WO2004059658A1 - Methode et dispositif de chargement de pastilles de combustible nucleaire - Google Patents

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WO2004059658A1
WO2004059658A1 PCT/BE2002/000202 BE0200202W WO2004059658A1 WO 2004059658 A1 WO2004059658 A1 WO 2004059658A1 BE 0200202 W BE0200202 W BE 0200202W WO 2004059658 A1 WO2004059658 A1 WO 2004059658A1
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sheath
pellets
loading
column
loaded
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PCT/BE2002/000202
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Inventor
Alain Vandergheynst
Louis Aerts
Léon MERTENS
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Belgonucleaire Sa
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02—Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for loading nuclear fuel pellets in successive columns in a metal sheath previously provided with a first plug at one of its two ends.
  • a nuclear fuel rod generally consists of a metallic sheath made of zirconium alloy or stainless steel, fuel pellets, most often a uranium oxide or uranium / plutonium, a retaining spring and two welded end caps.
  • the assembly of welded sheath and plugs ensures the sealing of the pencil and the confinement of nuclear materials vis-à-vis the external environment.
  • These pencils are filled with an inert gas (most often helium) to ensure the transfer of the heat produced by the pellets to the sheath, and can be pressurized or not.
  • the clearance between the pellets and the sheath is limited, typically of the order of 150 - 200 ⁇ m for light water reactors.
  • the management policy for electricity producers and designers of nuclear fuel aims to seek increasingly high rates of exhaustion during charging and leads manufacturers to produce in particular MOX fuel (or Mixed Oxide, a mixture of uranium oxide and plutonium oxide), with increasingly high fissile plutonium contents and with plutoniums of civil origin having an increasingly degraded isotopic composition.
  • MOX fuel or Mixed Oxide, a mixture of uranium oxide and plutonium oxide
  • fissile plutonium contents and with plutoniums of civil origin having an increasingly degraded isotopic composition.
  • This degradation of the isotopic composition increases the specific activity of these plutoniums (in particular the activities ⁇ , ⁇ , ⁇ , neutrons) and requires increased protection of personnel and equipment.
  • MOX fuel rods typically require that loading operations take place in sealed (for example, glove box type) and shielded containments . It follows that, for these reasons and to increase industrial productivity, a large number of operations, if not all, are carried out in a mechanized and / or automated manner with a minimum of direct human intervention.
  • the loading method be as little as possible sensitive to blockages caused by splinters or dust likely to be entrained by the pellets themselves and / or to be produced during the loading operations themselves.
  • the loading method must operate without excessive or unnecessary effort on the pellets, which would risk producing additional splinters or damage to the pellets, detrimental to the quality of the rods and to their behavior in reactor in particular, that is to say that the pastilles are excessively damaged, that is to say that these fragments create unacceptable spaces between pastilles.
  • the method of loading the pellets into the sheath aims to limit the parts of the sheath exposed to contamination and the extent of this contamination.
  • the loading method must be designed to avoid causing contamination in the sheath and must aim to avoid decontamination operations by liquid, due to the increased risk of criticality and the production of liquid effluents.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks mentioned above and others known to those skilled in the art, and for this purpose proposes a method which favorably influences the operations for manufacturing pencils as well as the quality of the products produced in organizing in particular a particular guidance of the pellets as far as the sheath without the latter being able to touch the open end of the sheath and advantageously without unnecessarily mechanically stressing said pellets.
  • the following is carried out: a correction of the offsets between a support and the open end of the sheath, and an alignment of the axis of the pellets with the axis of the sheath, using a channel whose bottom has a V-shaped profile in continuous ramp and at intersection with a cylindrical outlet to the diameter of the pellets, centering of the sheath in a chamber centered on the cylindrical part of the channel,
  • the loading of the pellets into the sheath is ensured in columns which are successively introduced therein, so that the last patch of each column is pressed into the sheath to a depth at least equal to the length of the next column to be loaded into the same sheath.
  • This arrangement is advantageous in that, until it is entirely in the sheath, each column undergoes only a moderate effort and that this does not increase significantly when said column comes into contact with the previous (s), only when it is already inside the sheath and therefore well guided.
  • This arrangement like the following two, contributes to implementing reduced forces on the pellets: limitation of the thrust forces during loading,
  • the present invention also relates to a device for presenting, centering and aligning the pellets during loading into the sheath, in particular for implementing the method according to the invention.
  • the device consists of a fixed metal part crossed by a channel whose dimensions of the inlet are chosen to accept an offset of the pellets with respect to the axis of the sheath and of which the bottom has a V-shaped profile in continuous ramp and at intersection with a cylindrical outlet to the diameter of the pellets, and provided with a cylindrical chamber with the diameter of the sheath and centered on the cylindrical outlet of the channel, has dimensions and tolerances adapted to dimensions of said pellets and sheath, and such that the diameter of the cylindrical part of the channel is less than the inside diameter of the sheath, in order to hide the end of the sheath from the pellets, and optionally has longitudinal and / or transverse clearances and nozzles to blow gas in the opposite direction to the direction of loading and / or suck up dust and chips.
  • Figure 1 shows in axial section an embodiment of a fuel rod whose sheath can be loaded with pellets by implementing the invention.
  • FIG. 2A shows in a perspective view an embodiment of a device for loading fuel rods of the invention.
  • FIG. 2B shows exemplary embodiments of longitudinal and transverse clearances and of gas nozzles G.
  • FIGS. 3A to 3F show in a plan view the different stages of a sequence of loading the successive columns of pellets in the sheath, for implementing the invention.
  • FIG. 3A also shows a device for limiting the thrust forces.
  • a pencil 1 (FIG. 1) concerned by the invention may include, as already mentioned and as is known, a sheath 2 plugged at one end by a first plug 3 and at the other end by a second plug 4. Between these plugs 3 and 4 can be enclosed in the sheath 2 of the pads 6, a spring 7 and structural components, such as one or more intermediate elements 5.
  • the device and the method for loading pellets 6 into a aforementioned sheath 2, object of the invention, are explained jointly in the present description due to their complete reciprocal nesting.
  • the method of the invention consists, in a sheath 2 provided beforehand with a first plug 3 at one of its two ends, at ( Figures 2): - present, center and align the pellets 6 in columns 12 at the open end 34 of the sheath 2, in position and in orientation in order to avoid mechanical jamming, - remove from the column 12 of pellets 6 the dust and chips brought by and / or adhering to the loaded pellets, and / or generated by the operations of presentation, centering and alignment.
  • the pellets 6 are guided, with a view to their alignment and centering, using a channel 42, the bottom of which has a V-shaped profile in a continuous ramp (T + U) and in intersection with a cylindrical outlet. (Y) 48 to the diameter of the pellets 6, as described in detail below.
  • the sheath 2 is centered in a chamber (Z) 49 centered on the cylindrical part (Y) 48 of said channel 42.
  • the open end 34 of the sheath 2 is masked from each pad 6 being loaded, in order to avoid massive contamination of the part of the sheath 2 close to its open end 34 and additional interference and mechanical blockages.
  • This masking also prevents the formation of contamination on the open end face 34. Aerosols, dust and flakes are trapped and / or collected and / or discharged, via free sections between pellets 6 and walls of the channel 42 and / or clearances, by gravity deposition and optionally by blowing and / or complementary suction.
  • These dusts and chips which are either brought by said pellets 6 during loading, or produced during the loading operation itself could otherwise lead to jamming of the pellets 6 during their introduction into the sheath 2 or to discarded pencils, if introduced into the sheath.
  • FIGS. 3B, 3E the pellets 6 of a column 12 are advantageously driven into the sheath 2 to a depth of introduction of the last pellet 6 of this column 12 into the sheath 2, at least equal to the length of the next column 12 to be loaded into the same sheath 2.
  • FIG. 3B shows the column 12a in its depressed position, leaving a free space to receive the column 12b according to FIGS. 3D, 3E.
  • the pushing force on a column is limited to the only pushing force of the latter.
  • the loading of said pellets 6 in successive columns 12 into said sheath 2 is preferably carried out by limiting the maximum thrust forces on the columns 12 during said loading, as a function of the depth of introduction and of the order N (N ranging from "a" to "e” by way of example in FIGS. 3) of column 12 being loaded in the same sheath 2.
  • N the order of the order of column 12 being loaded in the same sheath 2.
  • the thrust is adjusted so that it is of a certain level single maximum to bring the successive columns 12a-e into the sheath 2 ( Figure 3D); the thrust is further adjusted to move the train of columns to another variable maximum level as a function of the number of columns already loaded.
  • Loading the pellets into a vacuum sheath 2 from a chamber itself under vacuum significantly reduces the efforts made, as well as the contamination generated by the expulsion of any gas contained in the sheath by the pellets that are loaded there.
  • This loading under vacuum also makes it possible to avoid having to subsequently draw a vacuum in or having to rinse the sheath 2 loaded with pellets 6, in order to replace the gas present with an inert gas, during the operations of fitting the plug 4 and welding.
  • Direct helium loading provides comparable advantages due in particular to its low dynamic viscosity.
  • the device of the invention for the presentation, centering and alignment of pellets 6 for loading into a sheath 2 is intended in particular for the implementation of the method of the invention, described above.
  • This device called a loading device, has a fixed guide element
  • This guide element 14 has dimensions and tolerances adapted to the dimensions of said pads 6 and sheath 2, and such that the diameter of the cylindrical part (Y) 48 of the channel 42 is less than the inside diameter of the sheath 2, in order to hide the transverse face of the end of the sheath 2 from the pellets 6.
  • This guide element 14 can additionally have longitudinal clearances and / or transverse and nozzles G for blowing a gas in a direction opposite to the direction of loading and / or sucking up dust and splinters.
  • pellets 6 are most often presented in columns 12 on a fixed V or on a plate 38 V-groove and movable transversely relative to the sheath 2, as shown in Figures 3.
  • the V-shaped profile of the channel 42 successively has a square inlet on tip (T) 44 and a section with square section on tip (U) 46 and in continuous reduction in cross section.
  • the square entry on point 44 allows significant lateral and vertical clearances to the pads (up to 1 to 2 mm) in order to accept misalignments of multiple origins (for example, vertical and horizontal misalignments of the V of the groove plate 38 presenting the columns 12 of pellets).
  • the section of square section on point (U) 46 has continuously decreasing dimensions in cross section in order to center and gradually align the pellets 6 relative to the sheath 2.
  • Various reduction laws can be achieved with numerically controlled machines modern, for example from a linear reduction leading to a truncated pyramid, up to a non-linear reduction, for example quadratic as shown in FIGS. 2, allowing to catch important misalignments on short lengths thanks to the changes of slope of a curved trajectory.
  • the cylindrical outlet (Y) 48 and cylindrical chamber (Z) 49 have a diametrical tolerance of -0 / +0.01 mm and a sufficient reciprocal concentricity (for example better than 0.01 mm), depending on the clearances available between pads 6 and sheath 2. Longitudinal and / or transverse grooves or clearances can also be machined in the part 14 to contribute to the trapping of dust and splinters.
  • the device of the invention may also comprise (FIGS. 3), for the above-mentioned loading of the pellets 6, a drive means 50 for the latter, comprising a long pusher 53 and with sensitive drive, with axial displacement caused by a clearance rollers 56 fitted with a force limiter 54 with low inertia and driven by a motor 52 whose force is limited as a function of the depth of introduction and of the order N of the column 12 of pellets being loading in the same sheath 2.
  • the pusher 53 itself consists of a hollow rod 53 of low mass and of length adapted so that the depth of introduction of the last pellet 6 of a column 12 loaded in the sheath 2 is at less equal to the length of the next column 12 to be loaded into the same sheath 2.
  • three methods can be used separately or in combination: - load the pellets 6 under vacuum or under a gas with low dynamic viscosity (for example helium) in order to limit the back pressure in the sheath 2 during the insertion of the columns 12 of pellets.
  • a gas with low dynamic viscosity for example helium
  • the free volume between the first pad 6 inserted and the closed end of the sheath 2 gradually decreases with the loading of the pads 6 and can be canceled at the end of loading in some pencil drawings.
  • the gas pressure drop which is evacuated through the clearance between the pellets 6 and the sheath 2 increases at the same time with the elongation of the total column of the pellets 6 introduced.
  • the structural elements other that the retaining spring 7 and the second end plug 4 and such as insulation pads, cover pads, "getters”, spacers, spacers, ... are loaded at the same time as the fuel pellets, to using the same method and device of the invention.
  • the reduction of the thrust speed of the train of columns of pellets can advantageously be carried out for the last column or columns loaded.
  • the loading device of the invention can be used for the direct introduction of the pellets into the sheath, as for the centering and alignment of these in any intermediate device provided before the sheath.
  • the invention is in particular applicable to the manufacture of fuels based on uranium oxide, with or without consumable poison, as well as to new types of nuclear fuels based on actinides other than uranium (nitrides or uranium / plutonium carbides, fuels without fertile matter intended for incineration reactors or actinide transmitters, MOX based on thorium / plutonium, MOX with consumable poison or not, ).

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Abstract

Méthode et dispositif de chargement de pastilles de combustible nucléaire dans une gaine munie de son premier bouchon, à l'aide d'un élément d'introduction et en mettant en oeuvre des efforts limités.

Description

"Méthode et dispositif de chargement de pastilles de combustible nucléaire"
Domaine de l'invention La présente invention concerne une méthode et un dispositif de chargement de pastilles de combustible nucléaire en colonnes successives dans une gaine métallique munie préalablement d'un premier bouchon à une de ses deux extrémités.
Pour rappel, un crayon de combustible nucléaire est généralement constitué d'une gaine métallique en alliage de zirconium ou en acier inoxydable, de pastilles de combustible, le plus souvent d'un oxyde d'uranium ou d'uranium/plutonium, d'un ressort de maintien et de deux bouchons d'extrémité soudés. L'ensemble gaine et bouchons soudés assure l'étanchéité du crayon et le confinement des matières nucléaires vis-à-vis du milieu extérieur. Ces crayons sont remplis d'un gaz inerte (le plus souvent, hélium) pour assurer le transfert de la chaleur produite par les pastilles vers la gaine, et peuvent être pressurisés ou non. Le jeu entre pastilles et gaine est limité, typiquement de l'ordre de 150 - 200 μm pour les réacteurs à eau légère.
Dans certains cas, d'autres composants structuraux tels que tubes intercalaires, pastilles d'isolation, "getters",... peuvent être chargés en tête ou en pied du crayon.
La politique de gestion des producteurs d'électricité et des concepteurs de combustible nucléaire vise à rechercher des taux d'épuisement de plus en plus importants lors du chargement et amène les fabricants à produire notamment du combustible MOX (ou Mixed Oxide, un mélange d'oxyde d'uranium et d'oxyde de plutonium), avec des teneurs en plutonium fissile de plus en plus élevées et avec des plutoniums d'origine civile ayant une composition isotopique de plus en plus dégradée. On observe une diminution de la fraction de 239Pu et une augmentation des fractions 238Pu et 241Pu. Cette dégradation de la composition isotopique augmente l'activité spécifique de ces plutoniums (notamment les activités α, β, γ, neutrons) et nécessite une protection accrue du personnel et des équipements. En particulier, afin de préserver le personnel des radiations ionisantes et des poussières radioactives, la fabrication de crayons de combustible MOX exige typiquement que les opérations de chargement se déroulent dans des enceintes de confinement étanches (par exemple, du type boîtes à gants) et blindées. Il s'ensuit, que pour ces raisons et pour accroître la productivité industrielle, qu'un grand nombre d'opérations, sinon toutes, s'effectuent de manière mécanisée et/ou automatisée avec un minimum d'intervention humaine directe.
Il importe par conséquent que la méthode de chargement des pastilles puisse - être intégrée dans ces opérations automatisées, et
- présenter les pastilles de façon précise à l'extrémité ouverte de la gaine et notamment pallier les erreurs de positionnement inévitables des dispositifs d'alimentation en pastilles.
Il importe aussi que la méthode de chargement soit le moins possible sensible à des blocages provoqués par des éclats ou poussières susceptibles d'être entraînés par les pastilles elles-mêmes et/ou d'être produits au cours des opérations de chargement elles-mêmes.
Pour les mêmes raisons, la méthode de chargement doit fonctionner sans effort excessif ou inutile sur les pastilles, qui risquerait de produire des éclats supplémentaires ou des dégâts aux pastilles, préjudiciables à la qualité des crayons et à leur comportement en réacteur en particulier, soit que les pastilles sont exagérément endommagées, soit que ces éclats créent des espaces inacceptables entre pastilles.
Pour la sûreté du personnel des usines de fabrication, la sûreté des transports et la sûreté des réacteurs (contamination du circuit primaire), les concepteurs et producteurs de combustible, MOX en particulier, limitent à des valeurs admises très faibles la contamination fixe et transférable de la surface externe des crayons chargés en pastilles.
Il importe donc également que la méthode de chargement des pastilles dans la gaine vise à limiter les parties de gaine exposées à la contamination et l'importance de ces contaminations. En particulier, la méthode de chargement doit être conçue pour éviter de provoquer une incrustation de contamination dans la gaine et doit viser à éviter des opérations de décontamination par voie liquide, en raison du risque de criticité augmenté et de la production d'effluents liquides. Etat de la technique
La recherche des objectifs décrits plus haut (automatisation et faible sensibilité aux blocages, production de crayons non contaminés, ...) peut conduire à des options technologiques particulières pour les opérations en amont comme pour les opérations de chargement proprement dites. Citons par exemple la maîtrise de l'empoussièrement des pastilles avant chargement : par rectification humide ou sèche, par dépoussiérage des pastilles par voie mécanique ou par laser, par limitation de la fraction de rebuts recyclés, par manipulation douce des pastilles, lesquels contribuent à atténuer la fréquence des blocages et facilitent la maîtrise de la contamination des crayons.
Divers dispositifs et méthodes existant en rapport avec le domaine de la présente invention sont cités dans les documents repris ci-après :
- utilisation d'un dispositif/procédé de centrage pour l'introduction des pastilles dans la gaine, en l'absence de dispositifs particuliers de confinement (du type boîte à gants) :
- centrage fixe et de forme cylindrique/tronconique (US 4 980 119, US 4 748 798, US 5 251 244),
- centrage triple (un fixe + deux intermédiaires) et de révolution (US 3 940 908),
- centrage fixe en forme de V (US 3 907 123), - centrage fixe à section polygonale ou carrée (US 4 942 014),
- utilisation d'un dispositif/procédé de centrage pour l'introduction des pastilles dans la gaine, monté dans une enceinte de confinement (du type boîte à gants) :
- centrage fixe tronconique monté au centre de l'enceinte (US 3 925 965,)
- centrage monté en limite des deux zones active et inactive de l'enceinte de confinement, la zone active étant réservée au chargement des pastilles (WO
98/26428).
On notera que les dispositifs et méthodes connus des inventeurs et mentionnés ci-dessus ne répondent pas aux objectifs énoncés ci-dessus :
- soit que ces dispositifs sont sensibles aux poussières et éclats amenés par les pastilles en colonnes et/ou à ceux générés spécifiquement lors de l'opération de chargement dans la gaine, cette sensibilité se traduisant par des blocages mécaniques, générateurs d'arrêts machine, d'interventions d'opérateurs en enceintes de confinement, de risques de contamination des opérateurs, des ateliers et même parfois des compartiments des enceintes, qui devraient rester faiblement ou non contaminés, soit que ces dispositifs de chargement des pastilles ne permettent pas de fabriquer des crayons à base de plutonium conformes à leur spécification de non contamination, lorsque la teneur en plutonium des pastilles et l'activité alpha du plutonium sont importantes, même au prix d'une opération supplémentaire de décontamination liquide, soit que ces dispositifs ne contribuent pas à piéger les éclats et ce faisant contribuent à augmenter la fréquence des crayons rebutés pour espaces excessifs entre pastilles successives.
Présentation de l'invention
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients cités ci- dessus et d'autres connus de l'homme de métier, et propose à cet effet une méthode qui influence favorablement les opérations de fabrication de crayons ainsi que la qualité des produits fabriqués en organisant notamment un guidage particulier des pastilles jusque dans la gaine sans que celles-ci ne puissent toucher l'extrémité ouverte de la gaine et avantageusement sans solliciter inutilement mécaniquement lesdites pastilles.
A cet effet, suivant l'invention, on effectue : - un rattrapage des décentrements entre un support et l'extrémité ouverte de la gaine, et un alignement de l'axe des pastilles avec l'axe de la gaine, à l'aide d'un canal dont le fond a un profil en V en rampe continue et en intersection avec une sortie cylindrique au diamètre des pastilles, un centrage de la gaine dans une chambre centrée sur la partie cylindrique du canal,
- un masquage de l'extrémité ouverte de la gaine à la pastille en cours de chargement,
- un piégeage et/ou une collecte et/ou un refoulement des poussières et éclats, via les sections libres entre pastilles et parois du canal, par dépôt gravitaire et optionnellement par soufflage et/ou aspiration complémentaire.
Ces dispositions de l'invention résolvent avantageusement simultanément les problèmes de coincement des pastilles lors de leur chargement dans la gaine, et les problèmes d'introduction d'éclats dans cette même gaine et de formation de jeux entre pastilles inacceptables pour le crayon fini. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le chargement des pastilles dans la gaine est assuré en colonnes qui y sont introduites successivement, de façon à ce que la dernière pastille de chaque colonne soit enfoncée dans la gaine à une profondeur au moins égale à la longueur de la colonne suivante à charger dans la même gaine.
Cette disposition est avantageuse du fait que, jusqu'à ce qu'elle soit entièrement dans la gaine, chaque colonne ne subit qu'un effort modéré et que celui-ci n'augmente significativement lorsque ladite colonne entre en contact avec la(les) précédente(s), que lorsqu'elle est déjà à l'intérieur de la gaine et de ce fait bien guidée. Cette disposition, comme les deux suivantes, contribue à mettre en oeuvre des efforts réduits sur les pastilles : limitation des efforts de poussée lors du chargement,
- chargement des pastilles dans une gaine sous vide ou sous hélium.
La présente invention concerne aussi un dispositif de présentation, centrage et alignement des pastilles lors du chargement dans la gaine, en particulier pour la mise en œuvre de la méthode suivant l'invention. Suivant l'invention, le dispositif : est constitué d'une pièce métallique fixe traversée d'un canal dont les dimensions de l'entrée sont choisies pour accepter un décentrement des pastilles vis-à-vis de l'axe de la gaine et dont le fond a un profil en V en rampe continue et en intersection avec une sortie cylindrique au diamètre des pastilles, et pourvue d'une chambre cylindrique au diamètre de la gaine et centrée sur la sortie cylindrique du canal, présente des dimensions et tolérances adaptées aux dimensions desdites pastilles et gaine, et telles que le diamètre de la partie cylindrique du canal est inférieur au diamètre intérieur de la gaine, aux fins de masquer l'extrémité de la gaine aux pastilles, et présente facultativement des dégagements longitudinaux et/ou transversaux et des ajutages pour souffler un gaz dans un sens inverse au sens du chargement et/ou aspirer les poussières et éclats.
Avantages
Parmi d'autres avantages procurés par l'invention, on citera les :
- chargement de tout type de combustible nucléaire sous forme de pastilles, même à jeu gaine/pastilles serré et en particulier le chargement de pastilles à haute teneur en plutonium,
- différentes possibilités de mise en œuvre : depuis des processus complètement manuels jusqu'à des processus complètement automatiques, - chargement de pastilles empoussiérées sans précaution particulière,
- absence d'incrustation de la contamination dans et aux environs immédiats de la face d'extrémité ouverte de la gaine,
- limitation de la contamination lors des opérations de chargement de pastilles contaminées, en particulier de pastilles MOX, conduisant à limiter les opérations sur les crayons aux seuls nettoyage par frottement de la zone d'extrémité ouverte du crayon et mesure de non contamination transférable en sortie par frottis mécanique,
- absence de dégâts aux pastilles par la limitation et le contrôle de l'effort de chargement, - absence de crayons rebutés par suite de présence d'écarts inter-pastilles inacceptables, d'inclusions dans la soudure circonférentielle entre bouchon et gaine, d'une contamination hors spécifications, ...
- production limitée d'effluents et économie générale d'exploitation.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des autres revendications et de la description des dessins schématiques, à échelles non déterminées, qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, la méthode et des formes de réalisation particulières du dispositif suivant l'invention.
Description des figures
La figure 1 montre en coupe axiale une forme de réalisation d'un crayon de combustible dont la gaine peut être chargée de pastilles en mettant en oeuvre de l'invention.
La figure 2A montre dans une vue en perspective une forme de réalisation d'un dispositif de chargement de crayons de combustible de l'invention.
La figure 2B montre des exemples de réalisation de dégagements longitudinaux et transversaux et d'ajutages de gaz G.
Les figures 3A à 3F montrent dans une vue en plan les différentes étapes d'une séquence de chargement des colonnes successives de pastilles dans la gaine, pour la mise en oeuvre de l'invention. La figure 3A montre de plus un dispositif de limitation des efforts de poussée.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Description de l'invention
Un crayon 1 (figure 1) concerné par l'invention, peut comporter, comme déjà mentionné et comme cela est connu, une gaine 2 bouchée à une extrémité par un premier bouchon 3 et à l'autre extrémité par un second bouchon 4. Entre ces bouchons 3 et 4 peuvent être enfermés dans la gaine 2 des pastilles 6, un ressort 7 et des composants structuraux, comme un ou des éléments intercalaires 5.
Le dispositif et la méthode de chargement de pastilles 6 dans une gaine 2 précitée, objet de l'invention, sont expliqués conjointement dans la présente description du fait de leur imbrication réciproque complète. La méthode de l'invention consiste, dans une gaine 2 munie préalablement d'un premier bouchon 3 à une de ses deux extrémités, à (figures 2) : - présenter, centrer et aligner les pastilles 6 en colonnes 12 à l'extrémité ouverte 34 de la gaine 2, en position et en orientation afin d'éviter des coincements mécaniques, - éliminer de la colonne 12 de pastilles 6 les poussières et éclats amenés par et/ou adhérant aux pastilles chargées, et/ou générés par les opérations de présentation, centrage et alignement.
Suivant l'invention, on effectue (figures 2 et 3) un rattrapage de décentrements entre le support 38 et l'extrémité ouverte 34 de la gaine 2 et un alignement de l'axe des pastilles 6 avec l'axe de la gaine 2. A cet effet, on guide les pastilles 6, en vue de leur alignement et centrage, à l'aide d'un canal 42 dont le fond a un profil en V en rampe continue (T + U) et en intersection avec une sortie cylindrique (Y) 48 au diamètre des pastilles 6, comme décrit en détail ci-après. On centre la gaine 2 dans une chambre (Z) 49 axée sur la partie cylindrique (Y) 48 dudit canal 42. Simultanément, on masque l'extrémité ouverte 34 de la gaine 2 à chaque pastille 6 en cours de chargement, afin d'éviter la contamination massive de la partie de la gaine 2 proche de son extrémité ouverte 34 et des interférences et blocages mécaniques supplémentaires. Ce masquage évite également que se produise une incrustation de contamination sur la face d'extrémité ouverte 34. On piège et/ou collecte et/ou refoule des aérosols, poussières et éclats, via des sections libres entre pastilles 6 et parois du canal 42 et/ou des dégagements, par dépôt gravitaire et optionnellement par soufflage et/ou aspiration complémentaire. Ces poussières et éclats qui sont soit amenés par lesdites pastilles 6 en cours de chargement, soit produits au cours de l'opération de chargement elle-même pourraient sinon conduire à un coincement des pastilles 6 lors de leur introduction dans la gaine 2 ou à des crayons rebutés, en cas de leur introduction dans la gaine.
Comme le montrent les figures 3B, 3E, les pastilles 6 d'une colonne 12 sont avantageusement enfoncées dans la gaine 2 jusqu'à une profondeur d'introduction de la dernière pastille 6 de cette colonne 12 dans la gaine 2, au moins égale à la longueur de la colonne 12 suivante à charger dans la même gaine 2. Ainsi, la figure 3B montre la colonne 12a dans sa position enfoncée, laissant un espace libre pour recevoir la colonne 12b suivant les figures 3D, 3E. Comme indiqué plus haut, jusqu'à sa complète introduction dans la gaine, l'effort de poussée sur une colonne est limité au seul effort de poussée de celle-ci.
Le chargement desdites pastilles 6 en colonnes 12 successives dans ladite gaine 2 est effectué de préférence en limitant les efforts maximaux de poussée sur les colonnes 12 lors dudit chargement, en fonction de la profondeur d'introduction et de l'ordre N (N allant de "a" à "e" à titre d'exemple dans les figures 3) de la colonne 12 en cours de chargement dans une même gaine 2. Ainsi, on règle la poussée de façon à ce qu'elle soit d'un certain niveau maximal unique pour amener les colonnes successives 12a-e jusque dans la gaine 2 (figure 3D); on règle encore la poussée pour déplacer le train de colonnes à un autre niveau maximal variable en fonction du nombre de colonnes déjà chargées. Le chargement des pastilles dans une gaine 2 sous vide au départ d'une enceinte elle-même sous vide réduit notablement les efforts mis en oeuvre, ainsi que la contamination générée par l'expulsion d'un éventuel gaz contenu dans la gaine par les pastilles qui y sont chargées. Ce chargement sous vide permet également d'éviter de devoir tirer ultérieurement un vide dans ou de devoir rincer la gaine 2 chargée de pastilles 6, aux fins de remplacer le gaz présent par un gaz inerte, lors des opérations d'emmanchement du bouchon 4 et de soudage.
Le chargement direct sous hélium procure des avantages comparables en raison notamment de sa faible viscosité dynamique.
Ces dispositions permettent de limiter les efforts appliqués aux pastilles 6 et d'éviter de les endommager.
Le dispositif de l'invention, pour les présentation, centrage et alignement de pastilles 6 en vue de leur chargement dans une gaine 2 est destiné en particulier à la mise en œuvre de la méthode de l'invention, décrite ci-dessus. Ce dispositif, dit de chargement, comporte un élément de guidage fixe
14 constitué d'une pièce métallique qui est traversée par un canal 42 dont les dimensions de l'extrémité d'entrée (T) 44 sont choisies pour accepter un décentrage des pastilles 6 vis-à-vis de l'axe de la gaine 2 et dont le fond a un profil en V en rampe continue (T + U) et en intersection avec une sortie cylindrique (Y) 48 au diamètre des pastilles 6, et qui est pourvue d'une chambre cylindrique (Z) 49 au diamètre extérieur de la gaine 2 qui y est introduite pour être positionnée et centrée par cela par rapport à la sortie cylindrique (Y) 48 du canal 42. Cet élément de guidage 14 présente des dimensions et tolérances adaptées aux dimensions desdites pastilles 6 et gaine 2, et telles que le diamètre de la partie cylindrique (Y) 48 du canal 42 soit inférieur au diamètre intérieur de la gaine 2, aux fins de masquer la face transversale de l'extrémité de la gaine 2 aux pastilles 6. Cet élément de guidage 14 peut de plus présenter des dégagements longitudinaux et/ou transversaux et des ajutages G pour souffler un gaz dans un sens inverse au sens du chargement et/ou aspirer les poussières et éclats.
Pour les amener à l'élément de guidage 14, les pastilles 6 sont le plus souvent présentées en colonnes 12 sur un V fixe ou sur un plateau 38 rainure en V et déplaçable transversalement par rapport à la gaine 2, comme représenté aux figures 3.
En général, le profil en V du canal 42 présente successivement une entrée carrée sur pointe (T) 44 et un tronçon à section carrée sur pointe (U) 46 et en réduction continue en section transversale. L'entrée carrée sur pointe 44 autorise des jeux latéraux et verticaux importants aux pastilles (jusqu'à 1 à 2 mm) aux fins d'accepter des désalignements d'origines multiples (par exemple, désalignements vertical et horizontal des V du plateau rainure 38 présentant les colonnes 12 de pastilles).
Le tronçon de section carrée sur pointe (U) 46 présente en section transversale des dimensions continûment décroissantes afin de centrer et d'aligner progressivement les pastilles 6 par rapport à la gaine 2. Diverses lois de réduction peuvent être réalisées avec les machines à commande numérique modernes, par exemple depuis une réduction linéaire conduisant à un tronc de pyramide, jusqu'à une réduction non linéaire, par exemple quadratique telle que représentée aux figures 2, permettant de rattraper des désalignements importants sur de courtes longueurs grâce aux changements de pente d'une trajectoire courbe.
La sortie cylindrique (Y) 48 a un diamètre DY légèrement plus grand que le diamètre Dp des pastilles 6 (par exemple DY = Dp max + 0,02 mm). La chambre cylindrique (Z) 49 a un diamètre DZ légèrement plus grand que le diamètre Dg de la gaine 2 (DZnom = Dg max + 0,01 mm, par exemple). Les sortie cylindrique (Y) 48 et chambre cylindrique (Z) 49 ont une tolérance diamétrale de -0 / +0,01 mm et une concentricité réciproque suffisante (par exemple meilleure que 0,01mm), en fonction des jeux disponibles entre pastilles 6 et gaine 2. Des rainures ou dégagements longitudinaux et/ou transversaux peuvent encore être usinés dans la pièce 14 pour contribuer au piégeage des poussières et éclats.
Les changements de direction des pastilles 6, depuis la table d'alimentation 38 jusqu'à la sortie cylindrique (Y) 48 de l'élément de guidage 14, provoquent de légers décalages entre les pastilles 6, ce qui permet à des éclats éventuels de quitter la colonne 12 de pastilles et de tomber au fond du canal en V (T +
U) 42.
Le dispositif de l'invention peut encore comprendre (figures 3), pour le chargement susdit des pastilles 6, un moyen d'entraînement 50 de celles-ci, comportant un poussoir 53 long et à entraînement sensitif, à déplacement axial provoqué par un jeu de galets 56 équipés d'un limiteur d'effort 54 à faible inertie et entraînés par un moteur 52 dont l'effort est limité en fonction de la profondeur d'introduction et de l'ordre N de la colonne 12 de pastilles en cours de chargement dans une même gaine 2. Le poussoir 53 lui-même consiste en une tige creuse 53 de faible masse et de longueur adaptée pour que la profondeur d'introduction de la dernière pastille 6 d'une colonne 12 chargée dans la gaine 2 soit au moins égale à la longueur de la colonne 12 suivante à charger dans la même gaine 2.
Lors du chargement des colonnes 12 de pastilles, il importe en effet de limiter les efforts à mettre en oeuvre dans le but de
- éviter les efforts transversaux des pastilles 6 sur les parois de l'élément de guidage 14 et accessoirement sur la paroi interne de la gaine 2. Les pastilles 6 d'une colonne sous pression axiale ont tendance à se désaligner en fonction du manque de perpendicularité de leurs faces radiales et des jeux disponibles dans l'élément de guidage 14 et la gaine 6. Ces efforts sont préjudiciables lorsque les pastilles 6 franchissent les transitions mécaniques successives (du plateau rainure 38 dans l'élément de guidage 14, de l'élément de guidage 14 dans la gaine 2) et augmentent les forces réactives de frottement, - éviter la production d'éclats et poussières supplémentaires au cours du chargement, par excès de pression locale sur les arêtes des pastilles 6 en contact par leurs faces d'extrémité.
Pour limiter l'effort susdit de chargement, trois méthodes peuvent être utilisées séparément ou en combinaison : - charger les pastilles 6 sous vide ou sous un gaz à faible viscosité dynamique (par exemple de l'hélium) afin de limiter la contre-pression dans la gaine 2 lors de l'enfoncement des colonnes 12 de pastilles. Notons que le volume libre entre la première pastille 6 introduite et l'extrémité fermée de la gaine 2 diminue progressivement avec le chargement des pastilles 6 et peut être annulé en fin de chargement dans certains dessins de crayons. De plus, dans le cas d'un chargement sous gaz, la perte de charge du gaz qui s'évacue au travers du jeu entre les pastilles 6 et la gaine 2 augmente dans le même temps avec l'allongement de la colonne totale des pastilles 6 introduites. Ces deux effets, volume libre décroissant et perte de charge croissante, ont par exemple pour conséquence que, pour une même vitesse de chargement, la contre-pression augmente significativement en fin de chargement des pastilles 6 dans ladite gaine 2,
- enfoncer les colonnes de pastilles 6 en cours de chargement (figures 3) dans la gaine 2, d'une profondeur libre au moins égale à la longueur des colonnes élémentaires 12 (figure 3B). De la sorte, la première pastille d'une colonne N, lors de son chargement dans la gaine, n'entre en contact avec la dernière pastille de la colonne (N-1 ) (figure 3D) déjà chargée et ne pousse le train des (N-1 ) colonnes déjà chargées, que lorsque la dernière pastille de la colonne N est déjà à l'intérieur de la gaine (figure 3E). De ce fait, les efforts transversaux développés par les pastilles 6 sur la gaine 2 sont minimisés et d'un préjudice limité du fait de l'excellent guidage mécanique procuré par la gaine 2,
- utiliser un dispositif de poussée des pastilles à entraînement sensitif, à savoir qui vise à limiter de manière générale les efforts que peut développer celui-ci sur la colonne 12 de pastilles aux seuls efforts nécessaires. Comme expliqué plus haut, ces efforts requis augmentent suivant que l'on pousse une colonne isolément ou un train de colonnes et augmentent au fur et à mesure qu'un plus grand nombre de colonnes élémentaires constituent le train de pastilles chargées. Ces efforts sont par exemple limités électroniquement par contrôle de l'alimentation électrique de moteur 52 à courant continu ou servomoteur, en fonction de l'ordre N de la colonne chargée et de la profondeur d'enfoncement du poussoir. Enfin, compte tenu que les vitesses de chargement industrielle sont importantes, les effets d'inertie sont limités en utilisant un poussoir de pastilles 53 à tige creuse et un limiteur de couple à glissement à poudre magnétique 54. En général, les éléments structuraux, autres que le ressort de maintien 7 et le second bouchon d'extrémité 4 et tels que pastilles d'isolation, pastilles de couverture, « getters », éléments intercalaires, entretoises,... sont chargés en même temps que les pastilles de combustible, à l'aide des mêmes méthode et dispositif de l'invention. La réduction de la vitesse de poussée du train de colonnes de pastilles peut être avantageusement réalisée pour la ou les dernières colonnes chargées.
On notera encore que le dispositif de chargement de l'invention peut être utilisé pour l'introduction directe des pastilles dans la gaine, comme pour le centrage et l'alignement de celles-ci dans tout dispositif intermédiaire prévu avant la gaine.
Mode de réalisation
On trouvera ci-après un mode de réalisation mis en oeuvre par l'inventeur : - chargement de pastilles MOX pour réacteurs à eau légère de diamètres divers (7 - 12 mm), contenant des rebuts de fabrication et rectifiées à sec, disposées sur un plateau rainure déplacé transversalement pas à pas, en colonnes de 450 mm et à des vitesses d'introduction de 100 - 150 mm/sec, dispositif de chargement installé en boîte à gants sous hélium, - dispositif de centrage avec canal de forme pyramidale tronquée disposé sur pointe et à sortie cylindrique, divers ajutages de soufflage de refoulement des aérosols et poussières, dispositif de poussée long et sensitif.
Les inventeurs ont développé des - et ont déposé par ailleurs une demande de brevet PCT pour des - « Méthode et dispositif de fabrication de crayons de combustible MOX non contaminés » au nom de la même déposante; ces méthode et dispositif permettent des vitesses de chargement industrielles (> 100 - 150 mm/sec) compatibles avec des usines de grande capacité; ces méthode et dispositif permettent de produire industriellement des crayons de combustible MOX non contaminés.
Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux modes et formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sortir du cadre des revendications.
L'invention est en particulier applicable à la fabrication de combustibles à base d'oxyde d'uranium, avec ou sans poison consommable, ainsi qu'à de nouveaux types de combustibles nucléaires à base d'actinides autres que l'uranium (nitrures ou carbures d'uranium/plutonium, combustibles sans matière fertile destinés à des réacteurs incinérateurs ou transmetteurs d'actinides, MOX à base de thorium/plutonium, MOX avec poison consommable ou non,...).

Claims

Revendications
1. Méthode de chargement des pastilles (6) de combustible nucléaire en colonnes (12) successives dans une gaine (2) munie préalablement d'un premier bouchon (3) à une de ses deux extrémités, comportant les opérations associées suivantes : présenter, centrer et aligner les pastilles (6) d'une colonne (12) au départ d'un support (38) jusqu'à l'extrémité ouverte (34) de la gaine (2), et caractérisée en ce que, pour le chargement des pastilles (6) on effectue : un rattrapage des décentrements entre le support (38) et l'extrémité ouverte (34) de la gaine (2) et un alignement de l'axe des pastilles (6) avec l'axe de la gaine (2), à l'aide d'un canal (42) dont le fond a un profil en V en rampe continue et en intersection avec une sortie cylindrique (48) au diamètre des pastilles (6),
- un centrage de la gaine (2) dans une chambre (49) centrée sur la sortie cylindrique (48) du canal (42),
- un masquage de l'extrémité ouverte (34) de la gaine (2) à la pastille (6) en cours de chargement, un piégeage et/ou une collecte et/ou un refoulement des poussières et éclats amenés par et/ou adhérant aux pastilles (6) chargées, et/ou générés par les opérations de présentation, centrage et alignement, via les sections libres entre pastilles (6) et parois du canal (42) et/ou via des dégagements, par dépôt gravitaire et optionnellement par soufflage et/ou aspiration complémentaire(s).
2. Méthode suivant la revendication 1 , caractérisée par un chargement des pastilles (6) d'une colonne (12) dans la gaine (2), jusqu'à une profondeur d'introduction de la dernière pastille (6) dans la gaine (2) au moins égale à la longueur de la colonne (12) suivante à charger dans la même gaine (2).
3. Méthode suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le chargement desdites pastilles (6) en colonnes (12) successives dans ladite gaine (2) est effectué en limitant les efforts maximaux de poussée lors du chargement, en fonction de la profondeur d'introduction et de l'ordre (N) de la colonne (12) en cours de chargement dans la même gaine (2).
4. Méthode suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le chargement des pastilles (6) a lieu soit sous vide dans une gaine (2) elle-même sous vide, soit sous hélium, dans une gaine (2) elle-même remplie d'hélium.
5. Dispositif de chargement de pastilles (6) dans une gaine (2), en particulier pour la mise en œuvre de la méthode suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, pour une présentation, un centrage et un alignement des pastilles (6) à l'entrée de la gaine (2), un élément d'introduction fixe (14) constitué d'une pièce métallique (14) traversée d'un canal (42) dont les dimensions de l'entrée (44) sont choisies pour accepter un décentrage des pastilles (6) vis-à-vis de l'axe de la gaine (2) et dont le fond a un profil en V en rampe continue et en intersection avec une sortie cylindrique (48) au diamètre des pastilles (6), et pourvue d'une chambre cylindrique (49) au diamètre de la gaine (2) et centrée sur la sortie cylindrique (48) du canal (42),
- présente des dimensions et tolérances adaptées aux dimensions desdites pastilles (6) et gaine (2), et telles que le diamètre de la partie cylindrique (48) du canal (42) est inférieur au diamètre intérieur de la gaine (2), aux fins de masquer l'extrémité (34) de la gaine (2) aux pastilles (6),
- présente facultativement des dégagements longitudinaux et/ou transversaux de piégeage et/ou des ajutages pour souffler un gaz dans un sens inverse au sens du chargement et/ou aspirer les poussières et éclats.
6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend, pour le chargement susdit des pastilles (6), un poussoir (53) long et à entraînement sensitif, comportant :
- d'une part un entraînement axial par un jeu de galets (56) équipés d'un limiteur d'effort (54) à faible inertie et entraînés par un moteur (52) dont l'effort est limité en fonction de la profondeur d'introduction et de l'ordre (N) de la colonne (12) de pastilles (6) en cours de chargement dans une même gaine (2), et d'autre part une tige creuse (53) de faible masse et de longueur adaptée, pour que la profondeur d'introduction de la dernière pastille (6) d'une colonne (12) chargée dans la gaine (2) soit au moins égale à la longueur de la colonne (12) suivante à charger dans la même gaine (2).
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