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COMMISSARIAT 1 L'ENERGIE I.fCI#QUE
Dans les réacteurs atomiques hétérogènes, le combustible est fractionné, par exemple soua forme de barreaux et est disposé à l'intérieur d'une gaine qui isole le combustible du fluide de refroidissement parcourant les cana= du modérateur dans lequel il est placé et qui assure la tenue méca- nique de l'ensemble.
Le dégainage des éléments combustibles pose des problèmes fif- ficiles et délicats. On doit réaliser des appareils de dégainages qui utilisent généralement soit le dégainage mécanique en effectuant la séparation du matériau de gainage (en principe un métal) soit le dégainage chimique en procédant à l'attaque chimique de la gaine.
Du fait du volume occupé par le matériau de dégainage, il faut en prévoir le stockage. Suivant le mode de dégainage utilisé on aura à stocker le métal (dégainage mécanique), ou sa solution (dégainage chimique).
Il y a intérêt à ce que le dégainage, qui doit par ailleurs s'effectuer en toute sécurité, présente les qualités suivantes :
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a) il doit être fait rapidement ; b) les manoeuvres doivent être aisées ; c) le matériau de gainage après opération doit être sous une fome telle qu'il puisse être stocké sous le volume minimum.
La présente invention, due aux travaux de M. Jacques-André STOHR a pour objet une néthode et un appareillage pour le dégainage en continu ou semi-continu des éléments combustibles de réacteurs atoniques par sublimation sous vide du métal de la gaine qui répondent à ces exigences.
Cette méthode est essentiellement caractérisée en ce que le mé- tal de la gaine est successivement soumis à une sublimation s'effectuant dans la zone chaude d'une enceinte sous vide où les conditions de pression et de température sont telles que la subi') nation s'y effectue avec une vitesse ma- ximum, et à une condensation l'amenant à l'état solide dans une zone froide de la même enceinte d'où il est éliminé en continu ou semi-continu, l'alimen- tation des élénents combustibles gainés et l'élimination des éléments conbus- tibles dégainés étant semi-continues.
Le dispositif pour la nise en oeuvre de cette néthode est carac- térisé par les points suivants pris séparénent ou en combinaison @ 1. la zona chaude de l'enceinte est constituée par un dispositif de chauffage électrique, utilisant par exemple l'effet Joule ou l'induction haute fré- quence, à l'intérieur duquel est disposé l'élément combustible à dégainer.
2. la zone froide sur laquelle se dépose le nétal de la gaine est constituée par la surface d'un condenseur refroidi, par exemple, par une circulation d'eau.
3. le condenseur peut effectuer un mouvement de rotation ce qui permet de dé- tacher'de sa surface le nétal déposé, par exemple, au noyen d'un organe ra- cleur fixe.
4. un système est prévu pour l'élimination du nétal recueilli dans la zone froide ainsi que pour l'alinentation de l'appareil en combustible à dégai- . ner et le retrait du conbustible dégainé, de façon à conserver au cours de
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ces opérations le vide existant dans l'enceinte et à travailler en continu si on le désire.
5. le vide qu'il est nécessaire de réaliser dans l'enceinte pour avoir une sublimation suffisamment importante est obtenu au noyen d'une pompe pri- maire puis d'une pompe permettant un vide plus poussé, par exemple une por- pe à diffusion.
Le métal de gainage peut être un métal pur ou un alliage.
Dans le caa d'un métal pur où les pressions Pt et température Ttdu point triple sont bien définies, on doit travaillor dans la zone chaude de préférence au voisinage du point triple, à une température Ts légèrement inférieure à celle du point triple.
Soit Ps la pression du point de la courbe de sublimation défi- nissant l'état d'équilibre du solide et de sa vapeur à la température Ts La vitesse de sublimation du métal à la température Tss dépend : a. do la pression do sublimation Ps à l'équilibre ; b. de la chaleur de sublimation du nétal ; c. de la conductibilité du métal ; d. du vide existant dans l'enceinte.
En particulier la vitesse de sublimation croit avec la pression de sublimation Ps donc avec Ts du fait de l'allure de la courbe de sublimation. On travaillera donc à la température la plus proche du point triple,sans dépasser colle-ci,pour empêcher l'apparition d'une phase liquide.
Dans le cas où le métal de gainage est du magnésium par, la variation de la vitesse W de sublimation en fonction de la température Ts de la zone chaude est illustrée par le tableau suivant :
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T en ce w en E/Cd2/sec
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<tb> 440 <SEP> 1,ce <SEP> , <SEP> 10-4
<tb>
<tb> 515 <SEP> 1,02 <SEP> . <SEP> 10-3
<tb> 605 <SEP> 9,71 <SEP> . <SEP> 10-3
<tb>
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D'autre part on travaillera à la plus basse pression possible inférieure à Ps, de manière à déplacer au maximum l'équilibre vers la formation de vapeur et à augmenter ainsi la vitesse de sublimation. Pour toute gaine de surface S et le poids p,si W est la vitesse de sublimation du notai de dégai- nage, le temps nécessaire à la disparition totale de la gaine est :
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en utilisant les unités suivantes : t:sec., p:g., S;cm2, W :g/cm2/sec.
Le chauffage de la gaine est rapide si l'on utilise un disposi- tif de chauffage par induction ; on ne peut toutefois pas être instantanément à la température de régime de sorte que le temps réel d'un dégainage isolé est supérieur au temps théorique calculé pour cette température. Cependant la su- blimation peut être notable à des températures nettement inférieures à la tem- pérature de régime de la zone chaude ce qui a pour effet de rapprocher le temps réel du temps calculé pour la température de régime. On peut utiliser tout mé- tal pour lequel une sublimation notable est possible aux température permises par la constitution de l'élément combustible.
Dans une application préférée de l'invention, on dégaine des éléments combustibles gainés avec du magnésium ou avec des alliages de magné- sium.
En se référant aux figures schématiques 1 et 2 ci-jointes, on va décrire ci-après un exemple, donné à titre non limitatif, de mise en oeuvre de la méthode et de l'appareillage pour le dégainage des éléments combustibles de réacteurs atomiques par sublimation sous vide, objet de l'invention.
Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de cet exemple devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
La Fig. 1 représente une vue d'ensemble de l'appareillage et la Fig. 2' une coupe simplifiée suivant le plan AA.
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Seuls ont été représentés sur ces figures, les éléments néces- saires à la compréhension de l'invention, les éléments correspondants des différentes figures portant des références identiques.
L'appareil se compose d'un bâti 1 sur lequel est disposé l'en- ceinte 2 de forme générale cylindrique. A la partie supérieure de l'enceinte se trouve le système de condensation et l'arrivée 3 de la conduite de vide principal.,Un tambour cylindrique fixe 4 d'axe vertical occupe la partie cen- trale de l'enceinte et porte le système de chauffage.. Le système d'élimination du métal dégainé est logé dans un évidement radial de ce tambour.
1. le système de chauffage est constitué par un ensemble de sept fours cylin- driques verticaux comprenant les sept tubes de quartz 5,6, 7,8, 9, 10 et 11 inclus dans la zone périphériq@e du tambour et ouverts aux deux ex- trémités et les résistances chauffantes,telles que 12 pour le four 5; dis- posées autour de ces tubes. Les tubes 5,6, 7,8, 9,10 et 11 délimitent les sept zones chaudes 13, 14, 15, 16, 17,18 et 19.
2. le système de condensation est nobile autour d'un axe qui est l'axe géomè- trique du tambour et comprend le condenseur 20 dont la surface inférieure qui est plane et circulaire constitue la zone froide de l'enceinte, la cir- culation d'eau avec les conduites d'arrivée 21, de départ 22 et le noteur d'entraînement 23.
3. le système d'alimentation en combustible à dégainer et d'extraction du com- bustible dégainé est essentiellement conatitué par un ensemble rotatif, me- bile, autour de l'axe géométrique du tambour. Cet ensemble comprend les or- ganes suivants : le disque 24 ayant pour axe géométrique l'axe de rotation de l'ensemble, la vanne à tiroir 25 et le tube de chargement 26 fixés sur le bord intérieur du disque 24, l'axe de rotation 27 et la levier de comman- de de rotation 28 avec sa poignée 29. Le tube de chargenent 26 est vertical et situé en-dessous de la vanne 25 de telle sorte qu'il y a communication entre l'enceinte 2 et la partie supérieure du tube de chargment 26 quand cette vanne est ouverte.
Le tube 26 est traversé pas une tige 30 pouvant cou- lisser dans le bouchon étancho 31 fermant l'extrémité inférieure du tube. Le tube 26 est de plus amovible par rapport au -5-
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reste de l'ensemble rotatif ce qui permet de charger ou de décharger l'élément combustible à son extrémité supérieure.
Le système d'alimentation en combustible à dégainer et d'ex- traction du combustible dégainé comprend en outre ; laponpe à vide auxi- liaire 32 qui est une pompe à palette et qui est reliée au tube de char- gement 26 par l'intemédiaire de la vanne 33 et de la conduite 34 permet- tant le mouvement de l'ensemble rotatif, les supports pour éléments conbus- tiblea 35, 36, 37, 38, 39, 40 et 41 qui sont respectivement affectés aux fours 5, 6, 7, 8, 9, 10 et 11 et qui peuvent chacun se trouver, indépen- damment les una des autres, en deux positions : la position principale où ils obturent l'orifice inférieur des fours et la position secondaire où ils dégagent complètement cet orifice.
4. le système d'élimination du nétal dégainé condensé comprend un outil- racleur 42 disposé face à la surface inférieure du condenseur 20, une trémie de recueil 43 et un sas d'évacuation 44.
5. le système de vide principal conprend la pompe prinaire 45 et la pompe à diffusion 46 et sur les conduites de vide les vannes 47,48, 49 et le clapet 50.
6. un voyant 51 est adapté sur les parois de l'enceinte au niveau de la sur- face de condensation.
L'appareil est employé pour le dégainage des éléoents conbus- tibles gainés avec le magnésium ou ses alliages et il fonctionne de la façon suivante :
La vanne 25 étant fermée, on met l'enceinte sous vide perna- la vitesse de chauffage/ nent grâce au système de vide principal. On net aussi en route/le Système de condensation et la pompe à vide auxiliaire 32, la vanne 33 étant ouverte.
On réalise ensuite l'opération de chargenent de chaque four de la façon suivante : on fait tourner l'ensemble rotatif de façon à amener le tube de chargenent 26 sous un four, par exemple le four 5, on ferme la vanne 33,puis, le tube de chargement 26 étant anovible, on libère son orifice
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supérieur 52 et on tire la tige 30 vers le bas ; on introduit sur colle-ci, à l'intérieur du tube de chargenent 26, l'élément combustible à dégainer ; onréadapte l'extrémité supérieure 52 du tube de chargenent 26 sur l'ensemble mo- bile, on ouvre la vanne 33 de façon à réaliser un vide prinaire à l'intérieur du tube de chargement 26.
On net le support 35 dans sa position secondaire ef- facée, on ouvre la vanne 25 et par le jeu de la tige 30 qui le porte, on intro- duit complètement l'élément combustible à dégainer dans le four 5. Le support 35 est renia dans sa position principale de façon à naintenir l'élément et per- met à la tige 30 de s'effacer et de revenir à sa position basse ; on enferme la vanne 25, on fait tourner l'ensemble rotatif de façon à mener le tube de chargement 26 sous le four suivant 6.
On répète cette opération pour chaque four.
Au cours de ces opérations, la sublimation dans les fours char- gés d'éléments combustibles à dégainer et la condensation du métal dégainé sur la surface froide du condenseur 20 se font de façon semi-continue. L'enlèvement du métal sur cette surface par l'outil racleur 42 ainsi que son écoulement dans la trémie de recueil 43 se font aussi de façon continue. Les copeaux de nétal sont extraits à intervalles réguliers du sas 44.
Après sept mouvements de 1'ensemble mobile dans le même sens on a effectué un tour complet et on retrouve le tube de chargement 26 sous le four 5. La durée totale de ces sept mouvements est telle que la sublination de la gaine de l'élément combustible du four 5 est terminée.
On effectuera ensuite, après chaque mouvement de l'ensenble me- bile, le déchargement de l'élément combustible dégainé et le chargement de l'é- lénent combustible à dégainer dans le four situé à ce moment en face du tube de chargenent en-opérant de la façon suivante :
On ouvre la vanne 25, on pousse la tige 30 au contact du support associé au four à décharger ; on ranéne alors ce support en position secondaire effacée, on tire la tige 30 vers le bas de façon à ramener l'élément conbustible dégainé dans le tube de chargement 26, on referme les vannes 25 et 33 ; onli-
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ber< l'orifice auperieur du tube de cJun-se#nt ;
on retire l'élécent cocbus- tible dégainé et on introduit un nouvel élément à dégainer ; on procède au chargement de cet élément corne il a été dit plus haut.
La durée d'un tour =plot de l'ensemble rotatif est choisie supérieure à la durée de aublimation d'un élément et elle doit être suffisante pour permettre le déchargement et la chargement de sept fours.
Avec cet appareil la durée de sublimation du métal est de l'or- dre de 1 à 5 minutes 811'on travaille à une teapérature de l'ordre de 600 C.