Brevet FR2050386A1 — publié le 19710402

La présente invention concerne des faisceaux d'éléments combustibles nucléaires. Dans un réacteur nucléaire essentiellement formé de faisceaux d'éléments combustibles disposés dans les canaux de combustible 5 verticaux du coeur, les canaux de combustible sont espacés les uns des autres dans le coeur et forment des passages permettant à du réfrigérant de circuler entre les éléments combustibles du faisceau. Les faisceausd'éléments combustibles sont superposés les uns aux autres dans les canaux de combustible et comprennent chacun 10 plusieurs éléments combustibles disposés côte à côte et maintenus espacés en groupe ou faisceau. Il faut que les éléments combustibles soient espacés les uns des autres pour que le réfrigérant puisse circuler entre eux. Il est courant de déplacer les faisceaux d'éléments combustibles, un certain nombre de fois au cours 15 de leur vie,d'un emplacement à un autre dans le coeur, suivant un' " ' processus permettant de maintenir entre dés limites admissibles les écarts de température entre les diverses parties du coeur. Quand le combustible contenu dans les éléments combustibles d'un faisceau est usé, on retire le faisceau d'éléments combustibles du 20 coeur et on lui substitue un nouveau faisceau. On retire habituellement pendant cette substitution un faisceau d'éléments combustibles et le nouveau faisceau n'occupe pas nécessairement le même emplacement que le faisceau retiré. Au cours de ces opérations d'insertion et d'extraction de faisceaux d'éléments combustibles, 25 ceux-ci risquent de subir des manutentions brutales, par exemple d'être accidentellement heurtés contre certains organes du réacteur, de sorte que leur agencement doit être robuste. Les éléments combustibles de" chaque faisceau comprennent du combustible nucléaire, par exemple des grains de dioxyde d'uranium 30 hermétiquement enfermé dans une gaine tubulaire, par exemple en alliage de zirconium ou acier inoxydable. On prévoit la gaine aussi mince que possible pour qu'elle absorbe le minimum de neutrons et cet amincissement a jusqu'à présent pour effet indésirable de réduire la résistance mécanique des gaines au point qu'il 35 devient difficile de réunir ces gaines en un faisceau d'éléments combustibles ayant la robustesse désirée. Il en est ainsi parce qu'en service, des décalages apparaissent souvent entre éléments combustibles voisins de faisceaux d'éléments, du fait de vibrations et de dilatations thermiques différentielles, et l'on estime 40 donc nécessaire de prévoir entre les éléments combustibles des 70 12727 2 2050386 moyens drentretoisement de nature à absorber les forces engendrées par ces décalages résultant de vibrations et de dilatation différentielles sans endommager les gaines. On a ainsi été amené à proposer de nombreux types de moyens d'entretoisement pour élé-5 ments combustibles de nature à laisser certaines parties des gaines d'éléments combustibles voisins se déplacér les unes par rapport aux autres, au niveau des moyens d'entretoisement, pour éviter l'application de contraintes aux gaines, ce qui porte inévitablement atteinte dans une certaine mesure à la robustesse du 10 faisceau d'éléments combustibles. Une autre difficulté résultant de l'utilisation de gaines minces est que tout frottement exercé sur une gaine, par exemple par le moyen d'entretoisement entre deux gaines, risque de rompre l'une ou l'autre des gaines. La rupture d'une gaine provoque la 15 contamination du réfrigérant qui passe entre les éléments combustibles et la circulation de réfrigérant contaminé finit par contaminer 11 ensemble du réacteur. Par ailleurs* si un mouvement relatif excessif apparaît entre des éléments combustibles voisins, les gaines peuvent subir, au 20 niveau du moyen d'entretoisement qui les relie, une déformation risquant de les rompre. La présente invention a pour but de réaliser un faisceau d'éléments combustibles dans lequel les gaines des éléments combustibles voisins sont réunies par des moyens d'entretoisement de na-25 ture à interdire pratiquement à leur niveau tous mouvements relatifs entre les gaines, pour réduire le risque d'endommagement des gaines en service, et à conférer aux faisceaux d'éléments la robustesse nécessaire pour son insertion dans le coeur et son extraction, mais à éviter l'application aux gaines de contraintes ex-30 cessives lors de mouvements relatifs entre gaines. Une autre difficulté soulevée par les gaines minces est que, si l'on soude ou brase le moyen d'entretoisement de^êléments combustibles sur la gaine, il faut avoir soin d'éviter que la gaine soit endommagée par la chaleur de soudage ou de brasage, ce qui 35 pourrait l'affaiblir ou la percer par fusion. L'invention a encore pour but de réaliser un faisceau d'éléments combustibles comportant des moyens d'entretoisement soudés ou brasés aux gaines de manière à ce que la gaine risque moins d'être endommagée par la. chaleur de soudage ou de brasage. La présente invention a pour objet un faisceau d'éléments 12727 3 2050386 combustibles pour réacteur nucléaire, du genre - comportant une série d'éléments combustibles disposés longitudinalement cote à côte et espacés pour ménager entre eux des intervalles de circulation, les éléments combustibles comprenant du combustible nucléaire en-5 fermé dans une gaine et portant un certain nombre de patins d'espacement disposés dans les intervalles,.à mi-longueur des éléments combustibles et agencés par couple de deux patins en regard portés par deux gaines adjacentes, ainsi qu'une plaque d'extrémité ajourée reliant tous les éléments combustibles à l'une des extrémités 10 du faisceau et des moyens reliant tous les éléments combustibles à l'autre extrémité du faisceau, ce faisceau étant caractérisé en ce que les deux patins de chaque paire sont réunis par un joint opposant moins de résistance à la rupture que les gaines auxquelles sont fixés ces deux patins. *15 De préférence, les moyens reliant tous les éléments combusti- - ' bles à ladite seconde extrémité du faisceau sont formés par une seconde plaque d'extrémité ajourée. Il est préférable que chacun des joints entre patins oppose à la rupture une résistance comprise entre 5 et 5®% de la résistance 20 qu'opposent à la rupture les joints reliant ces patins aux gaines associées. On va maintenant décrire à titre d'exemple trois modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : 25 Figure 1 est une vue de profil d'un faisceau d'éléments com bustibles; Figure 2 en est une"vue en bout; Figure 3 est une vue de profil à plus grande échelle.de deux éléments combustibles portant deux patins réunis par'soudure; j50 Figure 4 est une vue en coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 3; Figure 5 est une vue en coupe longitudinale suivant la ligne V-V de la figure '3; Figure 6 est une vue de profil.analogue à la figure 3, mais 55 montrant des"patins suivant une variante; Figure 7 est une vue en coupe transversale suivant la ligne VII-VII de là figure 6; Figure 8 est une"vue en coupe longitudinale suivant la ligne VIII-VIII de la figure 6, et 40 Figure 9 est une vue de profil d'un faisceau d'éléments com 12727 4 2050386 bustibles suivant une seconde variante. Sur les figures 1 et 2, on voit un faisceau d'éléments combustibles, désigné par la référence générale 1, comprenant une série d'éléments combustibles 2, disposés longitudinalement cote à côte 5 et espacés pour ménager entre eux des intervalles de circulation . 3, chaque élément combustible comprenant du combustible nucléaire enfermé dans une gaine. Des paires de patins 4, 5 sont disposées dans les intervalles pour espacer à mi-longueur tous les éléments combustibles 2. Les deux patins 4, 5 de chaque paire située dans 10 un intervalle'sont dirigés l'un vers. 1'.autre en travers de cet intervalle et sont solidaires de deux gaines adjacentes auxquelles ils sont fixés, par exemple par brasage ou soudage. Une plaque d'extrémité ajourée 6 réunit tous les éléments combustibles 2 à une;extrémité et les'moyons prévus pour réunir tous les éléménts 15 combustibles 2 à l'autre extrémité sont formés par une seconde plaque d'extrémité ajourée 7« Les deux plaques d'extrémité ajourées 6 et 7 comportent des anneaux plats 8 et 9 reliés par des pattes 10 à 12, l'anneau 8 présentant un bras médian 13j comme représenté sur là'figure 2 pour la plaque d'extrémité-6. Les anneaux 8 et 9 20 et les pattes 10 à 13 définissent des ouvertures' 14 à 18 qui permettent au réfrigérànt de circuler entre les éléments combustibles 2 en passant dans les intervalles 3- Dans l'exemple choisi, le faisceau d*éléments:combustibles 1 comporte dix-neuf éléments combustibles 2 répartis comme suit un 25 élément central- 2a, une rangée intérieure concentrique de six éléments 2b et une rangée extérieure concentrique de douze éléments ~-2cï. Les éléments 2a, 2b et 1o_ comprennent chacun du bioxyde d'uranium combustible én ..grain's/ hermétiquement enfermé dans une gaine en un alliage comportant, en poids, 1,2 à 1,7$ d'étain, 0,18 à 30 0,24 % de fer, 0,07 à 0,13 % de chrome, et de à fo de nickel, le total fer + chrome + nickel étant de 0,28 à 0,37 % > 1000 à 1400 parties par million d'oxygène et-le reste en zirconium, sous résérve des impuretés. Les gaines ont une épaisseur de 0,38 mm et les éléments 2a, 2b et 2c_ sont uniformément espacés de manière 35 à ce que le faisceau'ait un diamètre de 82,5mm. La figure 2 montre les patins"4 et 5, tous situés à mi-longuëur du faisceau 1. L'élément 2a est'relié à chacun des éléments 2b par deux patins 4 et 5, par brasage ou soudage tel que décrit plus loin et chaque élément 2b est relié de manière analogue par deux paires de patins 4 et 5 40 a deux éléments 2e„ Ainsi, les patins sont répartis par paires 4,5 70 12727 5 2050386 et en nombre suffisant pour espacer à mi-longueur tous les éléments combustibles 2a, 2b et 2c. Les plaques d'extrémité ajourées 6 et T, qui sont dans le même alliage de zirconium que les gaines"des éléments 2a, 2b et 2c_ 5 sont soudées aux extrémités de chacune de ces gaines." Deux groupes de patins 19 et 20 sont prévus et situés chacun près d'une extrémité des éléments 2a, 2b et 2e. Les patins d'usure 19 et 20 sont dans le même alliage dé zirconium que les gaines des éléménts 2c et évitent à ces éléments d'être endommagés lorsqu'on opère, dans 10 un coeur de réacteur non représenté, l'insertion du faisceau 1 dans un canal de combustible ou son extraction. Les patins d'usure 19 et 20 assurent en outre le centrage du faisceau d'éléments combustibles 1 dans le canal de combustible. Les figures 3, 4 et 5 représentent à grande échelle une paire 15 de patins 4, 5; tôutès les paires de patins 4, 5 étant semblables ' on ne décrira'que l'une d'elles. Les patins 4 et 5 peuvent être soudés par résistance ou brasés aux gaines des éléments 2b et 2a respectivement. S'ils sont brasés, la brasure peut contenir 5$' en .poids de béryllium et le reste en zirconium, sous réserve'des 2o impuretés. Les patins 4 et 5 sont reliés par une soudure 21 ménagée dans-l'intervalle les séparant» On peut ménager la soudure 21 en prévoyant des bossages cylindriques sur les patins 4 et 5 et'en rapprochant ces bossages l'un de l'autre pendant qu'on les soude par résistance pour obtenir la soudure 21. La soudure 21 a 25 une section transversale telle qu'elle oppose "à la rupture moins ' ' de résistance que les gaines des éléments 2a et 2b .. De préférence, la résistance à la rupture de la soudure 21 représente 5 à 50 $ de celle des brasures ou soudures reliant les patins 4 et aux gaines des éléments 2a^ et 2b respectivement. On réduit ainsi le risque de voir se rompré en sérvice les brasures ou soudures reliant le patin 5 à la gaine de l'élément 2a ou le patin 4 à la gaine de l'élément 2b. Si l'un ou l'autre des'patins 4 et 5 se détachait ainsi de la gaine respective, celle-ci serait percée, soit immédiatement du fait qu'une partie en serait arrachée par le patin, soit ultérieu-55 rement sous l'action du'frottement exercé par le patin 4 ou 5 détaché. Par contre, la rupture de la soudure 21 ne provoque dé frottement qu'entre les patins 4 et 5.» les gaines "des éléments 2a et 2b demeurant ainsi protégées. Chaque patin 4 ou 5 est allongé suivant la longueur de l'élé-40 ment combustible auquel il est fixé. Les patins 4 et 5 présentent, 70 12727 6 2050386 des extrémités arrondies destinées à réduire la turbulence du réfrigérant . Sur les figures 6, J et 8, les pièces analogues à celles représentées sur la figure' 1 portent les mêmes références numériques 5 et on s'abstiendra de les"décrire à nouveau. Suivant cette variante, les patins 4a, et 5a jouent le même rôle et occupent les mêmes emplacements què les pâtins 4 et 5 montrés sur les figures 1 à 5. Les patins 4a et 5a présentent chacun une.face convexe, 22 èt 2j5 respectivement, et sont maintenant réunis par brasure 24,'Les^pà-10 tins 4a et 5a sont entrecroisés et chacun d'eux s'étend"suivant une direction inclinée sur l'axe de l'élément combustible 2b ou 2a à la gaine duquel il est électriquement soudé. On voit que les patins 4a et 5a sont réunis par brasure à l'endroit où ils se croisent. 15 ~ Comme dans l'exemple précédent, les patins 4a et 5a sont- dans le même alliage de zirconium que les gaines'auxquélies ils sont fixés et le brasage est opéré en 24 à l!aide d'une brasure • contenant 5en poids de béryllium et le reste en zirconium, sous réserve des" impuretés. 20 Suivant cette variante, les soudures reliant les patins aux gaines et la brasure 24 reliant les patins entre eux ont les mêmes résistances relatives'que suivant le précédent mode de réalisation. Le fait que les patins 4a et 5a se croisent a l'avantage que, si ces patins se séparent èn fonctionnement par rupture de la brasure 25 24. les mouvements relatifs entre les deux patins 4a et 5a risquent moins d'amener l^un de ces patins en butée contre l'extrémité de lfautre patin» Sur la figure 9, les pièces analogues à celles montrées sur les figures 1 et 2 portent les mêmes références numériques et on 50 s'abstiendra'de lés décrire à nouveau. Suivant cette variante,les plaques d'extrémité ajourées 7 (figure 1) sont remplacées par un autre groupe de paires de patins 25,26."Les patins 25 et 26 sont répartis entre les éléments combustibles 2 de la même manière que les patins 4 et 5 et aussi fixés ensemble "et aux gaines de la 35 même manière que ces patins. En variante, on peut remplacer les patins 4, 5 et 25.» 26 par des patins analogues aux patins 4a, 5a (figures 6 à 8).' 70 12727 7 2050386 REV'EITDICATI QMS 1 - Faisceau d'éléments combustibles pour réacteur nucléaire, du genre comportant une série d'éléments combustibles disposés longitudinalement côte à cote et espacés pour ménager entre eux des 5 intervalles de circulation., les éléments combustibles comprenant du combustible nucléaire enfermé dans une gaine et portant un certain nombre de patins d'espacement disposés dans les intervalles à mi-longueur des éléments combustibles et agencés par couple de deux patins en regard portés par deux gaines adjacentes, ainsi qu'une 10 plaque d'extrémité ajourée reliant tous les éléments combustibles à l'une des extrémités du faisceau et des moyens, reliant tous les éléments combustibles à l'autre extrémité du faisceau, ce faisceau étant caractérisé en ce que les- deux patins de chaque paire sont réunis par un joint opposant moins de résistance à la rupture.que 15 les gaines auxquelles sont fixés ces deux patins„ 2 - Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens reliant tous les éléments combustibles à l'autre extrémité sont formés par une seconde plaque d'extrémité ajourée. 3 - Faisceau selon la revendication 1,. caractérisé, en ce que 2q chacun desdits joints oppose à la rupture'une résistance comprise entre 5 et 50$ de celle qu'opposent à la rupture les joints reliant lesdits patins auxdites gaines. 4 - Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits patins présente une face plane dirigée vers une face 2^ plane analogue de l'autre patin de la même paire,les faces planes -- des patins de la paire étant parallèles et le joint étant interposé entre celles-ci. 5 - Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits patins présente'une face convexe dirigée vers-la face convexe analogue de l'autre patin de la paire et en ce que le "50 joint entre les deux patins s'étend entre lesdites faces convexes„ 6 - Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits patins est allongé suivant la longueur de l'élément combustible auquel il est fixé et présente à chaque extrémité des 35 parties arrondies. 7 - Faisceau selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux patins de chaque paire s'étendent suivant des directions entrecroisées, toutes deux inclinées sur l'axe de l'élément combustible auquel est fixé le patin, les deux patins étant réunis 40 à l'endroit où ils se croisent..