Brevet FR2028860A1 — publié le 19701016

La présente invention concerne d'une façon générale les réacteurs nucléaires, et plus particulièrement un nouvel arrangement structural pour le coeur, la région fertile et les faisceaux de réflecteurs d'un réacteur à neutrons rapides réfri-5 géré par un métal liquide. De nombreuses recherches ont été faites pour la réalisation de dispositifs pour retenir les faisceaux d'éléments combustibles dans le coeur d'un réacteur nucléaire tout en permet— tant un refroidissement convenable. Les brevets des Etats-Unis 10 d'Amérique N° 2 961 393 et 3 124 51^ sont des exemples de solutions approximatives antérieures. Différents modes de blocage ont ' aussi été étudiés et réalisés pour maintenir en position correcte, dans les conditions de fonctionnement, les différents faisceaux d'éléments combustibles du réacteur. Cependant, ces dispositifs 15 de blocage ou de maintien imposent des équipements supplémentaires et augmentent le temps nécessaire pour l'enlèvement et le remplacement des faisceaux du réacteur. L'invention concerne un mode de construction du coeur d'un réacteur à neutrons rapides réfrigéré par du sodium pour 20 que ce coeur contienne une quantité minimale de matériaux structuraux. Le coeur est formé de tubes hexagonaux à parois minces assemblés étroitement dans une structure extérieure rigide. Chacun de ces tubes hexagonaux contient un grand nombre de petits barreaux de combustible pour constituer un faisceau de combustible. 25 Le rechargement est effectué par enlèvement et remplacement des faisceaux individuellement. La rigidité structurale est obtenue dans le coeur pendant le fonctionnement en formant les faisceaux de combustibles individuels du bord extérieur du coeur avec des orifices à leurs sorties de façon qu'ils subissent une pression 30 supérieure à celle subie dans le centre du coeur. Les parois hexagonales de ces faisceaux extérieurs sont déformées par cette pression intérieure pour venir en contact avec les faisceaux combustibles voisins de façon que les parties centrales du coeur soient maintenues fermement. De plus, les faisceaux comportent 35 un dispositif d'équilibrage hydraulique pour éliminer un dispositif de déblocage séparé pour le rechargement. Le bord extérieur du coeur est entouré par une rangée de faisceaux réflecteurs qui • sont rigides par rapport aux tubes contenant le combustible et aux 70 01633 2 2028860 faisceaux contenant la matière fertile, La déformation vers l'extérieur des faisceaux réflecteurs est empêchée par un ou plusieurs éléments supports annulaires dont les surfaces intérieures ont des formes correspondant aux formes des bords extérieurs des 5 faisceaux réflecteurs. L'invention a par suite pour objet une structure de coeur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides réfrigéré par du sodium. L'invention a aussi pour objet un coeur de réacteur 10 dans lequel les faisceaux d'éléments combustibles s'alignent d'eux-mêmes radialement sans être retenus par la plaque ou grille support. L'invention a de même pour objet une structure de coeur dans lequel les faisceaux d'éléments combustibles sont soumis à une pression intérieure ou extérieure faible ou même nul,le, en 15 dehors des pressions imposées dans le but de blocage du coeur. L'invention a aussi pour objet une structure de coeur dans laquelle le combustible, la matière fertile et les faisceaux réflecteurs comportent des dispositifs d'équilibrage hydrauliques. L'invention a aussi pour objet une structure de 20 coeur de réacteur avec laquelle la rigidité du coeur pendant le fonctionnement est assurée du fait de la construction des différents faisceaux de combustible sur le bord extérieur du coeuxi telle que ces faisceaux subissent une pression intérieure supérieure à celle subie dans la partie centrale du coeur pour main-25 tenir fermement les faisceaux de la région centrale du coeur. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à. titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique en plan d'un 30 coeur suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, et - la figure 2 représente schématiquement, partiellement en coupe, un coeur de réacteur nucléaire réfrigéré par du sodium et comportant une structure selon l'invention. La figure 1 représente en plan une partie d'un réac-35 teur 10, Le coeur du réacteur comporte de -la façon représentée trois types de faisceaux hexagonaux, (l) des faisceaux d'éléments combustibles 11 constituant la- partie principale engendrant de la chaleur du coeur du réacteur, (2) les faisceaux 12 formant la 70 01633 3 2028860 région fertile radiale contenant de la matière fertile devant être convertie en combustible fissile, et (3) les faisceaux réflecteurs 13 formant la limite structurale du coeur et servant aussi à la réflexion des neutrons vers le coeur, 5 Le coeur de réacteur selon la figure 1 comporte deux rangées circulaires de faisceaux 12 de région fertile radiale et une rangée circulaire de faisceaux réflecteurs 13, la partie intérieure du coeur du réacteur étant formée par des faisceaux d'éléments combustibles 11, N'importe quel nombre de rangées de 10 faisceaux 11, 12 et 13 peut être utilisé d'après le type de réacteur et les conditions de fonctionnement du réacteur. Bien que les barres de commande ne soient pas représentées, certains des faisceaux d'éléments combustibles 11 peuvent contenir une barre de commande centrale dans un tube de guidage, d'une façon 15 connue. Les barres de commande peuvent être enlevées en même temps que les faisceaux d'éléments combustibles quand ceux-ci sont remplacés et ëLles peuvént être couplées à des mécanismes d'entraînement montés à la partie supérieure, d'une façon connue. Le coeur du réacteur 10, formé des faisceaux des trois types 11, 12 et 13, 20 est entouré de cercles structuraux 14 (dont trois sont représentés sur la figure 2),ces cercles ou anneaux 14 étant supportés par la paroi 15 de la. cuve du réacteur. Les surfaces des bdrds intérieurs 16 des anneaux 14 ont des formes correspondant à la configuration extérieure (hexagonale) des faisceaux réflecteurs 13 25 de façon à résister aux forces exercées vers l'extérieur, et avec seulement un jeu suffisant pour permettre l'extraction des faisceaux d'éléments combustibles 11,des faisceaux 12 ou des faisceaux 13, et pour permettre des dilatations thermiques relatives, La paroi 15 de la cuve du réacteur 10 comporte à 30 l'extrémité inférieure une entrée 17 pour le réfrigérant, ce réfrigérant étant un métal liquide, tel que du sodium. Une plaque ou grille support 18 à surface supérieure plane est disposée au-dessus du fond du coeur du réacteur et une paroi 19 est fixée à la plaque 18 pour établir une chambre 20 dans laquelle la pression 35 . est approximativement celle existant à la sortie du réfrigérant au-dessus des faisceaux 11, 12 et 13* cette sortie étant indiquée en 21, 70 01633 4 2028860 Le réfrigérant peut être dirigé de la chambre de sortie 21, par exemple, à travers un dispositif échangeur de chaleur et de pompage pour être recyclé à travers l'entrée 17» La cuve contenant les faisceaux 11, 12 et 13 est habituellement 5 entourée d'un réfrigérant tel que le sodium et les fuites à partir de la chambre 20 à travers une ouverture 22 vers le fond 19 passent vers le réfrigérant environnant indiqué en 23 „ Les extrémités inférieures des faisceaux d'éléments combustibles 11 et des faisceaux 12 et 13 sont construites pour 10 établir une chambre d'arrivée du réfrigérant 24 pour permettre l'écoulement du réfrigérant horizontalement de l'entrée 17 vers les différentes parties du coeur. Ce résultat est obtenu ou bien au moyen de la construction de la partie inférieure des faisceaux d'éléments combustibles et de matière fertile 11 et 12 ou 15 bien par la forme des faisceaux réflecteurs 13, de la façon représentée o Dans le premier cas, le tube hexagonal d'un faisceau 11 ou 12 établissant le contour extérieur du faisceau s'étend jusqu'à l'extrémité inférieure 25 du faisceau., Les côtés du tube sont perforés par des ouvertures.26 dans la région de la cham-20 bre 24, ces ouvertures étant alignées les unes par rapport aux autres pour permettre l'écoulement horizontal du réfrigérant à partir de l'entrée 17. L'extrémité inférieure 25 d'un tube hexagonal d'un faisceau 11 ou 12 est adaptée autour d'une plaque inférieure hexagonale 2J0 Suivant le mode de mise en oeuvre repré-25 senté, le tube hexagonal du faisceau réflecteur 13 se termine dans la chambre 24 et la plaque inférieure 27' est connectée à la partie supérieure du faisceau par une tige centrale 28, Le fais ceau d'éléments combustibles 11 comporte dans la zone de la chambre 24 une tige centrale 28' qui relie la plaque inférieure 27 à 30 un élément ou plaque support 29 pour les barreaux ou éléments combustibles 30 qui contiennent le combustible ayant une composition convenable, d'une façon connue. Le faisceau 12 est d'une cons truction similaire sauf que les barreaux ou éléments contiennent une matière fertile, d'une façon connue. Le faisceau réflecteur 13 35 peut être en acier inoxydable plein traversé par des passages pour le réfrigérant. Il sera noté qu'une seule rangée de faisceaux 12 de la région fertile radiale est représentée sur la figure 2 pour simplifier la description de l'invention. De même, 70 01633 5 2028860 les extrémités inférieures des faisceaux 11 et 12 peuvent être, si désiré, similaires à celles du faisceau 13 de la figure 2, La tige centrale 28 du faisceau 13, ou 28* des faisceaux 11 et 12, résiste à la traction, à la pression vers le haut exercée sur le 5 faisceau correspondant principalement en raison des pressions égales contre la plaque 27 ou 27' et la plaque support de barreaux 29 ou l'extrémité du barreau 13, Les plaques inférieures 27 et 27' comportent des rebords 31 formant une cavité 32 entre chaque plaque et la surface 10 plane de la plaque support 18, ces cavités communiquant avec la chambre inférieure 20 par des ouvertures 33 de la plaque 18, Les bords 31 des plaques inférieures 27 et 27® forment des joints aux extrémités inférieures 25 des faisceaux 11 et 12 et aux extrémités inférieures des faisceaux 13 contre la surface supérieure de 15 la plaque support 18„ Cependant, les rebords 31 peuvent être supprimés sur les plaques 27 et 27' et un joint hexagonal séparé étant fixé à chaque plaque, le joint ayant sensiblement les dimensions extérieures du faisceau 11, 12 ou 13 correspondant. De cette façon, la force résultant de la pression vers le haut du réfrigérant 20 sur la plaque de montage 29 est compensée par la force résultant de la pression vers le bas du réfrigérant sur la plaque inférieure 27 ou 27' de sorte que la pression résultante exercée sur le faisceau est nulle ou très faible» Comme les extrémités inférieures 25 des faisceaux sont très rapporchées les unes des autres, les 25 fuites autour des joints ou des rebords 31 sont limitées à cet espace étroit indiqué en 34 pour empêcher des fuites importantes de réfrigérant à travers les ouvertures 33 si les faisceaux sont légèrement élevés. Un mauvais alignement excessif vers le haut des faisceaux est empêché par les têtes d'accrochage pour la 30 manutention 35 retenues par une grille rigide 36 de maintien vers le bas située dans la chambre supérieure. 21 et normalement espacée d'une distance suffisante pour permettre la dilatation thermique. Ainsi que l'indiquent les flèches, le réfrigérant, tel que le sodium arrivant dans la chambre 24 par lé conduit 17,remonte 35 autour des faisceaux d'éléments combustibles extérieurs 11 et les faisceaux 12 et 13 pour échapper dans la chambre supérieure 21, tandis que le liquide fuyant autour des extrémités inférieures 25 des faisceaux est dirigé vers l'extérieur à travers la chambre 70 01633 6 2028860 inférieure 20 et l'ouverture 22 de l'enveloppe 19 pour le recyclage à travers le coeur du réacteur» Bien que non représenté, un blocage supplémentaire du coeur peut être obtenu en formant les orifices de sortie des faisceaux extérieurs d'éléments combusti-5 bles de façon que la pression à l'intérieur de ces faisceaux soit supérieure à celle existant dans les faisceaux intérieurs» L'invention apporte ainsi les avantages suivants ; 1„ La plaque ou grille support inférieure 18 est extrêmement simple et ne nécessite pas d'usinage précis en dehors 10 d'une surface supérieure plane» 2o Les faisceaux d'éléments combustibles peuvent s'aligner d'eux-mêmes radialement sans être retenus par la plaque support. 3» Les fuites de réfrigérant à travers les joints 15 inférieurs des faisceaux peuvent être facilement dirigées vers l'entrée de la pompe sans réduire la température à la sortie du réacteur» 4» Les faisceaux d'éléments combustibles ne sont pas soumis à des pressions intérieures ou extérieures ou ne sont sou-20 mis qu'à des pressions faibles, en dehors des pressions établies délibérément par le réglage des orifices de sortie pour le blocage du coeur» Il sera noté qu'il est possible de perforer les parois des tubes des faisceaux d'éléments combustibles (à l'exception de ceux situés vers la périphérie du coeur) du moment que 25 ces perforations n'interfèrent pas sérieusement sur la distribution du courant» 5» Le rechargement ne demande pas une opération séparée de blocage parce que le blocage est effectué par la pression à l'intérieur des faisceaux extérieurs» 30 6» L'utilisation de faisceaux réflecteurs retenus par des anneaux supports facilite le blocage du coeur» Si désiré, chaque faisceau doit comporter la nouvelle construction d'extrémité de façon qu'il existe une pression intérieure dans tous les faisceaux du coeur au lieu d'exister seule-35 ment dans les faisceaux extérieurs» Dans ce cas, le blocage du coeur est obtenu en déterminant, les orifices de sortie des faisceaux extérieurs pour que la pression existant à l'intérieur de ces faisceaux soit supérieure à celle existant dans les faisceaux Intérieurs» 70 01633 7 2028860 Il résulte de ce qui précède que l'invention apporte une structure de coeur de réacteur sous la forme de faisceaux hexagonaux d'éléments combustibles étroitement resserrés et maintenus fermement ensemble par une construction de l'extrémité 5 inférieure des faisceaux, telle que la pression à l'intérieur des faisceaux extérieurs soit supérieure à celle existant dans les faisceaux de l'intérieur du coeur afin d'assurer le blocage des faisceaux. Bien entendu, la description qui précède n'est pas 10 limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre» 70 01633 8 2028860 REVENDICATIONS 1. Structure de coeur pour un réacteur nucléaire réfrigéré par un métal liquide caractérisé par une cuve comportant au moins un anneau support fixé à la surface intérieure de la paroi 5 de la cuve, une plaque support inférieure avec une surface supérieure plane, une enveloppe fixée à la plaque support pour former avec celle-ci une chambre inférieure, la plaque support comportant des ouvertures pour faire communiquer l'intérieur de la cuve avec cette chambre, et l'enveloppe comportant au moins un 10 passage de drainage, un dispositif d'entrée pour le réfrigérant à la partie inférieure de la cuve, au moins une rangée circulaire de faisceaux réflecteurs étroitement groupés et adjacents à l'anneau support, l'anneau support ayant une surface inférieure d'une forme correspondant à la surface extérieure définie par les fais-15 ceaux réflecteurs, au moins une série de faisceaux formant une région fertile radiale et étroitement groupés au voisinage immédiat des faisceaux réflecteurs, et un certain nombre de séries circulaires de faisceaux d'éléments combustibles étroitement groupés et disposés à l'intérieur radialement par rapport 20 aux faisceaux de la région fertile radiale pour arriver au voisinage immédiat de ceux-ci, les faisceaux réflecteurs, la région fertile ^ les'éléments combustibles contenant respectivement des matières appropriées pour constituer le réflecteur, la région fertile et la région combustible, les faisceaux réflecteurs et les 25 matières fertiles et au moins certains des faisceaux d'éléments combustibles situés vers l'extérieur comportant à l'extrémité inférieure un dispositif d'équilibrage hydraulique pour empêcher le déplacement vers le haut sous l'action du réfrigérant circulant dans ees parties, chacun des faisceaux réflecteurs et de matière 30 fertile et au moins certains des faisceaux d'éléments combustibles situés vers l'extérieur étant construits à la partie inférieure pour définir une chambre d'entrée permettant l'écoulement horizontal du réfrigérant à partir du dispositif d'entrée vers les différents faisceaux réflecteurs, de matière fertile et d'éléments combustible, 35 et les faisceaux réflecteurs, de matière fertile et d'éléments combustible^ situés vers l'extérieur étant construits de façon que la pression du réfrigérant à l'intérieur de ces faisceaux soit supérieure à la pression du réfrigérant à l'intérieur des autres 70 01633 9 2028860 faisceaux d'éléments combustibles afin que les enveloppes dans lesquelles la pression intérieure est supérieure subissent des dilatations vers l'extérieur les unes contre les autres pour assurer le blocage des faisceaux du coeur à l'intérieur de la 5 cuve. 2. Structure de coeur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les faisceaux réflecteurs, de matière fertile et d'éléments combustibles ont une section hexagonale et la cuve comporte trois anneaux supports espacés fixés à la surface inté- 10 rieure de la paroi de la cuve. 3. Structure de coeur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que chaque faisceau réflecteur, de matière fertile et d'éléments combustible^, est placé au-dessus d'une des ouvertures de la plaque support inférieure, et le dispositif d'é- 15 quilibrage hydraulique comporte une plaque inférieure, une plaque support et une tige reliant ces deux plaques, la plaque inférieure comportant un dispositif d'étanchéité venant contre la plaque support inférieure et définissant une cavité entre la plaque inférieure et la plaque support, cette cavité communiquant avec 20 la chambre inférieure délimités par l'enveloppe- inférieure à travers l'ouverture correspondante de la plaque support Inférieure. 4. Structure de coeur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif d'étanchéité comprend une partie formant un rebord sur le pourtour inférieur de la plaque inférieure et 25 venant en contact avec la plaque support inférieure. 5. Structure de coeur pour réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif d'étanchéité comporte un élément d1étanchéité fixé à la plaque inférieure sur le pourtour de la surface inférieure de celle-ci pour porter sur la plaque 30 support inférieure. 6. Structure de coeur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins certains des faisceaux comportent une enveloppe s'étendant jusqu'à la plaque support inférieure du coeur, cette enveloppe comportant, dans la partie inférieure^ des 35 ouvertures pour permettre l'écoulement horizontal du réfrigérant, le dispositif d'équilibrage hydraulique étant situé à l'intérieur de l'enveloppe. 7. Structure de coeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins certains des faisceaux comportent 40 une enveloppe se terminant à coté de la chambre d'entrée du réfri 70 01633 10 2028860 gérant et le dispositif d'équilibrage hydraulique est situé en dessous de l'extrémité inférieure de cette enveloppe. 8. Structure de coeur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chaque faisceau comporte à l'extrémité 5 supérieure un dispositif d'accrochage pour la manutention et le coeur comporte un ensemble rigide de maintien vers le bas espacé des dispositifs d'accrochage pour empêcher un défaut d'alignement excessif vers le haut des faisceaux.