Brevet FR2030310A1 — publié le 19701113

i 2030310 L'objet de la présente invention est la réalisation d'un appareillage permettant la manipulation dans le sens horizontal d'éléments de combustible extraits d'un réacteur à canaux verticaux ou devant être introduits dans un tel réacteur. 5 Le déchargement des éléments de combustible usés et la mise en place d'éléments neufs dans un réacteur à canaux verticaux posent des problèmes particuliers dus précisément à la position verticale des canaux et à l'obligation d'effectuer les opérations de manipulation des éléments en position verticale. 10 Outre la complication des opérations de manipulation proprement dites, cela implique une quantité plus importante de matériau de support et une plus grande complication de la structure des grilles des éléments, qui doivent nécessairement présenter des surfaces appropriées de prise pour pouvoir effectuer les différentes opérations à la verticale. 15 Les opérations de manipulation sont plus simples dans un réacteur à canaux horizontaux où les éléments de combustible reposent horizontalement le long de la génératrice inférieure, à l'intérieur du tube à pression, les uns à côté des autres. Dans ces réacteurs, il suffit d'avoir des canaux horizontaux accessibles aux deux extrémités et deux chargeuses-déchargeuses 20 semblables sur les deux faces du réacteur. Il suffira donc de relier la machine fonctionnant comme chargeuse à l'extrémité du canal dans lequel on veut introduire l'élément de combustible neuf et la machine fonctionnant comme déchargeuse à l'extrémité du canal dont on veut extraire l'élément de combustible usé. 25 En poussant l'élément de combustible neuf à l'intérieur du canal et en faisant glisser horizontalement dans le tube de guidage toute la colonne d'éléments de combustible, on fera simultanément sortir par l'extrémité opposée du canal l'élément de combustible usé "dans la machine de déchargement. En inversant l'opération, on pourra, dans un canal adjacent, déchar-30 ger l'élément de combustible usé par l'extrémité opposée à celle du canal précédent, ce qui permet de réaliser dans chaque canal une circulation continue des éléments de combustible dans un sens ou dans l'autre. Dans un réacteur à canaux verticaux, le système le plus connu consiste à utiliser une machine d'alimentation par l'extrémité supérieure du 35 réacteur et à avoir les éléments de combustible appuyés l'un sur l'autre au fond du canal. 70 03752 2 2030310 Dans ce cas, à moins de ne pas avoir un combustible unique par canal, en renonçant à la possibilité de permutation axiale du combustible, il est nécessaire, pour vider le canal, d'extraire les éléments de combustible un à un à l'aide d'une pince actionnée par là chargeuse-déchargeuse 5 qui transporte les éléments sur la grille supérieure. Les éléments de combustible sont ensuite replacés dans le canal un à un avec le même système. Les inconvénients d'un tel système sont évidents s hauteur des jonctions entre deux éléments, quantité importante de matériau constituant les grilles, nécessité d'introduire la pince dans les parties actives du 10 réacteur jusqu'au fond du canal et temps pendant lequel les opérations de chargement et de déchargement mettent le canal hors service. Une autre solution utilisée conside à avoir une machine de chargement et de déchargement à la partie inférieure du réacteur, toujours avec les éléments de combustible appuyés l'un sur l'autre, sur un élément amovible 15 au fond du canal. Dans ce cas, en enlevant et en abaissant dans la machine l'élément d'appui inférieur, on réussit à récupérer dans la machine toute la colonne d'éléments de combustible. Mais les opérations se compliquent lorsque, dans la chargeuse-déchargeuse, on veut ajouter l'élément neuf, enlever l'élément usé et permuter l'ordre des éléments. En effet, les éléments de combus-20 tible doivent de toute manière pouvoir être manipulés un à un et doivent nécessairement être pourvus aux extrémités de grilles robustes dotées de surfaces appropriées de prise et de manipulation. Enfin, une autre solution consiste à rendre les canaux verticaux du réacteur accessibles aux deux extrémités, inférieure et supérieure, avec 25 deux machines de chargement et de déchargement, une à la partie inférieure et l'autre à la partie supérieure du réacteur. En dehors du problème du coût et de l'encombrement, on note que, dans ce cas,les éléments de combustible doivent s'appuyer au fond du canal sur un support que l'on puisse ouvrir, mais non retirer,et dont le fonction-30 nement est toujours compliqué et incertaine En outre, la hauteur des jonctions et la quantité de matériau dans les grilles sont encore plus grandes que dans r les solutions précédentes, les grilles des éléments de combustible devant pouvoir être manipulées à partir des deux extrémités et, surtout, la grille inférieure devant être particulièrement robuste pour permettre l'appui sur 35 un support susceptible de s'ouvrir et actionné par la machine de chargement et de déchargement. 70 03752 3 2030310 La solution proposée par la présente demande de brevet a pour but de réduire le plus possible la hauteur et la quantité de matériau des grilles aux extrémités des éléments de combustible d'un réacteur à canaux verticaux et de faciliter également les opérations de manipulation en uti-5 lisant une seule machine chargeuse-déchargeuse et en opérant donc d'un seul côté du réacteur, soit du côté inférieur,soit du côté supérieur. Le principe sur lequel se fonde cette solution consiste à effectuer les opérations de manipulation des différents éléments en enlevant l'élément usé et en ajoutant l'élément neuf en position horizontale, après 10 avoir effectué le déchargement en bloc de tous les éléments verticaux. On utilise, à cet effet, une chargeuse-déchargeuse normale qui assure le déchargement et le chargement en bloc de tous les éléments de combustible contenus dans un canal et un appareil échangeur distinct de la machine de chargement-déchargement, qui fait basculer toute la colonne 15 d'éléments de combustible de la position verticale à la position horizontale, remplace dans cette position l'élément usé par un élément neuf et replace enfin en position verticale la colonne prête à être réintroduite dans le réacteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront 20 mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre et des dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 à 4 sont des vues en élévation schématique de différents réadeurs nucléaires à canaux verticaux desservis par une seule chargeuse-déchargeuse, auxquels l'invention peut être appliquée ; 25 - les figures 5 et 6 sont des vues en élévation de l'appareil échangeur selon l'invention, en position de travail. Ces figures représentent, à titre d'exemple, les réacteurs dans lesquels le fluide réfrigérant est .le liquide organique. La figure 1 montre un cas dans lequel la chargeuse-déchargeuse 1 est située au-dessous du réac-30 teur 2, sans qu'il y ait de force de projection vers le haut, c'est-à-dire avec circulation descendante du réfrigérant organique. La figure 2 illustre un cas analogue au précédent, mais avec circulation ascendante du réfrigérant organique. Les figures 3 et 4 se réfèrent aux deux différents types de circulation du réfrigérant organique, respectivement descendant et ascendant, avec 35 machine de chargement-déchargement placée au-dessus du réacteur. Dans ces figures, on trouve également schématisée, à côté, la colonne d'éléments de combustible adaptée à chaque solution différente. 70 03752 4 2030310 La figure 1 montre le cas d'une chargeuse-déchargeuse 1 située à la partie inférieure du réacteur 2, les éléments de combustible étant supportés en bas. Dans ce cas, ces éléments 3 sont simplement appuyés l'un sur l'autre et soutenus en bas par un élément support 4 pouvant être fixé 5 au prolongement du canal, mais pouvant être enlevé par la mchine de chargement déchargement. De cette manière, en reliant la machine à l'extrémité inférieure du canal et en enlevant l'élément support 4, on peut, par gravité, faire descendre dans la machine toute la colonne d'éléments de combustible 3, en vidan.t ainsi le canal dans lequel la machine introduira ensuite une autre 10 colonne d'éléments préparés au préalable. Après avoir reçu la colonne d'éléments de combustible, la chargeuse déchargeuse sera reliée à un appareil échangeur particulier dans lequel elle pourra introduire la colonne d'éléments extraite du réacteur. Cet appareil comprend une cavité, initialement en position verti-15 cale, intérieurement semblable à un canal du réacteur et pouvant contenir-, comme la machine de chargement-déchargement, le même fluide réfrigérant que celui qui circule dans le réacteur. Dans cette cavité ou canal dé préparation, la chargeuse-déchargeuse introduit toute la colonne d'éléments de combustible extraite du réacteur et l'y fixe, à l'aide de l'élément support inférieur, 20 exactement comme elle le ferait dans un canal du réacteur. A partir de ce moment-là, la machine est libre de retourner sous le réacteur pour desservir d'autres canaux, tandis que les opérations de manipulation des éléments de combustible de la colonne déposée dans l'appareil échangeur se font uniquement dans cet appareil, après avoir fait pivoter la colonne de la position verti-25 cale à la position horizontale. Dès que la colonne d'éléments de combustible aura été préparée dans l'appareil échangeur par évacuation d'un élément usé et introduction d'un élément neuf, la chargeuse-déchargeuse reviendra uniquement pour reprendre la colonne et la réintroduire dans le réacteur. A la figure 2, toujours avec la machine de chargement-déchargement, 30 placée à la partie inférieure du réacteur, mais avec circulation ascendante du réfrigérant organique, les éléments de combustible 3, orientés entre eux r de manière connue et appuyés l'un sur l'autre, sont maintenus en place et poussés vers le bas par un poids cylindrique 5 de fixation, situé dans le prolongement supérieur du canal 6 et s'appuyant sur l'extrémité supérieure 35 de la colonne d'éléments de combustible 3. Ce poids peut être constitué par un cylindre creux et étanche en alliage de zirconium, rempli de plomb. Pendant l'abaissement de la colonne d'éléments de combustible,le poids de fixa 70 03752 5 2030310 tion 5 qui est étudié de manière à ne pas subir l'effet de projection vers le haut■ descend et pénètre progressivement dans le canal à l'intérieur du réacteur, limitant ainsi la section de passage du liquide organique et poussant les éléments vers le bas. Lorsque la colonne d'éléments est complè-5 tement extraite du canal et se trouve dans le prolongement inférieur, de diamètre plus grand, où elle n'est plus soumise à l'effet de projection vers le haut, le poids de fixation qui a occupé toute la hauteur du canal, vient buter avec son extrémité supérieure 7, de diamètre plus grand, sur le bord supérieur du canal et se détache de la colonne d'éléments de combus-10 tible. La colonne peut alors être extraite du réacteur et introduite dans l'appareil échangeur, comme indiqué dans le cas précédent. A la figure 3, avec machine de chargement-déchargement 1 placée au-dessus du réacteur 2 et en l'absence de force de projection vers le haut, les éléments de combustible contenus dans un canal doivent être réunis pour 15 former une grappe unique manoeuvrable d'en haut. Selon l'invention, les éléments de combustible sont commeembrochés l'un à la suite del'àutre sur une tige 8 centrale, qui est munie à sa partie supérieure d'unefcrise de levage. Les éléments de combustible sont naturellement munis d'un trou central pour le passage de la tige. 20 A la figure 4, avec machine de chargement-déchargement placée au-dessus du réacteur et en présence d'une force de projection dirigée vers le haut, c'est-à-dire avec circulation ascendante du réfrigérant organique, la colonne d'éléments de combustible est soulevée à l'aide de la tige centrale 8^comme dans le cas précédent. Dans ce cas, le poids de fi-25 xation 9 est tubulaire pour permettre à la colonne d'éléments de passer à l'intérieur et comporte à son extrémité inférieure un support 10 qui peut s'ouvrir pour livrer passage. Dans les cas illustrés aux figures 3 et 4, il faut que, après avoir introduit la colonne d'éléments en position verticale dans l'appareil 30 échangeur, on enlève par le bas de la colonne la tige centrale 8. La tige sera à nouveau enfilée dans la colonne lorsqu'auront été effectuées les opérations de remplacement de l'élément de combustible usé et de recomposition de la grappe. L'appareil échangeur 14 représenté à la figure 5 comprend un corps 35 rotatif circulaire 15 avec cavité cylindrique 11, dispositif de prélèvement 12 pour éléments de combustible usés et dispositif 13 d'alimentation en éléments nouveaux. Ces dispositifs sont disposés de manière diamétralement opposée par rapport au corps 15 de l'appareil 14, de manière à se trouver aux deux extré 70 03752 6 2030310 mités de la cavité 11 lorsque celle-ci est en position horizontale ou de travail. Ces dispositifs sont dotés l'un et l'autre d'un tambour tournantnuni de différentes cavités cyclindriques pouvant être alignées sur la cavité 11 et destinées à contenir les différents éléments de combustible ; ils sont munis de 5 pinces mobiles grâce auxquelles chacun des éléments de combustible et toute la colonne d'éléments contenus dans la cavité 11 peuvent être poussés horizontalement dans les deux sens au cours des différentes phases de manipulation. Aux figures 5 et 6, on peut voir le remplacement d'un élément usé 16 par iin nouvel élément 17. A la figure 5, on voit dans le dispositif 13 la 10 pince 18'actionnée à l'aide d'une chaîne 19, qui a retiré de la cavité 11 le support 20 de la colonne d'éléments et le tambour tournant 21 qui place l'élément 17 dans l'alignement de la cavité 11. Lorsqu'il est prévu d'accrocher entre eux les éléments constituant la colonne, on peut utiliser la rotation du tambour 21 pour insérer l'élément 17 dans l'axe de la cavité 11 afin de 15. l'accrocher au dernier élément 22 de la colonne. Il convient, bien entendu, dans ce cas, de déplacer la colonne vers le dispositif 13 d'alimentation de manière à permettre l'accrochage entre les éléments 17 et 22. A ce moment, la pince 18 peut, par l'intermédiaire du support 20 de la colonne, pousser l'élément 17 à l'intérieur du canal 11, provoquant le déplacement de toute 20 la colonne de combustible 2(j et à la sortie de l'élément usé 16 dans le tambour 23, comme indiqué à la figure 6. .La rotation du tambour 23 en sens iwerse de celui du tambour 21 peut permettre-le décrochage de l'élément usé 16 de la colonne 26. La colonne 26 avec le support 20, ainsi renouvelée, est prête pour être insérée dans le réacteur à l'aide de la chargeuse-déchargeuse, 25 après une rotation de 90° de toute la colonne. En inversant le sens de rotation du corps 15, on peut insérer la colonne en sens inverse entre les dispositifs 12 et 13. Dans ce cas, le support 20 se trouvera du côté du dispositif de prélèvement 12 des éléments usés et pourra être prélevé par la pince 24 actionnée par la chaîne 25, étant donné que les dispositifs 12 et 30 13 sont identiques. Le prélèvement des éléments usés peut donc être fait des deux côtés de la colonne 26 et on peut réaliser dans chaque colonne une r circulation continue des éléments de combustible, dans un sens ou dans l'autre. Dans les figures 5 et 6,on a désigné par 27 le bouchon d'étanchéité de l'extrémité fixe 28 du canal de préparation qui est enlevé soit pour intro-35 duire -la colonne 26 dans l'appareil 14, soit pour faire sortir cette colonne et l'introduire dans la machine de chargement-déchargement. 70 03752 7 2030310 Le principal avantage offert par cet appareil concerne la structure des éléments de combustible. Les jonctions entre éléments superposés sont de hauteur minimale comparativement à toutes les autres solutions ; la quantité de matériau des grilles est également minimale, aucune surface de prise 5 à l'extrémité des différents éléments n'étant nécessaire. Dans le cas d'éléments de combustible en grappe, on peut utiliser des grilles d'extrémité minces et flexibles, ayant simplement pour tâche d'assurer la position radiale des barres dans le canal et il est possible de répartir correctement la charge axiale entre les différentes barres de 10 la grappe. Un autre avantage consiste en ce que les opérations effectuées par la machine de chargement et de déchargement sont réduites, celle-ci ayant uniquement à retirer en bloc les éléments des canaux du réacteur et de les remettre, s^ns être immobilisée au cours des opérations de rempla-15 cernent de l'élément usé, effectuées par l'appareil échangeur. Un autre avantage réside dans le fait que l'on évite d'introduire la pince de prise des éléments dans la partie active du canal. Avantage encore, le fait d'avoir toujours les éléments de combustible dans la même position relative l'un par rapport à l'autre, en évitant 20 sur les gaines et sur les bouchons les sollicitations dues à différents ajustements de position. Aucun problème ne se pose pour le refroidissement des éléments de combustible dans l'appareil échangeur. Il suffit que l'app'areil soit enfermé dans un container étanche pourvu d'une ouverture,pour l'introduction des élé-25 ments de combustible, munie du même système de fermeture que la chargeuse-déchargeuse ou du même système de fermeture qu'aux extrémités des canaux du réacteur. Le container peut être ainsi rempli avec le même fluide réfrigérant que celui qui circule dans les canaux du réacteur. Ce fluide peut être maintenu en circulation dans le corps rotatif en l'injectant à l'aide d'une pompe 30 au niveau de l'axe de rotation. Les cavités cylindriques dans lesquelles se fait l'échange des éléments de combustible peuvent être multiples, éventuellement indépendantes l'une de l'autre, de manière que l'on puisse procéder aux opérations de manipulation simultanément sur plusieurs colonnes d'éléments de combustible. 35 L'appareillage décrit dans la présente demande de brevet n'est pas limitée à la réalisation représentée aux figures annexées ; de nombreuses modifications de construction peuvent y être apportées sans que l'on s 'éloigne de l'esprit de l'invention. 70 03752 8 2030310 REVENDICATIONS 1 - Appareil pour échanger les éléments de combustible nucléaires dans un réacteur à canaux verticaux, caractérisé en ce qu'il comporte un corps circulaire tournant autour d'un axe horizontal et comportant au moins une cavité cylindrique, un dispositif d'alimentation en éléments de combustible neufs, 5 un dispositif de prélèvement des éléments de combustible usés, lesdits dispositifs étant disposés alignés sur un axe horizontal ou approximativement horizontal et perpendiculaire à l'axe de rotation du corps circulaire, dans une position symétriquement opposée audit corps circulaire et un passage de chargement et déchargement desdits éléments de combustible disposé à la péri- 10 phérie de l'appareil et en position angulairement intermédiaire par rapport aux axes desdits dispositifs. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité cylindrique, traversant diamétralement le corps tournant circulaire', peut contenir une colonne complète d'éléments de combustible et; par suite 15 de la rotation dudit corps tournant, peut s'aligner dans une position horizontale ou approximativement horizontale avec les dispositifs d'alimentation et de prélèvement des éléments de combustible. 3 - Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le corps tournant circulaire est constitué par un corps cylindrique. 20 4 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs d'alimentation et de prélèvement des éléments de combustible comportent un tambour tournant, une pince mobile longitudinalement et une chaîne d'entraînement dudit mouvement. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le- 25 tambour tournant présente plusieurs cavités cylindriques aptes à contenir un élément de combustible et disposées à. une même distance de l'axe de rotation du tambour, de façon que, par rotation, elles viennent s'aligner chacune avec l'axe horizontal ou approximativement horizontal des dispositifs d'alimentation et de prélèvement des éléments de combustible. 30 6 - Appareil selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que le corps tournant cylindrique est mobile axialement.