Brevet FR2041099A1 — publié le 19710129

i. 2041099 La présente invention concerne des faisceaux d'éléments combustibles pour réacteur nucléaire. Dans un réacteur nucléaire essentiellement formé de faisceaux d'éléments combustibles disposés dans le coeur, dans des 5 canaux de combustible verticaux, ces canaux, espacés les uns des autres, ménagent dans le coeur des passages permettent au réfrigérant de circuler entre les éléments' combustibles de chaque faisceau, . • • Les faisceaux d'éléments combustibles sont superposés 10 les uns aux autres dans les canaux de combustible et chacun d'eux comprend une série d'éléments combustibles disposés cote à côte et maintenus espacés en faisceau. II est nécessaire que les éléments combustibles soient espacés pour que le réfrigérant puisse circuler entre eux. 15 II est courant de changer un certain nombre de fois, pendant le temps de service des faisceaux d'éléments combustibles, les positions occupées dans le coeur par ces faisceaux, de manière à assurer une utilisation maximale du combustible et à maintenir à des niveaux admissibles les écarts de température entre les di-20 verses parties du coeur. Quand le combustible contenu dans les é-léments combustibles d'un faisceau de ces éléments est usé, on retire ce faisceau du coeur et on lui substitue un nouveau faisceau d'éléments combustibles. Au cours de cette opération, on dépose habituellement un faisceau d'éléments combustibles et le 25 nouveau faisceau est mis en place mais pas nécessairement au même endroit que celui qu'il remplace. Au cours de la manipulation des faisceaux d'éléments combustibles ainsi insérés dans le coeur ou retirés, ceux-ci risquent de subir des manutentions brutales, par exemple d'être accidentellement cognés contre certains orga-30 nés du réacteur, de sorte qufils doivent avoir une structure robuste. . Les éléments combustibles de chaqae faisceau contiennent du combustible nucléaire, par exemple des grains de dioxyde d'uranium, enfermé de manière étanche dans une gain.e tubulaire, 35 par exemple en alliage de zirconium ou en acier inoxydable. On prévoit la gaine aussi mince' que possible, pour qu'elle absorbe le minimum de neutrons, et l'on a constaté que cet amincissement a poux- effet de réduire la résistance mécanique des gaines au point qu'il est difficile de les réunir pour former un faisceau 40 d""éléments combustibles doté de la robustesse désirée, tiri effet, 70 10952 a. 2041099 en service0 il apparaît souvent, entre éléments combustibles voisins d'un même faisceau, des décalages dus à des vibrations ou à des dilatations thermiques différentielles et on a en conséquence ■jugé nécessaire de prévoir, entre ces éléments, des moyens d'en-5 tretGisement de nature à absorber los efforts résultant des décalages sans endommager les gaines. En conséquence, on a proposé de nombreux moyens d'entretoisement pour éléments combustibles de nature à autoriser, à leur niveau, des déplacements relatifs des gaines d'éléments combustibles voisins pour éviter qu'elles ne su-10 bissent des efforts, ce qui porte inévitablement atteinte, dans une certaine mesure, à la robustesse que doit présenter le faisceau d1éléments combustibles. L'utilisation de gaines minces soulève une autre difficulté : tout frottement imprimé à une gaine, par exemple par le 15 Moyen d'entretGisement entre deux gaines, peut provoquer la rupture de l'une et/ou de l'autre gaine. Or, la rupture d'une gaine se traduit par la contamination du réfrigérant qui circule entre les éléments combustibles et la circulation de réfrigérant contaminé finit par contaminer l'ensemble du réacteur. 20 La présente invention-a pour but de réaliser un fais ceau d'éléments combustibles dans lequel 'les gaines d'éléments combustibles voisins* sont reliées par des moyens a'entretoisement de nature à interdire pratiquement, à leur niveau, tout mouvement relatif entre gaines, ce qui réduit le risque d'endommagement des 25 gaines pendant l'utilisation, et qui est doté de la robustesse nécessaire pour l'insertion dans le. coeur et l'extraction. A cet effet, l'invention a pour objet un faisceau d.'éléments combustibles pour réacteur nucléaire, comprenant une série d'éléments combustibles longitudinaux, disposés côte à côte à une 30 certaine distance les uns des autres pour ménager entre eux des intervalles de circulation de réfrigérant, chaque élément combustible comportant du combustible nucléaire enfermé dans une gaine, ce faisceau étant caractérisé en ce que des entretoises intermédiaires sont prévues dans lesdits intervalles de manière à réunir 35 entre eux tous les éléments combustibles à mi-longueur de chacun d'eux, chaque entretoise reliant deux-gaines adjacentes, de sorte que tout mouvement relatif est pratiquement interdit entre deux gaines au niveau où celles-ci sont réunies par une entretoise. On va maintenant décrire à titre d'exemple .trois modes 40 de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, 70 10952 3 2041099 sur lesquels : fig. 1 est une vue de profil d'un faisceau d'éléments combustibles; ' ■ fig. 2 est une vue en bout du faisceau de la fig. lj 5 fig. 3 montre à plus grande échelle des tronçons de deux éléments combustibles réunis par une entretoise du genre représenté sur les fig. 1 et 2; fig. 4-est une vue en coupe suivant la ligne .IY-IY de la fig. 3; . 10 fig. 5'montre 11entretoise en coupe suivant la ligne Y-Y de la fig. 3 > fig. 6 montre de profil un faisceau d'éléments combustibles suivant une variante; fig. y est une vue en bout de ce faisceau, et 15 fig. 8 montre de profil un faisceau d'éléments combusti bles suivant une autre variante. Sur les fig. 1 et 2, un faisceau d'éléments combustibles, désigné par la référence générale 1, comprend une série d'éléments combustibles 2', longitudinaux disposés côte à côte à une certaine 20 distance les uns des autres pour ménager entre eux des intervalles 3 de circulation de réfrigérant ; chaque élément combustible comportant du combustible nucléaire enfermé dans une gaine. Des entre toise s intermédiaires 4 sont prévues dans les intervalles 3 Il est prévu deux plaques d'extrémité, 4a et 5» présente tant en 6 et 7 des découpes dans le prolongement des intervalles 3. L'une de ces plaques, 4a, réunit les-éléments combustibles 2 à r'uiie de leurs extrémités et l'autre plaque 5» les réunit à leurs autres extrémités.- Chaque plaque 4a et 5 est formée de deux anneaux plats 8 et' 9, reliés ensemble par des pattes 10 à 12* L'-35 anneau 8 comporte une traverse diamétrale 13» Suivant ce mode de 'réalisationi le faisceau d'éléments combustibles 1 comporte dix-neuf éléments combustibles 2 répartis comme suit t un élément central 2a, une rangée de six éléments 2b disposés'sur un cercle intérieur et une rangée de douze éléments 40 2c disposés sur un cercle extérieur. Les éléments 2a, 2b et 2c 70 10952 4 2041099 ont chacun un diamètre de 15 mm et une longueur de 495 mm»Chacun d'eux comprend du dioxyde d'uranium combustible en grains,hermétiquement enfermé dans me gaine en un alliage comportant,en poids,1,2 à 1,7% d'étain,0,18 à 0,24#de fer,0,0? à 0,13%de chrome 5 et du nickel sous forme d'impuretés,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 réserve des impuretés.La gaine a une épaisseur de 0,38mm et les éléments 2a,2b et 2c sont uniformément espacés de manière à ce que le diamètre du faisceau 10 soit de 82,5mm. La fig.2 montre les entretoises 4,toutes situées à mi-longueur du faisceau d'éléments 1. L'élément 2a est relié à chacun des éléments 2b par une entretoise 4 et chaque élément 2b est relié à deux éléments 2c par deux entretoises 4. Ainsi, les entretoises 4 sont prévues en nombre suffisant pour réunir 15 ensemble tous les éléments 2a, 2b et 2c. Les plaques d'extrémités 4ja et 5 qui sont dans le même alliage que les gaines des éléments combustibles 2jî,2b et 2c, sont soudées aux extrémités de chacune de ces gaines. Il est prévu deux groupes de patins anti-usure 14 et 15,situés chacun près 20 d'une extrémité des éléments 2a, 2b et 2c. Chaque groupe comprend un patin anti-usure ,14 ou 15,situé du côté exposé de chaque élément extérieur 2c . Les patins 14 et 15 sont dans le même alliage que les gaines 2a, 2b et 2ç et évitent que les éléments extérieurs 2c soient endommagés pendant qu'un faisceau d'éléments com-25 bustibles 1 est introduit dans un canal de combustible du coeur (non représenté) ou en est extrait. Les patins anti-usure 14 et 15 assurent en outre le centrage du faisceau d'éléments combustibles 1 dans le canal de combustible. Les fig. 3 et 4 représentent l'une des entretoises 4, 30 toutes les entretoises 4 étant identiques. Chaque entretoise 4 est dans le même alliage que les gaines des éléments combustibles 2a, 2b et 2c et est brasé sur les gaines d'éléments, la brasure étant un alliage comportant environ 5% de béryllium et le reste en zirconium, sous réserve des impuretés. On peut éventuellement 35 souder électriquement les entretoises 4 aux éléments 2, en prévoyant deux bossages sur chaque face d*entretoise à souder.Gomme le montre la figure 5,les entretoises sont allongées suivant la longueur des éléments 2 et présentent des extrémités arrondies pour réduire la turbulence du réfrigérant primaire qui les ba-40 laie. Chaque entre toise 4 a une épaisseur nominale de 1,27mm, une Ion- 70 10952 5- 2041099 gueur de 6 nna et une largeur de 2 mm. Sur les fig. 6 et 7, les pièces identiques à celles décrites à propos des fig. 1 à 5 portent les mêmes références numériques et on ne les décrira pas à nouveau. Des entretoises 16 et 5 1? sont disposées dans les mêmes intervalles que les entretoises 4 pour réunir ensemble tous les éléments 2, comme les entretoises 4, les entretoises 16 et 17 sont analogues' aux entretoises 4 et sont également brasées sur les gaines des éléments 2. Suivant cette variante, les entretoises 16 et 17 remplacent les plaques d'extrémi-10 té 4a et 5> de la fig. 1. la distance x séparant les entretoises 4 des entretoises 16 et 17 est de 216 mm. Les éléments 2 ont les mêmes dimensions et les mêmes espacements que ceux de la fig. 1. Suivant la variante illustrée sur la fig. 8, sur laquelle les pièces identiques à celles déjà décrites à propos des fig. 15 1 à 7 portent les mêmes références numériques et ne seront pas décrites à nouveau, il est prévu une plaque d'extrémité 4a à une extrémité des éléments 2 et des entretoises 17 à l'autre extrémité . Pour décrire l'invention, on s'est référé à un faisceau 20 comportant dix-neuf éléments combustibles,, mais on peut aussi l'appliquer à d'autres faisceaux comportant un nombre différent d'éléments combustibles; par exemple, elle est tout aussi bien applicable à des faisceaux comportant dix-huit éléments combustibles d'un diamètre de 20 mm ou vingt-et-un éléments combustibles 25 d'un diamètre de 15 mm. On peut aussi, en variante, appliquer l'invention à des éléments combustibles dont les gaines sont en d'autres alliages de zirconium, par exemple des alliages comportant en poids 1,2 à 1,7 % d'étain, 0,07 à 0,2 % de fer, 0,05 à 0,15 % de chrome, 0,03 30 à 0,08 % de nickel, le total fer + chrome + nickel étant de 0,18 à 0,38 1000 à 1400 parties par million d'oxygène et le. reste en zirconium, sous réserve des impuretés. On peut encore appliquer l'invention à des éléments combustibles comportant des gaines en matériau autre qu'en allia-35 ge de zirconium, par exemple en acier inoxydable ou en alliage nickel-chrome. Bien entendu, 'lés entretoises, la ou les plaques d'extrémité et les patins anti-usure sont de préférence en matériau identique ou analogue à celui formant les gaines. 70 10952 2041099 - BETODIClglOITS.. 1. Faisceau d5éléments combustibles pour réacteur nucléaire, comprenant une série d'éléments combustibles longitudinal, disposés côte à côte à une certaine.distance les uns des autres 5 pour ménager entre eux des intervalles de .circulation de réfrigérant ,f chaque élément combustible comportant du combustible nucléaire enfermé dans une gaine, ce faisceau étant caractérisé en ce que des entretoises intermédiaires sont prévues dans lesdits intervalles de manière à réunir entre eux tous les éléments combus-10 tibles à mi-longueur de chacun d'eux, chaque entretoise étant fixée à deux gaines adjacentes, de sorte que tout mouvement relatif est pratiquement interdit entre deux gaines au niveau où celles-ci sont réunies par une entretoise. 2. Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 qu'il comprend une plaque d'extrémité présentant des déeoupes situées dans le prolongement desdits intervalles, cette plaque «l'extrémité reliant tous lesdits éléments combustibles à l'une de lecrs extrémités. 3. Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce 20 qu'il comprend deux plaques d'extrémité présentant chacune des découpes situées dans le prolongement desdits intervalles, ces plaques d'extrémité reliant les éléments combustibles l'une à l'une des extrémités du faisceau et l'autre à l'autre extrémité. 4. faisceau selon la revendication 2, caractérisé en ce 25 qu'il comprend des entretoises d'extrémité prévues dans lesdits intervalles de manière à réunir tous les éléments combustibles entre eux près de l'extrémité du faisceau opposée à celle à laquelle est située ladite plaque d'extrémité, chaque entretoise d'extrémité reliant deux gaines adjacentes, de sorte que tout mou-30 vement relatif est pratiquement interdit entre deux gaines au niveau où ces gaines sont réunies par une entretoise d'extrémité» 5. Faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux groupes d'entretoises d'extrémité, disposés, l'un, près d'une des extrémités du faisceau et, l'autre, près de 35 l'autre extrémité, chaque groupe d'entretoises comprenant des entretoises Interposées dans lesdits intervalles de manière à réunir entre eux tous les éléments combustibles, de sorte que tout mouvement relatif est pratiquement interdit entre deux gaines au niveau où ces gaines sont réunies par une entretoise d'extrémité. 40 6. Faisceau selon la revendication 1 ou 5, caractérisé 70 10952 7. 2041099 en ce que lesdites entretoises sont allongées suivant l'axe longitudinal des éléments com'busti'bles et en ce qu'elles présentent des extrémités arrondies. 7. Faisceau d'éléments combustibles pour réacteur nuclé-5 aire selon la revendication 1 ou 5, caractérisé en ce quril comprend deux groupes de patins anti-usure disposés, l'un, près d'une des extrémités des éléments combustibles et, l'autre, près de l'autre extrémité, chaque groupe comportant un patin anti-usure situé du côté exposé de chaque élément combustible extérieur.