Assemblage combustible pour réacteurs nucléaires refroidis au gaz
La présente invention se rapporte aux assemblages combustibles
pour réacteurs nucléaires, et plus particulièrement aux assemblages pour
réacteurs refroidis au gaz.
Dans son brevet principal la demanderesse a proposé un assemblage
qui est constitué de lits de particules sphériques, parcourus par un débit
vertical du réfrigérant et superposés de façon à former entre eux un espace
destiné à l'écoulement du gaz réfrigérant. Divers modes de réalisation
d'un tel assemblage ont été décrits. Il a été remarqué que pour certaines utilisations il peut être opportun de prévoir une structure spéciale des lits
de façon qu'ils puissent résister à des températures très élevées.
L'assemblage selon le présent perfectionnement est caractérisé en
ce que la partie sortie du réfrigérant d'un ou plusieurs lits est constituée d'une structure céramique. De préférence les autres parois de ces lits seront recouvertes d'une isolation thermique.
Un mode de mise en application d'un assemblage selon le présent perfectionnement est décrit ci-après, en se référant aux figures jointes
qui représentent :
- la figure 1 une coupe longitudinale montrant une partie du coeur'd'un assemblage du type de celui représenté à la figure 4 du brevet principal
- la figure 2 une coupe selon la ligne II - II de la figure 1
- la figure 3 un détail d'une forme de réalisation particulière suivant la figure 1. La figure 1 représente un lit, dont la disposition générale est similaire à celle représentée sur la figure 4 du brevet principal, sauf que le fluide réfrigérant parcourt le lit de haut en bas.
Une structure d'acier-1 constitue la partie supérieure et la paroi extérieure du lit. Un tube de céramique 2 constitue la paroi intérieure chaude, et une grille annulaire 3 en céramique forme la base du lit. Le réfrigérant pénètre par l'entrée annulaire 4, formée par les plaques d'acier annulaires 5 et 6, et passe dans le lit par les perforations 7 de la plaque 5. Il sort du lit par la grille de céramique 3 vers la sortie radiale annulaire 8, formée par la grille 3 et la plaque 9. Le gaz s'échappe par la sortie annulaire 10, en faisant un angle de 15-20[deg.] avec la direction verticale du réfrigérant dans le conduit central chaud 11.
La paroi d'acier 1 et la plaque 6 sont pourvues d'une isolation thermique 12 faite d'un matériau composé de fibre céramique. En cours de fabrication, ce matériau est légèrement fixé à sa place à l'aide d'une résine thermo-durcissable. Cette fibre céramique est fournie sous une forme qui rappelle le papier absorbant ; elle se compose d'alumine et de dioxyde de silicium en proportions à peu près égales, avec des traces d'autres céramiques.
Son point de fusion est 1750[deg.] C et il s'agit d'un produit bien connu dans l'industrie. La fibre fixée sur la plaque 6 est protégée de l'ércsion et
de la pénétration par le gaz par la plaque 9. Celle-ci serait épaisse
d'environ 0.4 mm et faite d'un métal réfractaire tel le niobium, cependant
l'on pourrait aussi bien employer une plaque de protection en céramique.
En service, la fibre fixée sur la plaque 1 est maintenue à sa place par le
lit de particules enrobées ; sa surface en contact avec les particules peut être renforcée, si nécessaire, par enduction d'un ciment réfractaire ou par vaporisation d'une céramique. Ces deux techniques sont bien connues dans l'industrie.
La plaque 9 est maintenue à sa place par son bord extérieur sous
la grille 3, et par son bord intérieur sous le tube 2. Elle peut être renforcée par des cannelures radiales embouties.
Dans certaines zones de la structure froide, on peut pratiquer dans les plaques 1 et 6 des perforations ou des fentes locales, de façon à permettre la diffusion de gaz froid vers l'acier et l'isolation céramique intérieure, pour améliorer le refroidissement de l'acier. On peut aussi pratiquer des fentes locales dans certaines zones critiques pour réduire, si nécessaire,
les tensions thermiques.
La grille 3 (Fig. 2) se compose d'un certain nombre de barreaux
de céramique 13. Ceux-ci sont de hauteur uniforme, mais présentent une extrémité 14 en forme de T. La largeur de chaque barreau varie légèrement de sorte que dans le plan horizontal ils ont la forme de trapèzes très allongés.
Des bossages 15 garnissent l'un des cotés de façon à créer l'espacement requis de 0.6 à 0.7 mm avec le barreau adjacent. La section en T à l'extrémité extérieure du barreau sert à le stabiliser en même temps qu'elle assure la localisation de cette extrémité. Les barreaux s'appuient à leur extrémité intérieure sur le rebord 16 du tube céramique 2.
Ce dessin particulier de la grille comporte les avantages suivants :
- les pièces peuvent être formées individuellement par moulage avant durcissage. Ceci fournit une structure bien homogène et de dimensions précises ; - il n'est pas nécessaire de pratiquer des perforations puisque l'espace pour l'écoulement du gaz est automatiquement formé par les bossages moulés, sauf pour les barreaux plus longs dans lesquels des fentes 19 sont formées ;
- chaque barreau est libre de se dilater indépendamment des autres, dans toutes les directions.
Ceci élimine dans la grille les contraintes globales qui, autrement, seraient engendrées par des points chauds locaux dans le gaz ;
- les barreaux étant simplement appuyés à leurs extrémités, la configuration des contraintes est simple et facile à calculer ;
- l'effort primaire se fait en flexion et les barreaux peuvent, si nécessaire, être individuellement soumis à un essai de charge en flexion pour l'assurance de qualité ;
- l'utilisation de barreaux indépendants rend superflu l'usinage précis du rebord 16 du tube 2. De même, il n'est pas nécessaire de préparer la surface de la plaque 9 sur laquelle s'appuient les extrémités extérieures des barreaux.
Chaque barreau prendra indépendamment un appui ferme, tout en partageant également avec les autres le poids du lit de combustible ;
- on évite le frottement entre le tube 2 et les barreaux 13, car ceux-ci peuvent pivoter individuellement autour de leur extrémité 14.
En cours d'assemblage, la-grille est formée en deux moitiés par collage provisoire des barreaux. Ces deux moitiés sont ensuite montées à leur place. Le tube 2 est tenu par les forces de pression, dirigées vers le bas, et par le poids des particules enrobées. Cette charge est reportée sur le tube par les barreaux 13 de la grille 3 prenant appui sur le rebord 16. Cette force assure le joint d'étanchéité entre la collerette 17 du bord supérieur du tube et le rebord 18 formé par les plaques d'acier 5 et 6. Ce joint peut être amélioré grâce à une céramique durcissable placée sous forme de mastic en cours de montage.
La face extérieure du tube 2, c'est-à-dire coté particules, de même que le rebord 18, peuvent recevoir par vaporisation une couche de céramique isolante - dioxyde de zirconium, par exemple - jusqu'à une épaisseur de 1 mm.
Ceci peut s'avérer nécessaire pour réduire le gradient axial de température dans le tube 2, et donc les contraintes qui en résultent ; de plus cela permettrait de minimiser la température de l'acier au rebord 18. Ce rebord 18 sera refroidi par le gaz pénétrant dans le lit et par les fuites de gaz entre le rebord 18 et la collerette 17.
Comme dans tout assemblage de combustible, il faut s'assurer qu'une surchauffe provoquant la fusion d'une partie, ou de l'entièreté, du combustible de l'assemblage, n'entraîne pas une situation semblable dans les assemblages adjacents et une propagation générale dans tout le coeur.
Dans le système proposé, ce principe de restriction d'un assemblage fondu à l'intérieur de ses limites géométriques propres, est respecté en concevant le tube céramique 2 de façon telle qu'il se désintègre à une tempé-
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carbure de silicium ne fond pas en dessous de quelque 2700[deg.] C. Au cas où
plus aucun refroidissement ne serait assuré dans le coeur, tous les assemblages de coeur fondraient, et le problème de propagation latérale n'existe pas. Ce problème ne se pose que dans le cas d'un défaut, ou d'un blocage de l'écoulement, dans un assemblage isolé, mais le reste du coeur sera toujours refroidi.
On peut alors montrer que, même si la température du gaz à la sortie
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effective des composants d'acier sera bien inférieure, grâce à l'écran constitué par l'isolation thermique en céramique entre le gaz chaud et le combustible d'une part, et le métal de l'autre, en plus de l'effet refroidissant de l'écoulement de gaz. Toutefois, le tube de céramique 2 atteindra la température des gaz chauds, puisque ses deux faces y sont exposées. C'est pourquoi la partie inférieure du tube 2, y compris le rebord 16, est détachable du reste, de façon à permettre au combustible surchauffé de s'échapper par le conduit central, avant que la structure d'acier n'ait pu atteindre des températures dangereuses.
Suivant une forme particulière de l'invention (Fig. 3), la partie inférieure du tube 2 est divisée en huit pièces 20, rattachées à la partie supérieure par des languettes verticales 21 à l'aide d'une soudure de silicium qui fond à 1400[deg.] C. Le joint vertical permet aux pièces 20 de tomber verticalement hors de leur logement, mais elles sont aussi libres de pivoter vers l'intérieur du fait que les joints verticaux peuvent former un petit angle
(par exemple de 20[deg.]) avec la direction radiale. On notera que la grille 3
est totalement flexible de sorte que la charge verticale appliquée fera pivoter les barreaux 13 autour de leur extrémité en T et que, lors de la fusion de la soudure de silicium, les pièces 20 seront ainsi détachées du tube 2.
Ceci permet aux particules surchauffées de s'échapper de la botte
et de tomber dans le conduit axial au centre de l'assemblage et, de là, hors
du coeur. Le tube 2 peut aussi être composé de 8 pièces indépendantes soudées ensemble.
Une plaque 22, faite de gaze métallique, est librement posée au dessus du lit de combustible. Le but est d'éviter que les particules ne s'échappent par les perforations relativement importantes pratiquées dans la plaque 5 ; de plus, cette gaze amortira toute vibration qui serait induite
dans la couche supérieure de particules par l'écoulement du gaz dans le conduit radial d'entrée 4.
Chaque tube 2 est muni de bossages 23, formés près du sommet (ou près du rebord 16), pour empêcher tout déplacement vertical d'un tube, ce qui pourrait bloquer le canal de sortie 10. Il y aura normalement un espace d'environ
1 mm entre les bossages et la surface voisine.
La méthode de construction du système de bottes consiste à monter d'abord tous les conduits d'entrée 4 sur un gabarit, en respectant les espacements verticaux voulus. Les tubes 2 seront ensuite placés, puis les deux moitiés de la grille 3. Le positionnement correct des pièces de céramique peut alors être vérifié, après quoi elles sont provisoirement fixées à leurs places par collage. La plaque extérieure 1 est ensuite soudée en position, puis le lit
est rempli de particules enrobées par un trou de remplissage pratiqué dans la paroi 1.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, et que bon nombre de variantes peuvent y etre apportées. Ainsi par exemple on peut encore réduire les pertes de charge hydrauliques en adaptant le tube 2 de telle manière que le réfrigérant sorte du lit parallèlement au conduit
central 11.
On peut également suspendre les tubes 2 en haut de l'assemblage et les rattacher l'un à l'autre par une connexion du type baïonnette, soit simplement empiler les tubes les uns sur les autres.
Revendications
1. Assemblage combustible pour réacteurs nucléaires refroidis au gaz, selon
le brevet principal, caractérisé en ce que la partie sortie du réfrigérant d'un ou plusieurs lits est constituée d'une structure céramique.