée de manière étanche et délimitant une chambre dont la pression interne est inférieure à la pression du gaz contenu dans la gaine du crayon, dont une partie au moins est déformable et/ou destructible à une pression prédéterminée du gaz contenu dans la gaine.

Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'un crayon de combustible d'un assemblage d'un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau sous pression, réalisé suivant l'invention.

La figure 1A est une vue en coupe de la partie inférieure d'un crayon de combustible suivant l'invention comportant une capsule suivant un premier mode de réalisation.

La-figure 1B est une vue en coupe de la partie supérieure d'un crayon de combustible suivant l'invention comportant une capsule suivant le premier mode de réalisation équipée d'un disque d'amortissement d'écoulement gazeux.

Les figures 2A et 2B montrent une partie de la paroi de la capsule du crayon représenté sur la figure 1 réalisée sous la forme d'un disque de rupture suivant une première variante de réalisation.

La figure 2A est une vue en coupe par un plan diamétral du disque de rupture.

La figure 2B est une vue de dessus du disque de rupture suivant B de la figure 2A.

Les figures 3A et 3B montrent une partie de la paroi de la capsule du crayon de combustible représenté sur la figure 1, réalisée sous la forme d'un disque de rupture suivant une seconde variante de réalisation.

La figure 3A est une vue en coupe par un plan diamétral du disque de rupture.

La figure 3B est une vue de dessus suivant B de la figure 3A.

Les figures 4A et 4B montrent un disque de rupture suivant une troi sième variante de réalisation.

La figure 4A est une vue en coupe par un plan diamétral du disque de rupture.

La figure 48 est une vue de dessus suivant B de la figure 4A.

Les figures 5A et 5B montrent un disque de rupture suivant un quatrième mode de réalisation.

La figure 5A est une vue en coupe par un plan diamétral du disque de rupture.

La figure 5B est une vue de dessus suivant B de la figure 5A.

La figure 6 est une vue en coupe axiale d'une capsule d'un crayon de combustible suivant l'invention et suivant un second mode de réalisation.

La figure 7 est une vue en coupe suivant 7-7 de la figure 6.

La figure 8 est une vue en coupe axiale d'une capsule d'un crayon de combustible suivant l'invention et suivant un troisième mode de réalisation.

La figure 9 est une vue en coupe suivant 9-9 de la figure 8.

La figure 10 est une vue en coupe de la partie supérieure d'un crayon de combustible suivant l'invention comportant une capsule suivant le second mode de réalisation.

La figure Il est une vue en coupe de la partie supérieure d'un crayon de combustible suivant l'invention comportant une capsule suivant le second mode de réalisation et suivant une variante de réalisation.

Sur la figure 1A, on voit la partie inférieure d'un crayon combustible d'un assemblage d'un réacteur nucléaire à eau sous pression désigné de manière générale par le repère 1.

Le crayon combustible 1 comporte une gaine généralement tubulaire 2 de forme cylindrique en un matériau métallique absorbant faiblement les neutrons tels qu'un alliage de zirconium.

La gaine 2 du crayon combustible présente un diamètre de l'ordre de 10 mm et une longueur supérieure à 4 m.

La gaine 2 est fermée à ses extrémités par des bouchons métalliques tels que le bouchon 3 visible sur la figure 1.

Les assemblages de combustible sont placés à l'intérieur du cceur du réacteur nucléaire dans une position verticale, de telle sorte que les crayons de combustible de l'assemblage soient placés avec leur axe dans la direction verticale.

Sur la figure lA, on a représenté la partie inférieure du crayon 1, c'est-à-dire la partie du crayon disposée le plus bas lorsque le crayon est placé dans un assemblage de combustible.

La gaine 2 du crayon 1 renferme une pluralité de pastilles de matériau combustible 4 de forme cylindrique à section circulaire dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre intérieur de la gaine 2, au moins lorsque le crayon combustible est neuf ou n'a subi qu'une irradiation limitée.

Les pastilles de combustible 4 sont empilées l'une sur l'autre de manière à constituer une colonne de pastilles combustibles ou colonne fissile ayant pour axe l'axe de la gaine 2 du crayon.

Du fait que le diamètre des pastilles 4 en matériau combustible est inférieur au diamètre intérieur de la gaine 2, il subsiste un léger jeu radial entre chacune des pastilles et la surface intérieure de la gaine 2.

Lors de la fabrication du crayon de combustible, après remplissage de la gaine par la colonne de pastilles de combustible 4, on introduit à l'intérieur de la gaine, par l'intermédiaire d'un des bouchons, un gaz neutre tel que de l'hélium sous pression et on scelle de manière étanche le bouchon par lequel on a introduit l'hélium sous pression dans la gaine.

Le volume intérieur de la gaine 2 autour des pastilles de combustible et dans les zones d'extrémité du crayon, au voisinage des surfaces internes des bouchons, est rempli d'hélium sous pression qui constitue un fluide d'échange thermique entre les pastilles et la gaine. De cette manière, la chaleur dégagée par les pastilles de matériau combustible 4, lorsque le crayon de combustible se trouve dans le cceur d'un réacteur nucléaire en fonctionnement, est transmise à travers la gaine 2 du crayon, par l'intermédiaire de l'espace pastilles-gaine rempli d'hélium sous pression, au fluide de refroidissement du réacteur circulant au contact de la surface extérieure de la gaine 2 du crayon 1.

Lors du remplissage de la gaine 2 par les pastilles de combustible 4, on ménage un espace libre entre l'extrémité supérieure de la colonne de pastilles de combustible et la surface intérieure du bouchon supérieur du crayon. Un ressort hélicoïdal ou un autre dispositif de maintien est intercalé entre la surface intérieure du bouchon supérieur du crayon et l'extrémité supérieure de la colonne de pastilles de combustible 4. Eventuellement, on peut placer une cale sur une partie de la longueur de l'espace libre, entre la colonne de pastilles et le bouchon. L'espace libre entre l'extrémité supérieure de la colonne de pastilles de combustible et la surface intérieure du bouchon supérieur constitue un collecteur rempli d'hélium sous pression.

Lorsque la colonne de pastilles de combustible 4 se dilate du fait de la température élevée dans le coeur du réacteur et de l'irradiation, I'extrémité supérieure de la colonne de pastilles de combustible peut se déplacer en direction du bouchon supérieur en comprimant le ressort ou en faisant glisser le dispositif de maintien.

Du fait de l'irradiation dans le coeur du réacteur nucléaire, les pastilles de combustible 4 subissent un gonflement et une dilatation radiale, de telle sorte que le jeu radial entre les pastilles 4 et la gaine 2 du crayon de combustible diminue progressivement et finit par s'annuler pour un certain taux d'irradiation du matériau combustible des pastilles 4.

De plus, les réactions de fission provoquées par le bombardement neutronique du matériau fissile des pastilles de combustible 4, dans le coeur du réacteur entraînent la formation de gaz de fission qui se mélangent à l'hélium sous pression remplissant la gaine du crayon. La pression à l'intérieur de la gaine augmente et peut devenir prohibitive après un certain temps d'utilisation et en fonction des conditions d'exploitation du crayon dans le codeur du réacteur nucléaire.

De manière à diminuer la pression dans la gaine du crayon de combustible nucléaire en fin de vie du crayon de combustible, selon l'invention, le crayon combustible 1 comporte, dans sa partie inférieure représentée sur la figure 1, une capsule 5 comportant une paroi entièrement fermée de manière étanche délimitant une chambre 6 dont la pression interne est inférieure à la pression du gaz de remplissage de la gaine 2 du crayon combustible 1.

De préférence, la chambre 6 de la capsule 5 est remplie par de l'hélium à une faible pression, par exemple par de l'hélium à la pression atmosphérique.

La paroi de la capsule 5 délimitant la chambre étanche 6 est constituée par un tube 7 dont le diamètre est inférieur au diamètre intérieur de la gaine 2 et par deux opercules 8 et 9 fixés de manière étanche par soudage aux extrémités du tube 7.

Le tube 7 et les opercules 8 et 9 sont réalisés en métal tel qu'un acier inoxydable austénitique ou en un alliage de zirconium qui peut être identique à l'alliage de zirconium constituant la gaine 2 et les bouchons du crayon de combustible nucléaire.

Comme il sera expliqué par la suite, I'opercule 8 de la capsule 5 constitue un disque de rupture susceptible de se rompre et de mettre en communication le volume intérieur de la gaine avec la chambre 6, lorsque la pression du gaz contenu dans la gaine 2 du crayon combustible dépasse une certaine limite prédéterminée. On obtient ainsi un abaissement de la pression à l'intérieur de la gaine, par augmentation du volume d'expansion du gaz sous pression en fin de vie du crayon de combustible.

La capsule 5 peut être fixée dans une disposition coaxiale à la gaine 2 dans la partie inférieure du crayon combustible 1, comme il est visible sur la figure lA.

Un tube de support 10 est engagé et fixé sur une partie interne du bouchon 3 à diamètre réduit. Le tube 10 est fixé de manière non étanche sur le bouchon 3, par exemple par l'intermédiaire de points de soudure réalisés après engagement du tube 10 sur la partie d'extrémité à diamètre réduit du bouchon 3.

L'opercule 8 de la capsule 5 constitué sous la forme d'un disque de rupture est fixé par soudage sur la partie d'extrémité supérieure du tube de support 10.

Les opérations d'assemblage de la capsule et du bouchon 3 sont réalisées avant la mise en place du bouchon dans la partie inférieure de la gaine 2 du crayon et avant remplissage de la gaine par les pastilles de combustible.

Le bouchon 3 comporte une ouverture borgne Il de direction axiale débouchant sur la surface interne du bouchon et traversant la partie à diamètre réduit du bouchon 3 sur laquelle est engagé le tube de support 10.

Après avoir réalisé la fixation du tube de support 10 sur le bouchon 3, on réalise un perçage du tube 10 et du bouchon 3 engagés l'un sur l'autre dans une direction diamétrale de manière à obtenir un canal 12 débouchant sur la surface extérieure du tube de support 10 et traversant le trou borgne 11 du bouchon 3.

Lorsque le bouchon sur lequel est fixée la capsule 5 est mis en place et fixé de manière étanche sur la partie inférieure de la gaine 2, comme représenté sur la figure 1A, la partie interne du tube support 10 est mise en communication et en équipression avec l'espace annulaire réservé entre la surface interne de la gaine 2 du crayon et la surface externe de la capsule 5 constituant le collecteur inférieur du crayon.

La capsule 5 peut aussi être localisée dans la partie haute du crayon, comme il est visible sur la figure 1 B.

Sur la figure 18, on a représenté la partie supérieure d'un crayon de combustible dans laquelle est disposée une capsule 5' analogue à la capsule 5 décrite plus haut et représentée sur la figure lA.

De manière générale, les éléments correspondants sur les figures 1A et 18 portent les mêmes repères, les éléments représentés sur la figure 18 et situés dans la partie supérieure d'un crayon étant toutefois affectés du signe' (prime).

Dans sa partie supérieure, la gaine 2 du crayon 1 est fermée par un bouchon 3' constituant le bouchon supérieur du crayon combustible. La capsule 5' est fixée sous le bouchon 3' par l'intermédiaire d'un tube de support 10'. Un canal 12' traversant le tube de support 10' et le bouchon 3' met en communication la partie interne du tube de support 10' avec l'espace annulaire entre la gaine 2 et la capsule 5', par l'intermédiaire d'un trou 11' usiné dans le bouchon 3'. Le trou 11' est prolongé par un trou de petit diamètre 1 l'a débouchant sur la surface supérieure du bouchon 3' qui est utilisé pour l'introduction du gaz de remplissage dans la gaine. Le trou 11'a est ensuite fermé de manière étanche. Un disque de rupture 8' ferme la capsule à sa partie supérieure à l'extrémité du tube de support 10'. Un disque 24 percé d'une ouverture centrale de petite dimension est fixé dans une disposition transversale de manière à séparer la chambre 6' de la capsule 5' en deux parties. De ce fait, la communication entre l'espace annulaire du crayon entre la gaine et la capsule et la partie de la chambre 6' dans laquelle se produit l'expansion du gaz est réalisée par l'intermédiaire de l'ouverture du disque 24. On obtient ainsi une perte de charge importante sur l'écoulement du gaz contenu dans la gaine du crayon, lors de la rupture du disque 8'.

Le ressort hélicoïdal 25 de maintien de la colonne de pastilles de combustible 4 est intercalé entre l'extrémité supérieure de la colonne de pastilles et le fond inférieur de la capsule 5'.

On pourrait utiliser un moyen de maintien axial de la colonne de pastilles 4 d'un autre type, par exemple un clip.

Le disque de rupture est soumis, sur sa face externe, à la pression du gaz contenu dans la gaine du crayon et, sur sa face interne, à la pression interne de la chambre 6 ou 6' et donc au différentiel de pression entre le gaz contenu dans le crayon et la chambre étanche 6 ou 6' de la capsule 5 ou 5'.

Comme il est visible sur les figures 2A et 2B, selon une première variante de réalisation, le disque de rupture fermant la chambre de la capsule à sa partie inférieure (figure lA) est constitué par un disque métallique 28, par exemple en alliage de zirconium dont l'une des faces planes comporte une gorge circulaire 13 dont la profondeur correspond à une fraction de l'épaisseur totale du disque métallique 28. On constitue ainsi une zone affaiblie d'épaisseur réduite, dans une partie périphérique du disque de rupture.

Comme il est visible sur la figure 2A, la section méridienne de la gorge torique 13 présente la forme d'un U à angles arrondis. On évite ainsi une concentration de contraintes dans le fond de la gorge qui se produirait si la gorge avait une section en forme de V.

La gorge 13 est réalisée de préférence sur la face supérieure du disque de rupture 28 qui est dirigée vers l'intérieur de la chambre 6 de la capsule. La gorge du disque de rupture est ainsi totalement séparée du mélange gazeux renfermant des gaz de fission contenu à l'intérieur de la gaine du crayon disposé dans le réacteur en fonctionnement. De cette manière, on limite la tendance à la corrosion sous contraintes (CSC) du disque de rupture, lorsque le crayon de combustible est placé dans le coeur du réacteur nucléaire.

Sur les figures 3A et 3B, on a représenté une seconde variante de réalisation du disque de rupture 28 qui est constitué, dans ce cas, par un disque métallique sur l'une des faces planes duquel sont usinées deux saignées 14 et 14' de direction diamétrale faisant entre elles un certain angle qui est de préférence égal à 90".

Comme il est visible sur la figure 3A, le fond des saignées 14 et 14' qui sont réalisées par exemple à l'aide d'une meule en forme de disque pré sente une forme en arc de cercle et les saignées ont une profondeur croissante dans le sens allant de la périphérie vers la partie centrale du disque 28.

On évite ainsi des risques de concentration de contraintes qui seraient présentes dans le métal du disque si les saignées 14 et 14' présentaient des angles vifs à leurs extrémités.

Les saignées 14 et 14' sont réalisées de préférence sur la face supérieure du disque 28 qui est dirigée vers l'intérieur de la chambre de la capsule. Du fait que la partie du disque comportant les saignées est isolée du mélange gazeux renfermant des gaz de fission contenus dans la gaine, on limite la corrosion sous contrainte du disque de rupture, lorsque le crayon de combustible se trouve dans le cceur du réacteur nucléaire.

Aussi bien dans le cas du premier mode que du second mode de réalisation, le disque de rupture 28 présente une zone affaiblie suivant laquelle se produit la rupture du disque lorsque la pression du gaz contenu dans la gaine du crayon de combustible dépasse une valeur prédéterminée.

Dans le cas du premier mode de réalisation représenté sur les figures 2A et 2B, le réglage de l'épaisseur résiduelle du disque 28 au niveau de la gorge 13, pour réaliser le calibrage du disque de rupture, est obtenu en réalisant une gorge 13 d'une profondeur parfaitement déterminée.

Dans le cas du second mode de réalisation représenté sur les figures 3A et 3B, I'épaisseur résiduelle du disque de rupture 28 dans sa partie centrale où l'épaisseur résiduelle est la plus faible peut être parfaitement déterminée'en utilisant un outil, par exemple une meule en forme de disque de diamètre bien défini pour réaliser une saignée d'une longueur L parfaitement déterminée.

Dans l'un et l'autre cas, on peut réaliser de manière très précise le calibrage du disque de rupture, de manière à obtenir la rupture du disque et la mise en communication de la chambre de la capsule avec le volume intérieur de la gaine du crayon, pour une pression du gaz contenu dans la gaine parfaitement déterminée.

Comme représenté sur les figures 4A et 4B, il est également possible de réaliser, par usinage du disque de rupture, une cuvette 22 circulaire et coaxiale au disque, dont le fond présente une épaisseur inférieure à l'épais- seur du bord du disque qui n'est pas usiné. Dans ce cas, la rupture du disque se produit suivant le fond de la cuvette 22 et l'épaisseur résiduelle du disque définissant le niveau de rupture est l'épaisseur du fond de la cuvette.

Comme représenté sur les figures 5A et 5B, I'opercule 28' de la capsule peut être réalisé sous la forme d'une calotte sphérique dont on a usiné la partie centrale de la surface convexe pour constituer un méplat 23. Lors de la réalisation du méplat 23, par exemple par meulage ou par polissage,
I'obtention d'un méplat d'un diamètre parfaitement défini permet de fixer l'épaisseur résiduelle de l'opercule 28', dans sa partie centrale, à une valeur précise prédéterminée et donc d'effectuer un calibrage précis de l'opercule 28', du fait que le rayon de la calotte sphérique est défini avec une très bonne précision. II est préférable de placer l'opercule 28' de fermeture de la capsule dans une position telle que sa surface convexe soit dirigée vers l'extérieur de la capsule.

II serait également possible d'utiliser un disque de rupture d'épaisseur uniforme, c'est-à-dire sans zone d'épaisseur réduite. Pour définir une zone de rupture sur un tel disque, on peut affaiblir ou renforcer localement la structure métallurgique du disque, par exemple par un traitement thermique local ou par des additions adoucissantes ou durcissantes.

Dans le cas d'un disque en alliage de zirconium (par exemple Zircalloy 4), on peut par exemple utiliser un disque écroui et recuit localement, dans sa partie centrale par un chauffage par un faisceau laser. On peut ainsi recristalliser une partie du disque ou opérer une transformation en phase ss de l'alliage. On peut également introduire localement dans le disque des additions adoucissantes (Sn, Cd) en solution solide, ou durcissantes (Cr,
Fe, C, O).

Généralement, on règle le fonctionnement de la capsule permettant de déclencher l'augmentation du volume d'expansion du crayon de combustible, de telle manière que le déclenchement, par rupture du disque, se produise au début de la fermeture du jeu entre les pastilles 4 et la gaine 2 du fait du gonflement sous irradiation des pastilles de combustible 4. De cette manière, le gaz sous pression contenu dans le collecteur supérieur du crayon de combustible entre l'extrémité supérieure de la colonne de pastilles et la surface intérieure du bouchon supérieur peut s'écouler dans le collecteur inférieur et dans la chambre de la capsule, au moment de la rupture du disque, sans entraîner la formation d'une onde de choc qui pourrait se produire du fait de la très grande différence de pression entre le volume intérieur de la gaine et la chambre de la capsule. En effet, on obtient une diminution importante de la vitesse de transfert des gaz de la partie supérieure vers la partie inférieure du crayon, du fait de la perte de charge linéaire dans le faible jeu entre les pastilles 4 et la gaine 2, suivant toute la longueur de la colonne de pastilles de combustible.

Dans le cas où la capsule est disposée dans la partie supérieure du crayon, il est préférable utiliser un disque percé d'une petite ouverture pour augmenter la perte de charge sur l'écoulement du gaz. Un tel disque percé peut néanmoins être utilisé également, lorsque la capsule est disposée dans la partie inférieure du crayon
La pression de rupture de l'opercule est généralement comprise entre 90 et 150 bars et fixée à une valeur qui dépend du mode de pilotage du réacteur nucléaire.

Le Crayon combustible suivant l'invention présente, après rupture de l'operculeconstituant une partie de la paroi de la capsule, un volume d'expansion accru et donc une pression réduite du gaz remplissant la gaine du crayon de combustible. On augmente ainsi la durée de vie du crayon de combustible.

De manière générale, il serait souhaitable, pour augmenter la durée de vie des crayons de combustible, d'ajuster le volume d'expansion du gaz contenu dans la gaine en fonction du taux d'épuisement du combustible.

Sur les figures 6 et 7, on a représenté une capsule, dans le cas d'un second mode de réalisation du crayon, désignée de manière générale par le repère 15 qui est destinée à être placée à l'intérieur de la gaine d'un crayon de combustible entre l'extrémité inférieure de la colonne de pastilles de combustible et la surface intérieure du bouchon inférieur du crayon pour permettre une variation du volume d'expansion des gaz de fission, à l'intérieur de la gaine, en fin de vie du crayon de combustible.

La capsule 15 est constituée par un tube ajouré 16 dans lequel sont réalisées des fentes17 de direction axiale traversant la paroi du tube, une membrane métallique 18 disposée à l'intérieur du tube ajouré et deux plaques de fermeture 19a et 1 9b fixées par soudage aux extrémités du tube ajouré 16 sur lesquelles sont également fixées par soudage, de manière étanche, les extrémités de la membrane 18 disposée coaxialement à l'intérieur du tube ajouré 16.

La paroi du tube 16 est traversée par huit fentes 17 équidistantes de direction axiale.

La membrane 18 présente une surface latérale constituée par des facettes successives reliées entre elles le long d'arêtes de la membrane de direction axiale et présentant, en section transversale, comme il est visible sur la figure 7, une légère courbure, la face convexe des facettes étant dirigée vers l'extérieur de la membrane. Cette courbure convexe vers l'extérieur permet d'obtenir un effet d'arc-boutement lorsque la membrane est soumise à la pression externe du fluide de remplissage de la gaine du crayon. La membrane présente une section transversale ayant sensiblement la forme d'un polygone dont les côtés présentent une légè

La membrane 18 qui est fixée de manière étanche sur les plaques de fermeture 19a et 19b à ses extrémités délimite, à sa partie interne, une chambre 21 totalement isolée du volume intérieur de la gaine du crayon de combustible.

La chambre 21 peut être remplie par un gaz tel que l'hélium à une pression sensiblement inférieure à la pression de remplissage de la gaine du crayon de combustible et par exemple une pression voisine de la pression atmosphérique.

La membrane 18 est donc soumise à des efforts de compression sous l'effet de la pression du gaz contenu dans le crayon de combustible.

La membrane 18 présente une épaisseur et des caractéristiques mécaniques telles qu'elle puisse se déformer par flambement, à partir d'un niveau de pression prédéterminé à l'intérieur de la gaine du crayon de combustible.

Lorsque la pression à l'intérieur de la gaine du crayon de combustible dépasse la valeur entraînant une déformation par flambement, la membrane subit une rupture. De cette manière, dans un premier temps, le volume d'expansion du gaz à l'intérieur de la gaine du crayon de combustible s'accroît du fait de la déformation de la membrane et, dans un second temps, ce volume s'accroit brusquement par rupture de la membrane.

L'utilisation d'une membrane à facettes permet d'éviter les inconvénients liés à l'instabilité de la déformation d'un cylindre soumis à une pression externe. De préférence, les facettes courbes présentent une section transversale ayant une forme de sinusoïde aplatie ou, éventuellement, une forme en arc de cercle pour optimiser les conditions de déformation et de rupture de la membrane à des niveaux de pression parfaitement déterminés.

De préférence, la membrane est calculée de manière à commencer à se déformer par flambement sous l'effet de l'augmentation de pression due aux gaz de fission, au début de la fermeture du jeu entre les pastilles et la gaine du crayon de combustible sous l'effet de l'irradiation subie par les pastilles dans le cceur du réacteur nucléaire et à subir une'rupture et une destruction totale au moment où les pastilles de combustible viennent en contact avec la surface intérieure de la gaine du crayon de combustible avec une forte pression d'appui.

Dans le cas des réacteurs nucléaires à eau sous pression actuel le ment en exploitation, on utilise de préférence une capsule dont la membrane se déforme par flambement à une pression comprise entre 90 et 150 bars pour une température de l'ordre de 350"C.

De préférence, le tube ajouré et les plaques de fermeture de la capsule sont réalisés en acier inoxydable.

La membrane est réalisée en un métal dont les caractéristiques mécaniques sont adaptées aux conditions de fonctionnement de la capsule en ce qui concerne les pression et température de déformation et de rupture de la membrane.

La membrane présente une épaisseur comprise entre 0,10 et 0,45 mm et généralement une épaisseur voisine de 0,20 mm.

Le fonctionnement de la capsule 15, à l'intérieur d'un crayon de combustible pour réaliser un réglage du volume d'expansion du gaz contenu dans le crayon, sera expliqué ci-après.

Lorsque la pression du gaz contenu dans le crayon est inférieure à la pression entrainant la déformation de la membrane, le tube ajouré 16 supporte le poids de la colonne de pastilles de combustible, la force de compression du ressort de maintien des pastilles de combustible et l'effet de fond induit par la pression externe sur les plaques de fermeture de la chambre 21 de'la capsule.

Lorsqu'on atteint la pression limite provoquant la déformation par flambement de la membrane 18, le tube ajouré 16 est soumis aux efforts de direction axiale indiqués plus haut auxquels s'ajoute l'effort de compression induit par la déformation de la membrane par flambement. Cette pression limite est atteinte au début de la fermeture du jeu entre les pastilles et la surface interne de la gaine du crayon de combustible.

Lorsque les pastilles viennent en contact avec la surface intérieure de la gaine avec une forte pression, la membrane subit une rupture totale, de sorte que le tube ajouré ne subit plus l'effort de compression imposé par la membrane. Le tube ajouré est alors capable de supporter l'effort de compression dans la direction axiale produit par le contact avec forte pression entre les pastilles de combustible et le tube.

Sur les figures 8 et 9, on a représenté une capsule suivant l'invention et suivant un troisième mode de réalisation, constituant une variante du mode de réalisation représenté sur les figures 6 et 7. Les éléments correspondants sur les figures 6 et 7 d'une part et sur les figures 8 et 9 d'autre part portent les mêmes repères avec toutefois l'exposant ' (prime) pour les éléments de la capsule 15' représentée sur les figures 8 et 9.

Le principe de fonctionnement et la structure générale de la capsule 15' représentée sur les figures 8 et 9 sont identiques au principe de fonctionnement et à la structure de la capsule 15 décrits plus haut. Cependant, à la différence de la capsule 15, la capsule 15' comporte un tube externe 16' traversé par deux alésages 17' de direction radiale diamétralement opposés dans sa partie médiane, au lieu d'un tube externe ajouré traversé par huit fentes 17 de direction axiale.

La membrane 18' et les plaques de fermeture 19'a et l9'b de la capsule 15' sont identiques, respectivement, à la membrane 18 et aux plaques de fermeture 1 9a et 19b, de la capsule 15.

Le dispositif suivant l'invention permet donc de régler le volume d'expansion du gaz dans le crayon de combustible en fonction de l'irradiation des pastilles de combustible et de limiter la pression du gaz contenu dans la gaine du crayon, en fin de vie du crayon de combustible. Le dispositif permet également de supporter les efforts dus au contact avec pression entre les pastilles et la gaine du crayon de combustible.

Dans tous les cas, le dispositif suivant l'invention permet d'augmenter la durée de vie et le taux d'irradiation d'un crayon de combustible à l'intérieur du cceur d'un réacteur nucléaire.

L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits.

C'est ainsi que la capsule peut présenter une paroi dont la forme est différente des formes qui ont été décrites plus haut.

La zone de rupture de la paroi1 pour une pression bien définie à l'intérieur de la gaine du crayon, peut être obtenue par des moyens différents de ceux qui ont été décrits.

Par exemple, dans le cas de la membrane 18 de la capsule représentée sur les figures 6 et 7, on peut prévoir une gorge affaiblissant la paroi de la membrane dans ses zones d'extrémité voisines des plaques de fermeture.

La capsule peut être placée à l'intérieur du crayon de combustible, dans une zone différente de la partie inférieure du crayon et intercalée entre des éléments différents de l'extrémité inférieure de la colonne de pastilles de combustible et le bouchon inférieur.

La capsule peut être placée par exemple sous le bouchon supérieur du crayon, comme il est visible à la figure 10.

Dans sa partie supérieure, la gaine 2 du crayon 1 fermée par le bouchon 3' renferme une capsule 26 comportant une partie supérieure 26' analogue à la capsule 15' représentée sur les figures 8 et 9. De plus, la partie inférieure de la capsule 26 comporte une chambre d'expansion 27 séparée de la capsule 26' par un disque 29 traversé par une ouverture centrale de petite dimension. En cas de rupture de la membrane de la partie supérieure 26' de la capsule 26, le gaz sous pression contenu dans la gaine du crayon passe dans la chambre d'expansion 27 à travers l'ouverture du disque 29. Le ressort 25 de maintien des pastilles de combustible 4 est intercalé errtre le fond inférieur de la capsule 26 et l'extrémité supérieure de la colonne de pastilles de combustible 4.

II est également possible, comme il est visible sur la figure 11, de prévoir l'utilisation d'un ressort 25' de plus grande longueur intercalé entre l'extrémité supérieure de la colonne de pastilles de combustible 4 et la surface inférieure interne du bouchon supérieur 3' et une capsule 26 dont le diamètre est inférieur au diamètre intérieur des spires du ressort 25'. Dans ce cas, on peut fixer la capsule 26, comme précédemment décrit, sous le bouchon 3', de manière qu'elle soit placée à l'intérieur du ressort 25'.

Au lieu d'un ressort, on peut utiliser un moyen de maintien de la colonne de pastilles constitué par un clip ; dans ce cas, la capsule peut être placée au-dessus du clip.

Au lieu d'être fixée sur le bouchon, la capsule peut être libre et reposer directement ou par l'intermédiaire d'un moyen d'appui sur la colonne de pastilles.

Dans tous les cas, la capsule a une longueur telle que le volume de pastilles de combustible ne puisse venir en appui sur le bouchon par i'intermédiaire de la capsule, lorsqu'elles se dilatent en service.

L'invention s'applique à tout crayon de combustible d'un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau comportant une gaine fermée par des bouchons et une colonne de pastilles de combustibles disposée à l'intérieur de la gaine.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1.- Crayon de combustible nucléaire comportant une gaine tubulaire (2), une pluralité de pastilles de matériau combustible nucléaire (4) empilées sous forme d'une colonne de pastilles de combustible dans la direction axiale à l'intérieur de la gaine (2), un bouchon de fermeture (3, 3') à chacune des extrémités de la gaine (2), un moyen (25, 25') de maintien axial de la colonne intercalé entre la surface interne de l'un des bouchons et l'une des extrémités de la colonne de pastilles de combustible (4) ainsi qu'un gaz sous pression de remplissage de la gaine (2) qui est fermée de manière étanche au gaz par les bouchons (3), caractérisé par le fait qu'il comporte de plus une capsule (5,15,15', 26) contenue à l'intérieur de la gaine (2) fermée de manière étanche et délimitant une chambre (6, 6', 21, 27) dont la pression interne est inférieure à la pression du gaz contenu dans la gaine (2), dont une partie au moins est déformable etlou destructible à une pression prédéterminée du gaz contenu dans la gaine (2) du crayon.

2.- Crayon de combustible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la paroi de la capsule (5, 5') est constituée par un premier tube (7, 7') fermé à ses extrémités par des opercules (8, 8', 9, 9') dont l'un (8, 8') constitue un disque de rupture prévu pour une rupture à la pression prédéterminée du gaz contenu dans la gaine (2) du crayon

3.- Crayon de combustible suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la capsule (5, 5') est fixée dans une disposition coaxiale à l'intérieur de là gaine (2) du crayon combustible (1), c'est-à-dire une disposition sensiblement dans l'axe du crayon combustible (4), et intercalée entre une extrémité de la colonne de pastilles de combustible (4) et la surface interne d'un bouchon (3, 3') du crayon de combustible (1).

4.- Crayon de combustible suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la capsule (5, 5') est fixée par l'intermédiaire du disque de rupture (8, 8') sur une partie d'extrémité d'un tube de support (10, 10') engagé et fixé dans une disposition coaxiale sur une partie interne d'un bouchon (3, 3') du crayon de combustible (1).

5.- Crayon de combustible suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la partie interne du bouchon (3, 3') du crayon de combustible sur laquelle est engagé et fixé le tube de support (10, 10') est traversée dans la direction axiale par un trou borgne (lui, 11') et dans une direction sensiblement diamétrale, par un canal (12, 12') communiquant avec le trou borgne (11, 11') de direction axiale et traversant le tube de support (10, 10') de manière à mettre en communication un espace annulaire compris entre la surface interne de la gaine (2) du crayon de combustible et une surface externe du tube (7, 7') de la capsule (5, 5') avec une face externe du disque de rupture (8, 8') dirigée vers l'extérieur de la chambre (6, 6') de la capsule (51 5').

6.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le disque de rupture (8, 8') est constitué par une plaquette métallique circulaire (28) comportant une gorge circulaire (13) sur une de ses faces planes, de manière à constituer une zone affaiblie d'épaisseur réduite, dans une partie périphérique du disque de rupture (8, 8').

7.- Crayon de combustible suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que la gorge (13) présente une section méridienne ayant la forme d'un U à angles arrondis.

8.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le disque de rupture (8, 8') est constitué par une plaquette métallique (28) de forme circulaire comportant, sur une de ses faces planes, deux saignées (14, 14') de direction sensiblement diamétrale se recoupant au voisinage de la partie centrale du disque (8, 8') de forme circulaire et présentant une profondeur croissante dans le sens allant de la périphérie vers la partie centrale du disque (8, 8').

9.- Crayon de combustible suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que les saignées (14, 14') comportent un fond en forme d'arc de cer cle, les saignées dans le disque (8, 8') étant réalisées par un outil circulaire tel qu'une meule à disque et présentant une longueur (L) parfaitement définie.

10.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le disque de rupture (8, 8') est constitué par une plaquette métallique circulaire (28) comportant une cuvette centrale circulaire (22) sur sa face dirigée vers l'intérieur de la chambre (6) de la capsule (5) de manière à constituer une zone affaiblie d'épaisseur réduite dans une partie centrale du disque de rupture (8, 8').

11.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que l'opercule (8, 8') constituant un disque de rupture (28') a la forme d'une calotte sphérique comportant un méplat (23) usiné dans la partie centrale de sa surface convexe, de manière à constituer une zone affaiblie d'épaisseur réduite dans la partie centrale de l'opercule (8, 8').

12.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le disque de rupture (8, 8') est constitué par une plaquette métallique d'épaisseur constante dont une partie est adoucie ou durcie par un traitement thermique ou par des additions d'éléments d'alliage.

13.- Crayon de combustible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la paroi de la capsule (15,15', 26') est constituée par un tube (16, 16') ajouré traversé par des ouvertures (17, 17') sur les extrémités duquel sont fixées par soudage des plaques de fermeture (19a, 19b, 19'a, 19'b) et une membrane métallique (18,18') de forme tubulaire disposée de manière coaxiale à l'intérieur du tube ajouré (16, 16') et fixée de manière étanche à ses extrémités sur les plaques de fermeture (1 9a, 19b, 19'a, 1 9'b) de manière à délimiter une chambre interne (21), la capsule (15, 15') étant placée entre une extrémité de la colonne de pastilles de combustible (4) et la surface intérieure d'un bouchon (3, 3') du crayon de combustible (1).

14.- Crayon de combustible suivant la revendication 13, caractérisé par le fait que la membrane (18, 18') de la capsule (15,15') de forme tubulaire présente une pluralité de facettes de forme légèrement courbe et convexe vers l'extérieur et que la section transversale droite de la membrane (18, 18') présente la forme d'un polygone ayant des côtés légèrement courbes dont la convexité est dirigée vers l'extérieur de la membrane (18, 18').

15.- Crayon de combustible suivant la revendication 14, caractérisé par le fait que la membrane (18,18') a une épaisseur comprise entre 0,10 et 0,45 mm et de préférence voisine de 0,20 mm.

16.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé par le fait que les ouvertures (17) du tube ajouré (16) sont des fentes de direction axiale équidistantes.

17.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé par le fait que les ouvertures (17) sont des alésages de direction radiale.

18.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que la chambre (6', 27) de la capsule (5, 26) est séparée en deux parties par un disque (24, 29) traversé par une ouverture de petite dimension.

19.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que la capsule (26) est disposée à l'intérieur d'un ressort hélicoïdal (25') constituant le moyen de maintien axial de la colonne de pastilles de combustible (4).

20.- Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait que la rupture de la capsule se produit lorsque la pression prédéterminée du gaz contenu dans le crayon est comprise entre 90 et 150 bars.