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"STRUCTURE D'ELEMENTS COMBUSTIBLES POUR REACTEURS ATOMIQUES
Dans les réacteurs atomiques hétérogènes, le combustible se présente en général sous forme de petits barreaux ou de petites barres enfermés dans une gaine qui assure la tenue mécanique de l'ensemble et isole le combustible du fluide de refroidissement.
Quand le combustible de ces réacteurs est l'uranium, on l'utilise souvent à l'état métallique. Uemploi dans de tels réacteurs, de combustibles moins conducteurs de la chaleur que l'uranium métallique, par exemple l'oxyde-d'uranium ou le carbure d'uranium, peut conduire à des gradients de température élevés et à des différences de température excessives au sein du combus- tible.
On satisfait couramment aux conditions mécaniques impesées à la gaine en augmentant son épaisseur, ce qui entraîne malheureuse- ment une absorption supplémentaire de neutrons, et nuit au transfert de chaleur.
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On fractionne parfois l'élément combustible en barres de petit diamètre assemblées en "grappes", ce qui permet l'homogé- néisation de la température au sein du combustible et une meil- leure rigidité de l'élément sans augmenter son épaisseur.
La présente invention, due aux travaux de MM. Jacques-
André STOHR et Maurice GAUTHRON, a pour objet une structure d'é- léments combustibles pour réacteurs atomiques.
Cette structure est essentiellement caractérisée par des éléments ayant l'aspect de plaques ou de cylindres creux et of- frant une répartition en surface du combustible disposé soit en îlots isolés, soit suivant un motif plus au moins continu pouvant résulter de l'association de blocs, barres ou plaquettes plus ou moins reliés entre eux, le combustible étant placé à l'intérieur d'une gaine métallique qui en épouse étroitement la forme, cette gaine étant constituée par deux nappes métalliques minces souvent préformées que l'on gaufre par déformation plastique sur le com- bustible et que l'on réunit sur leurs bords de façon étanche.
La déformation plastique des nappes métalliques (tôles) peut être obtenue par exemple par pression hydrostatique à chaud ou à froid suivant les valeurs des caractéristiques mécaniques du métal de la gaine aux différentes températures. Il sera utile pour cette opération de maintenir le combustible en place ; pourra par exemple utiliser un cadre conforme à la disposition du combustible ou réaliser un pointage de la tôle sur le combus- tible.
Quand le combustible n'est pas suffisamment résistant mécaniquement pour servir de mandrin; il y a intérêt à préformer les nappes métalliques.
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Dans ce cas,.cette préformation permettra, d'une part, de maintenir en place le combustible sans avoir recours aux mo- yens cités plus haut et, d'autre part, d'empêcher l'écrasement du combustible quand on réalisera la mise en forme définitive des nappes métalliques sur le combustible par déformation plas- tique.
Quand le combustible peut servir de mandrin, la déforma- tion plastique des nappes métalliques non préformées sur le com- bustible suffira à réaliser le gaufrage définitif sans modifier sensiblement la forme du combustible.
La pression qui a appliqué les nappes métalliques contre le combustible, a appliqué en même temps les deux nappes métal- liques l'une sur l'autre en des zones plus ou moins étendues correspondant aux vides du combustible entre les nappes métalli- ques. Ces zones seront réunies quand le combustible aura été dis- posé en flots isolés, elle seront plus ou moins reliées entre elles dans les autres cas.
Les nappes métalliques seront utilement maintenues entre elles dans ces zones par des pointa de soudure.
Les bords des nappes métalliques sont réunis sur tout le pourtour de l'élément de façon étanche, ce qui peut être obtenu par sertissage ou soudure.
La structure d'éléments combustibles, objet de l'inven- tion, est de réalisation simple et permet d'obtenir à partir d'une t8le initialement lisse des formes finales très variées qui donnent à l'élément une tenue mécanique supérieure, à épais- seur de gaine égale, à celle du même élément s'il était lisse.
On peut donc diminuer l'épaisseur de la gaine.tout en conservant la tenue mécanique que l'on aurait avec une gaine lisse; ainsi l'absorption des neutrons par la gaine est diminuée et le transfert de chaleur amélioré.
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Certaines corrugations qui naissent lors de la déforma- tion plastique des nappes métalliques augmentent encore la surface de celles-ci, ce qui améliore le contact avec le fluide refroidis-' seur.
Par rapport aux éléments à gaine lisse, le transfert de chaleur se trouve amélioré globalement et en chacun des trois niveaux suivants : 1 ) au passage du combustible à la gaine parce que le combustible et le métal de la gaine présentent un très bon contact, consé- quence de la déformation plastique ayant appliqué la gaine sur le combustible, et parce que le rapport de la surface du com- bustible en contact avec le métal de la gaine au poids de com- bustible est augmenté; 2 à travers la gaine dont l'épaisseur qui est celle des tôles est faible;
3 ) au passage de la gaine au flvide refroidisseur, parce que le profil de la gaine crée au vosinage de celle-ci des remous dans le fluide refroidisseur ce qui renouvelle plus fréquem- ment le film fluide au contact de la gaine et parce que le rapport de la surface extérieure de la gaine au poids de com- bustible est augmenté.
Lorsque la répartition du combustible en surface est plane, on emploie des feuilles métalliques minces et l'élément à l'aspect d'une plaque. Cette répartition peut ne pas être plane et on peut réaliser des éléments combustibles dérivant des plaques par pliage de celles-ci suivant des zones dépourvues de combustible.
La surface suivant laquelle est réparti le combustible peut être de forme cylindrique; on emploie alors des tubes cylin- driques minces pour constituer les deux nappes dela gaine et l'élément alors obtenu a l'aspect d'un cylindre creux.
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La structure, suivant l'invention, est facile à manier et plus sûre qu'un assemblage mécanique de gaines élémentaires.
@ En se référant aux figures schématiques 1 à 6 ci-jointes, on va décrire ci-après divers exemplee, donnés à titre non limi- tatif de mise en oeuvre de la structure d'éléments combustibles pour réacteurs atomiques, cbjet de l'invention. Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemplaires devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien Pire utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
La Fig. 1 représente une vue en perspective cavalière d'un élément conforme à l'invention.
La Fig. 2 représente en agrandi une coupe suivant AA, de la Fig. 1, perpendiculaire au plan du même élément.
La Fig. 3 représente une vue en perspective cavalière d'un second élément conforme à l'invention.
La Fig. 4 représente une vue en perspective cavalière d'un troisième élément conforme à l'invention.
La Fig. 5 représente une coupe suivant le plan médian de ce dernier élément.
La Fig. 6 représente une vue en perspective d'un élément conforme à l'invention.
La Fig. 7 représente une coupe suivant BB de cet élément.
Seuls ont été représentés sur ces figures les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention, les éléments cor- respondants de ces différentes figures portant des nombres de référence identiques.
Sur les Fig. 1 et 2 on voit un élément combustible en forme de plaque; les zones telles que de la gaine 2 apparais- @ sant en relief correspondent aux îlots tels que 3 du combustible
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qui se trouve réparti régulièrement entre les deux tales 4 et 5 constituant la gaine métallique; les bords de ces tôles sont sou- dés de façon étanche ; lestôles sont maintenues entre elles par plusieurs points de soudure tels que 6.
La Fig. 3 montre un élément combustible en forme de plaque où la répartition du combustible est faite suivant des îlots lon- giiudinaux parallèles qui correspondent aux bandes parallèles telles que 7 apparaissant à la surface de la gaie 8. Celle-ci est constituée par deux t8les 9 et 10 soudées sur leurs bords et en plusieurs points tels que 11 de leur surface.
Sur les Fig. 4 et 5 on voit un élément en forme de plaque où le combustible est disposé en 12 suivant un motif en forme de ligne brisée. On retrouve ce motif sur la gains 13 dans les zones telles que 14 correspondant au combustible. Les deux tôles 15 et 16 constituant la gaine 13 sont assemblées de la même façon que celles des éléments décrits dans les Fig. 1, 2 et 3.
On reconnait sur les Figures 6 et 7 les flots de combus- tible tels que 17 auxquels correspondent sur la gaine 18 des zo- nes en relief telles que la zone 19 pour l'ilot 17.
La gaine 18 est constituée par les deux nappes métalliques minces 20 et 21 épousant le contour des îlots de combustible.
Ces nappes 20 et 21 sont au contact l'une de l'autre en des zones telles que 22 et sur leurs bords 23 et 24 réunis de façon étanche par soudure aux deux extrémités de l'élément.