Brevet FR2011980A1 — publié le 19700313

La présente invention concerne le support des,cartouches de combustible d'un réacteur nucléaire. Plus spécialement, la présente invention concerne des grilles d'écartement d'ensembles de combusti-"ble à utiliser dans un réacteur. Par conséquent, la présente inven-5 tion se propose d'une façon générale de fournir de nouveaux procédés et appareils perfectionnés de ce genre. Comme on le sait, on doit respecter un certain nombre de considérations dans la construction des appareils destinés à supporter des cartouches de combustible dans un réacteur nucléaire. Par exem-10 pie, la structure de support doit être constituée de façon à permettre l'écoulement d'un fluide d'échange de chaleur sur les cartouches de combustible, afin d'empêcher un surchauffage et une .rupture éventuelle des gaines de cartouches de combustible dans un réacteur nucléaire. Par exemple, la structure de support doit être 15 constituée de façon à permettre l'écoulement d'un fluide d'échange de chaleur sur les cartouches de combustible, afin d'empêcher un surchauffage et une rupture éventuelle des gaines des cartouches de combustible, et le dégagement de la matière radio-active dans le réacteur et le courant du réfrigérant. Ainsi, les points de contact 20 entre la structure de support et les cartouches de combustible doivent être réduits au minimum. En outre, étant donné que des contraintes sont engendrées pendant le fonctionnement d'un réacteur, la structure de support des cartouches de combustible doit également empêcher les cartouches de vibrer; l'érosion par frottement 25 qui résulte d'une telle vibration provoque finalement une défaillance de la gaine de la cartouche de combustible. Une structure de support et d'écartement de cartouches de combustible est également faite de préférence en une matière présentant une faible section de choc pour capture de neutrons; une telle manière étant évidemment 30 utilisée dans le but d'augmenter le rendemênt global du réacteur. Etant donné que la grille d'écartement doit être initialement chargée et rechargée par la suite avec de nouveaux barreaux de combustible, la facilité de chargement et l'élimination d'une possibilité de coincement pendant le mouvement du combustible constituent un 35 autre critère.de construction. Dans la technique antérieure, les grilles d'écartement destinées à supporter des cartouches de combustible nucléaire à l'intérieur d'un réacteur ont été faites d'une façon typique entièrement 69 20983 2 2011980 en alliage "Zircaloy". L'application du "Zircaloy" a été dictée par la combinaison avantageuse de sa résistance mécanique et de sa faible section de choc pour capture de neutrons. Comme indiqué plus haut, il est nécessaire que les cartouches de combustible soient 5 supportées de manière à éliminer toute vibration et l'usure mécanique qui en résulte. Dans la technique antérieure, pour maintenir des cartouches de combustible de cette façon, des éléments élastiques également en "Zircaloy" ont été incorporés dans la structure. Ces éléments élastiques étaient des éléments séparés en "Zircaloy" ou 10 étaient formés en découpant d'une façon appropriée des parties des éléments des grilles d'écartement. Toutefois, une difficulté est survenue du fait que l'élasticité du "Zircaloy" est nuisiblement affectée par une exposition prolongée à un rayonnement intense. Ainsi, les grilles d'écartement des cartouches de combustible for-15 mées entièrement en "Zircaloy" éveillent actuellement une certaine défiance. Afin d'obtenir une contrainte au moyen d'une matière qui n'est pas nuisiblement affectée par le milieu environnant, il a été également proposé de fabriquer des grilles d'écartement entièrement 20 en "Inconel". Bien que 'l'élasticité de l'alliage "Inconel" ne soit pas nuisiblement affectée par une exposition prolongée à un rayonnement intense dans la même proportion que l'alliage "Zircaloy", l'utilisation de l'alliage "Inconel" ou de matières équivalentes a l'inconvénient de provoquer une diminution importante du rendement 25 du réacteur à cause de la section efficace de capture relativement importante de ces matières. La présente invention surmonte ces inconvénients, ainsi que d'autres, de la technique antérieure, en fournissant un nouvel ensemble d'une grille d'écartement bimétallique pour supporter des 30 cartouches de combustible dans un réacteur ilucléaire, La présente invention comprend plusieurs éléments d'écartement qui sont faits en "Zircaloy" et plusieurs viroles élastiques qui sont faites de préférence en "Inconel". Les éléments d'écartement présentent des fentes de façon à permettre d'entrelacer les éléments en forme de 35 grille. Certains des éléments d'écartement présentent également des cintres s'étendant vers l'extérieur, deux cintres s'étendant vers l'extérieur depuis deux des côtés et définissant chacun une ouverture dans la grille. Les viroles élastiques ont d'une façon typique BAD ORIGINAL 69 20983 3 2011980 une section droite généralement carrée et comportent des ressorts s'étendant vers l'extérieur depuis chacun de leurs côtés. Ces éléments élastiques sont formés en les estampant d'une façon appropriée dans les virolles élastiques, lorsque des cartouches de combustible 5 sont introduites dans la grille d'écartement, les cartouches sont supportées par quatre cintres et un élément élastique. Par conséquent, les cartouches de combustible sont supportées en cinq points et sont maintenues en position et empêchées de vibrer, par un élément élastique qui n'est pas nuisiblement affecté par un rayonnement in-10 tense. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressor-tiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés, et dormant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. 15 Sur,ces dessins : la figure 1 est une vue partielle en perspective d'une grille d'écartement suivant la présente invention; la figure 2 est une vue partielle en élévation par dessus de la grille d'écartement de la figure 1; 20 la figure 3 est une vue par dessus d'une virole élastique convenant pour être utilisée dans la grille des figures 1 et 2; la figure 4 est une élévation de côté de la virole élastique de la figure 3; la-figure 5 est une vue partielle en élévation latérale 25 d'une première forme de réalisation d'un élément d'écartement destiné à être utilisé dans la grille d'écartement des figures 1 et 2; la figure 6 est une vue partielle en élévation latérale de la seconde forme de réalisation d'un élément d'écartement utilisé .dans la grille d'écartement des figures 1 et 2, les éléments 30 d'écartement de la figure 6 coopérant avec 1*élément d'écartement de la figure 5 pour former la grille; la figure 7 est une vue en bout de l'élément d'écartement de la figure 6; et . la figure 8 est une vue de côté partielle d'un élément 35 périmétrique qui coopère avec les éléments d'écartement des figures 5 et 6 pour définir le périmètre externe de la grille d'écartement. Pour fabriquer une grille d'écartement conforme à la présente invention, des éléments d'écartement de deux formes différentes 69 20983 4 2011980 sont produits en estampant ou usinant d'une autre façon des feuilles de "Zircaloy". les éléments d'écartement qui, pour plus de commodité, seront désignés par éléments d'écartement "inférieurs" et "supérieurs", sont représentés en partie sur les figures 5 et 6. Un élément d'é-5 cartement supérieur est désigné d'une façon générale par 10 sur la figure 5 ainsi que sur les figures 1 et 2. Un élément d'écartement inférieur est désigné d'une façon générale par 12 sur les figures 6 et 7 ainsi que sur les figures 1 et 2. les éléments d'écartement 10 et 12 présentent respectivement des découpes 14 et 16 pour ré-10 duire la masse de la grille, en augmentant ainsi le rendement du réacteur, et à la fois pour économiser l'alliage "Zircaloy" relativement coûteux, et pour mieux exposer les cartouches de combustible à l'écoulement du réfrigérant. les éléments d'écartement supérieurs 10 présentent des fentes 15 18 et 20 s'étendant vers l'intérieur depuis un premier bord, les fentes 18-18 sont effilées vers l'intérieur et sont destinées à recevoir des viroles élastiques, tandis que des éléments d'écartement orientés transversalement s'engagent dans les fentes 20 lorsque la grille d'écartement est montée. 20 Comme on peut le voir sur la figure 6, les éléments d'écarte ment inférieurs 12 présentent des fentes 22 dans lesquelles s'engagent des éléments d'écartement transversaux lorsque la grille est montée. Entre les fentes 22 des éléments d'écartement inférieurs 12 et au voisinage à la fois du bord fendu et du bord opposé, les élé-25 ments d'écartement inférieurs sont estampés de' façon à former des paires de cintres s'étendant vers l'extérieur 24-24 et 26-26. Un examen simultané des figures 1 et 7 permet de mieux voir ces cintres, les cintres 24-24 s'étendant vers l'extérieur depuis un côté de l'élément d'écartement et les cintres 26-26 s'étendant vers l'exté-30 rieur depuis l'élément d'écartement dans le'sens opposé. Comme on le décrira plus loin en se référant à la figure 2, les cintres viennent au contact des cartouches de combustible qui sont introduites dans la grille.d'écartement après son montage, et les supportent ainsi en partie. Il convient de noter en particulier que les cintres 35 sont formés de façon à présenter des parties bombées arrondies 27, de manière à obtenir un contact ponctuel avec les cartouches de combustible. les viroles élastiques qui, de la façon décrite ci-après, BAD ORIGINAL 69 20983 5 2011980 sont introduites dans les éléments d'écartement au cours du montage de la grille, sont représentées en particulier sur les figures 3 et 4. Les viroles sont fabriquées en "Inconel", un alliage comprenant 15$ de chrome, 77$ de nickel et 7$ de fer. Bien qu'il soit souhaita- 5 ble que la matière avec laquelle les viroles sont fabriquées pré- pour sentent une section efficace . / capture de neutrons aussi faible que possible, les viroles doivent être également en une matière qui présente de bonnes qualités de relâchement, des contraintes à long terme, et qui par conséquent ne subit pas une dégradation importante 10 quant à sa résilience après une exposition prolongée à un rayonnement intense. Les viroles peuvent être fabriquées à partir d'un tube carré. Selon une variante, les viroles peuvent être fabriquées à partir d'une matière plane qui est tout d'abord estampée pour former les éléments élastiques s'étendant vers l'extérieur 30-30. 15 Ensuite, on forme plusieurs fentes 32-32 et 34-34 respectivement, qui s'étendent vers l'intérieur depuis les bords opposées de la matière plane. Cette dernière est ensuite mise sous forme carrée, le cintrage étant effectué de façon à placer les fentes 32-32 et 34-34 aux angles de la virole, et de manière à placer les ressorts 20 30 sur les côtés de la virole. La fabrication de la virole est ensuite achevée en brasant ou soudant la matière à l'endroit où. elle se touche après le cintrage. Il convient de noter que les viroles ne sont pas aussi hautes que les éléments d'écartement, la dimension des viroles étant, maintenue au minimum dans l'intérêt du rendement, 25 étant donné que la matière avec laquelle les viroles sont fabriquées présente une section efficace de capture relativement élevée. Dans un exemple typique, les viroles ont une hauteur de 22,2 mm, tandis que les éléments d'articulation inférieurs et supérieurs ont une hauteur de 38,1 mm. Il convient également de noter que les éléments 30 élastiques 30 sont aussi légèrement arrondis pour former une partie bombée à leurs points externes, qui est en contact avec les cartouches de combustible. Par conséquent, il existe un contact ponctuel entre chacun des ressorts 30 et la cartouche de combustible qu'il maintient dans la grille d'écartement. 35 La bande périmétrique, désignée d'une façon générale par 36 sur la figure 8, est également faite en "Zircaloy" et présente des découpes 38. En outre, la bande périmétrique 36 présente des paires de bossages 40-40 qui s'étendent en direction de l'intérieur de la 69 20983 6 2011980 grille d'écartement lorsqu'elle est montée. les bossages 40 de la bande périmétrique sont essentiellement de petits cintres. Les bandes périmétriques présentent des parties curvilignes s'étendant vers l'extérieur, formées par enboutissage, qui empêchent les en-5 sembles de combustible successifs de s'accrocher les uns aux autres pendant l'enfournement du réacteur. En se référant maintenant aux figures 1 et 2, on va décrire le montage de la grille d'écartement de la présente invention. La phase initiale du montage consiste à utiliser un appareil de montage 10 qui supporte plusieurs éléments d'écartement inférieurs et supérieurs en position verticale. Les éléments d'écartement inférieurs et supérieurs alternés 12 et 10 sont disposés dans l'appareil de montage parallèlement les uns aux autres. En examinant la figure 2, qui est une vue du fond de l'ensemble complet, des cartouches 15 de combustible étant désignées d'une façon générale par 42, les éléments d'écartement inférieurs 12a et les éléments d'écartement supérieurs 10a alternés sont disposés dans l'appareil de montage. Lorsqu'ils sont fixés, les fentes des éléments d'écartement supérieurs et inférieurs sont dirigées vers le haut. Ensuite, les vi-20 rôles 28 sont introduites dans les fentes 18 s'étendant vers le haut des éléments d'écartement supérieurs 10a, comme représenté. Lorsqu'elles sont placées sur les éléments-d'écartement supérieurs 10a, les fentes d'angle 32 des viroles 28 sont dirigées vers le bas et viennent en prise avec les fentes effilées 18-18 des élé-25 mente d'écartement supérieurs. Ensuite, les éléments d'écartement inférieurs et supérieurs 12b et 10b sont ajoutés. Les éléments d'écartement 10b et 12b sont naturellement parallèles les uns aux autres et s'étendent transversalement aux éléments d'écartement inférieurs 10a et 12a (précédemment fixés dans l'appareil). Les 30 fentes 18-18 des éléments d'écartement supérieurs transversaux 10b viennent en prise avec les fentes 34 de l'extrémité libre ou s'étendant vers le haut des viroles 28,et ainsi les viroles sont maintenues prisonnières dans le sens vertical. L'effilement des fentes 18 des viroles 28 garantit un ajustage serré et empêche ainsi une 35 usure, et s'oppose à ce que les ressorts 30 se détachent et ne fonctionnent pas comme des éléments de retenue élastiques. Les fentes alternées 20 des éléments d'écartement supérieurs transversaux 10b viennent en prise avec les fentes 22 des éléments d'écartement 12a ORIGINAL 69 20983 7 2011980 et les fentes 20 des éléments d'écartement 10a. D'une façon analogue, les fentes 22 des éléments d'écartement inférieurs transversaux 12b s'étendent vers le bas et viennent en prise avec les fentes alternées 20 des éléments d'écartement supérieurs 10a et les fentes 22 5 des éléments d'écartement 12a. Après le montage de la grille de la façon décrite plus haut, les bandes périmétriques 36, dont plusieurs sont utilisées, sont fixées contre les extrémités libres des éléments d'écartement et y sont soudées pour achever le montage. Les éléments d'écartement sont 10 également soudés aux points de croisement pour garantir un ensemble rigide. Lorsque l'ensemble est terminé, les cartouches de combustible 42 peuvent y être introduites. Comme on peut le voir en .examinant simultanément les figures 1 et 2, les cartouches de combustible intérieures, c'est-à-dire celles qui ne sont pas au voisinage 15 de la bande périmétrique 36, comme la cartouche 42a, sont maintenues chacune en cinq points. Ces cinq points correspondent au ressort 30 et aux parties bombées de deux paires de cintres 24-24 et 26-26. Les cartouches de combustible 42 voisines de la bande périmétrique 36 sont également maintenues en cinq points, un point de 20 contact étant formé par une paire de bossages 40 et, à l'exception des éléments d'angle, par une paire de cintres des éléments d'écartement. Il convient de noter qu'un espace est prévu pour des barreaux de réglage internes dans la grille d'écartement, comme on le voit 25 sur la figure 2. Pour le réaliser, certains des éléments d'écartement sont discontinus, en permettant ainsi d'introduire un tube 44 réservé aux barreaux de réglage. Les éléments d'écartement adjacents sont soudés au tube 44 aux points de croisement des éléments d'écartement. 30 D'après la description ci-dessus, on'peut voir que la présente invention fournit une grille d'écartement bimétallique perfectionnée pour des ensembles de combustible. La grille d'écartement de la présente invention est principalement constituée par des éléments d'écartement en "Zircaloy" et utilise des viroles élastiques faites 35 en une matière présentant de meilleures qualités de relâchement des contraintes que le "Zircaloy". Les viroles sont placées à un point de croisement sur deux de la grille d'écartement en "Zircaloy", de façon que les ressorts des viroles poussent les cartouches de 69 20983 8 2011980 combustible contre les deux côtés opposés des compartiments de la grille. Deux cintres sont formés dans chacun de ces deux côtés opposés de chaque compartiment de la grille, un cintre au voisinage du sommet, et un autre au voisinage de la base de l'ensemble, et 5 les cintres sont bombés vers l'extérieur. La structure ci-dessus assure un contact en cinq points avec chaque cartouche de combustible. Grâce à la présence des fentes effilées 18-18 dans les éléments ,d'écartement supérieurs, les viroles sont maintenues prisonnières dans le sens vertical et assujetties. Par conséquent, il 10 n'est pas nécessaire de souder ou de relier d'une autre façon la matière des viroles aux éléments en "Zircaloy" définissant la grille, le soudage de l'alliage "Zircaloy" à d'autres matières étant pratiquement impossible, et ayant jusqu'ici empêché d'utiliser des grilles d'écartement bimétalliques. 15 Ainsi qu'il est maintenant évident pour les spécialistes, la grille d'écartement de la présente invention permet d'utiliser avantageusement des éléments élastiques résistant à des radiations, tout en tirant un profit maximal de l'utilisation du "Zircaloy" ayant une faible section efficace de capture. Egalement, la cons-20 truction de la présente grille d'écartement offre un minimum de résistance à l'écoulement du réfrigérant, et facilite les opérations de chargement et de déchargement des cartouches de combustible. Naturellement l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée, et est susceptible de recevoir •25 diverses variantes rentrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. -% BAC ORIGINAL 69 20983 9 2011980 REVENDICATIONS 1. Grille d'écartement bimétallique pour ensembles de combustible d'un réacteur nucléaire, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs éléments d'écartement orientés transversalement, 5 les éléments coopérant pour définir une grille, lesdits éléments étant en une première matière présentant une faible section de choc pour capture de neutrons; et plusieurs viroles élastiques dont chacune présente au moins un premier élément élastique qui s'étend vers l'extérieur, 10 les viroles élastiques étant en une seconde matière présentant de meilleures qualités de relâchement des contraintes que la première matière, les viroles élastiques étant montées sur les éléments-d'écartement en des points de croisement choisis de façon que lesdits éléments élastiques s'étendent dans des espaces de la grille 15 définie par les éléments d'écartement. 2. Grille d'écartement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les viroles- élastiques sont montées sur des éléments d'écartement s'étendant dans une première direction, et sont maintenues prisonnières dans le sens vertical par des éléments d'écarté- 20 ment orientés transversalement. 3. Grille d'écartement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les viroles élastiques comprennent : des éléments tubulaires présentant deux paires d'éléments élastiques opposés s'étendant vers l'extérieur, les éléments tubu-25 laires étant fendus le long de leurs bords supérieur et inférieur pour permettre de les monter sur les éléments d'écartement. 4. Grille d'écartement selon la revendication 3, caractérisée en ce que les virales élastiques sont montées sur des éléments d'écartement s'étendant dans une première direction, et sont main- 30 tenues prisonnières dans le sens vertical pér des éléments d'écartement orientés transversalement. 5. Grille d'écartement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments d'écartement comprennent : des premiers éléments d'écartement; et 35 des seconds éléments d'écartement, les seconds éléments d'écartement au moins présentant des cintres s'étendant vers l'extérieur, le montage des éléments d'écartement sous forme d'une grille disposant les cintres de façon qu'ils s'étendent dans les 69 20983 10 2011980 espaces de la grille. 6. Grille d'écartement selon la revendication 5, caractérisée en ce que les premiers et seconds éléments d'écartement sont fendus pour permettre de les monter sous forme d'une grille, et en ce que 5 les premiers éléments d'écartement présentent en outre des fentes effilées s'étendant vers l'intérieur depuis un premier bord desdits premiers éléments d'écartement, les fentes effilées étant destinées à venir en prise avec des fentes complémentaires des virolles élastiques. 10 7. Grille d'écartement selon la revendication 6, caractérisée en ce que les viroles élastiques comprennent : des éléments tubulaires présentant deux paires d'éléments élastiques opposés s'étendant vers l'extérieur, les éléments tubulaires étant fendus le long de leurs bords supérieur et inférieur, 15 les fentes inférieures des éléments tubulaires venant en prise avec des fentes complémentaires des premiers éléments d'écartement alignés dans une première direction, et lesdites fentes supérieures des éléments tubulaires venant en prise avec des fentes complémentaires des premiers éléments d'écartement alignés dans une seconde direction 20 perpendiculaire à la première, de façon que les éléments tubulaires soient maintenus prisonniers dans le sens vertical entre les premiers éléments d'écartement orientés transversalement. 8. Grille d'écartement selon la revendication 7, caractérisée en ce que les seconds éléments d'écartement comprennent : 25 des paires de cintres s'étendant vers l'extérieur, les paires de cintres étant alignées verticalement, les cintres de la paire s'étendant vers l'extérieur depuis les éléments d'écartement dans les directions opposées, chacun des cintres étant bombé. 9. Grille d'écartement selon la revendication 8, caractérisée 30 en ce que chacun des éléments élastiques présente des parties bombées, ces dernières et les cintres supportant des cartouches de combustible introduites dans la grille en des points de contact. 10. Grille d'.écartement selon la revendication 9, caractérisée en ce que les éléments d'écartement sont en "Zircaloy". 35 11. Grille d'écartement selon la revendication 10, caracté risée en ce que les viroles élastiques et les éléments élastiques sont en "Inconel". 1 BAD ORIGINAL