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I.R.D.I./D.M.E.C.N.
Meeting CEA-GKAE
Cadarache (France) 30 Jan - 6 Feb 1984 CEA-CONF—7174
COMMUNICATION N° 5
DEFORMATION DES TUBES HEXAGONAUX DE PHENIX
A. CHALONY - DPFER/SDEEC/SDC M. PELLETIER - DECPu/SLHA/LDAC
I - INTRODUCTION
Les elements combustibles soumis à l'irradiation dans un flux de neutrons rapides subissent des déformations qui modifient les caractéristi- ques initiales des différents c aposants entrant dans la définition de 1'as3emblage combustible.
Pour le tube hexagonal (TH), ces déformations se traduisent par une variation de la cote entre-plats, une augmentation de la longueur et une arcure du tube. Une limitation intervient pour chacune de ces grandeurs de manière à assurer en permanence en réacteur et hors réacteur la manu- tention de l'assemblage par les moyens normaux prévus sur l'installation.
Les déformations considérées - augmentations de la cote entre-plats, allongement et arcure - dépendent à la fois de la nature du matériau de TH, des caractéristiques géométriques, de la dose d'irradiation et des conditions de
/
fonctionnement (température, pression...).
Le présent document illustre quelques résultats de déformations obser- vées sur des tubes hexagonaux d'assemblages nourriciers irradiés dans le coeur
interne et dans le coeur externe de PHENIX.
La figure 1 représente une coupe schématique du coeur de PHENIX, met en évidence les limites des coeurs interne et externe et précise la position des barres de commande ainsi que -la division en 7 zones de dé'cits des 121 emplacements disposés sous le couvercle coeur du réacteur et surveillés par une mesure en conti- nu de la température sortie sodium.
La figure 2 montre le type de profils de déformations mesurées sur un assemblage ayant séjourné pendant environ UOO jours équivalents à la pleine puis- sance dans des positions proches de la limite du coeur interne de PHENIX. On re- marqv-jra en particulier les différences de profilometries relevées sur chacune des
6 faces de l'hexagone.
II - VARIATIONS DE LA COTE ENTRE-PLATS E
On désigne par entre-plats E du tube hexagonal la valeur mesurée à un niveau considéré de la distance séparant 2 faces opposées du tube hexagonal. Ces mesures sont effectuées généralement en continu.
L'augmentation de l'entre-plats est due à la combinaison de deux phéno- mènes qui dépendent principalement de la dose d'irradiation : le gonflement et le fluage d'irradiation .
II - 1 - Gonflement :
Le gonflement conduit à une augmentation isotrope du volume de l'acier, donc à un accroissement de la cote entre-plats.
Pour l'acier 316 considéré, le maximum de gonflement apparaît dans une plage de température de UUo°C à U50°C et se situe donc légèrement en-dessous du plan médian coeur.
II - 2 - Fluage d'irradiation :
Le fluage d'irradiation dépend à la fois de la dose et de la pression du sodium à l'intérieur du tube hexagonal, il varie en conséquence avec la zone considérée de débit. Le maximum de la flèche F (figure 3) qui en résulte se situe au milieu de chacune des faces hexagonales. Sa position axiale correspond pratique- ment au plan de flux maximum.
On montre de plus que la flèche F varie iani: le sens inverse lu cube de l'épaisseur du tube et dans le même sens que la puissance h de la cote entre-plats moyenne, si bien qu'on peut écrire :
f = K x ï e
f étant la flèche mesurée à une cote donnée P est la pression du sodium
E est la cote entre-plats e est l'épaisseur
0^. est la dose reçue K est une constante
La figure k illustre une série de mesures de planimetries successives effectuées sur un tube hexagonal d'un assemblage irradié pendant près de 350 jours dans le coeur externe de PHENIX.
II - 3 - 5i£2™ation_de_l^entre;glats :
La déformation globale de l'entre-plats est alors le résultat de la combinaison de deux phénomènes précédents. La figure 5 illustre ainsi les pro- filométries mesurées sur les 3 couples de faces, en positions médianes, d'un tube hexagonal irradié pendant 395 jours en position proche du centre du coeur de PHENIX.
III - ALLONGEMENT DU TUBE HEXAGONAL
L'allongement du tube hexagonal est QU £IU S Gui phénomène de gonflement.
Comme ce gonflement est isotrope et compte tenu de sa dépendance de la dose varia- ble le long1 du TH, l'allongement s'exprime selon l'intégrale ci-après :
où AV/V représente le gonflement volumique mesuré à la cote axiale 1.
La hauteur L sur laquelle s'applique l'intégration ci-dessus correspond à la hauteur de colonne fissile.
Les mesures d'allongement sont effectuées directement en réacteur au moment d'un arrêt ou bien en cellules d'examens. L'expérience a montré que l'ac- cord est excellent entre les deux types de mesures.
En outre, les mesures de gonflement effectuées sur quelques tubes hexa- gonaux sélectionnés ont permis de confirmer la validité de la formulation donnée ci-dessus. En conséquence la comparaison de l'allongement mesuré et de l'intégrale de la déformation entre-plats, permet d'évaluer de façon assez précise la part de gonflement dans l'augmentation de l'entre-plats :
, v |L AE ..
-iLmesure = K J —- dl
•* o
On a montré que pour l'acier 316 de PHENIX, le coefficient K est pratiquement constant pour une zone de débit considérée. C'est ainsi qu'il atteint une valeur de 0,7 pour les assemblages irradiés dans la partie centrale du coeur
(zone A ) .
La figure 6 représente les résultats des mesures d'allongement effectuées sur des assemblages irradiés dans les différentes zones de débit du réacteur pour des durées de séjour en pile allant jusqu'à 600 JEPP.
IV - ARCURE DU TUBE HEXAGONAL
L'arcure du tube hexagonal résulte du gradient de gonflement, donc de la différence d'allongement,entre deux faces opposées qui ne reçoivent pas la même dose d'irradiation.
C'est dans les positions périphériques du coeur, là où le gradient de dose est le plus important, que les assemblages accuseront l'arcure la plus forte.
L'arcure est alors caractérisée par la distance séparant le haut de la tête de l'assemblage et l'axe de celui-ci au début d'irradiation, les mesures étant faites hors pile (d'où le nom "d'arcure libre en tête").
La figure 7 donne une réprésentation graphique des arcures mesurées aux différents niveaux de l'assemblage pour deux tubes hexagonaux irradiés res- pectivement dans la zone interne (zone A) et dans la zone externe (zone E) du coeur de PHENIX. Il ressort clairement que l'effet du gradient le dose est accentué en zone externe et au contraire réduite en zone interne.
En position d'irradiation, l'assemblage a tendance à présenter une arcure dirigée vers l'extérieur du coeur. En pratique, les différents assemblages sont susceptibles d'interagir les uns sur les autres tandis que l'ensemble du faisceau d'assemblages est bridé en périphérie par les couronnes d'assemblages fertiles.
Pour cette double raison, il est très difficile de prévoir par le calcul 1'arcure en position d'irradiation.
Cependant, une procédure a été développée dans PHEIJIX pour limiter 1'ar- cure des assemblages placés dans les positions des zones externes (zones D-E-?) : il s'agit d'effectuer en milieu de vie un ietcurnement de l'assemblage sur lui-mê- me. La figure 8 illustre cette situation en montrant la différence d'arcures mesurées sur un assemblage ayant subi cette procédure de retournement et sur un assemblage qui n'a pas été déplacé pendant son irradiation.
Une réduction sensible de ces déformations ne peut être obtenue que par le changement de la nature du matériau constituant le tube hexagonal. C'est
ainsi que plusieurs tubes en acier ferritique ont été introduits dans le réacteur.
Le premier de ces tubes a été déchargé et a confirmé la faible déformation enre- gistrée comme l'illustre la représentation graphique de 1'arcure donnée sur la figure 9«
V - CONCLUSION
L'expérience acquise dans PHENIX a montré que les déformations excessives des tubes hexagonaux en acier 316 peuvent constituer une limitation pour le main- tien en irradiation des éléments combustibles.
Un abaissement substantiel des déformations ne peut être obtenu que par changement du matériau. A. ce titre, l'acier ferritique apparaît comme une solution séduisante pour le tube hexagonal.
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