Brevet FR2036822A1 — publié le 19701231

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux réacteurs nucléaires et elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, la construction de trajets de chargement, de cartouches de combustible, d'ensembles de combustible et de rubans de combustible et de rubans de combustible pour des réacteurs nucléaires modérés au graphite et à réfri- gérant gazeux. Les-réacteurs nucléaires modérés au graphite et à réfrigérant gazeux de types classiques utilisent des rubans de combustible dont chacun comprend un certain nombre d'ensembles de combustible pratiquement identiques, réunis bout à bout de manière à former un seul ruban dont la longueur est sensiblement égale à la hauteur du coeur Un ensemble de combustible consiste luimeAme en un assemblage de cartouches individuelles-montées dans une structure de support et protes à être introduites dans un réacteur. La cartouche est le plus petit élément structural individuel qui contient du combustible nucléaire préparé pour utilisation dans un réacteur nucléaire. Dans le présent mémoire, un "tube de chargement" est défini comme étant un élément de guidage ou la partie d'un élément de guidage qui maintient un élément du coeur pendant le mouvement de ce dernier élément vers et depuis le coeur du réacteur mais qui ne contient pas l'élément du coeur lorsque ce der niert est dans sa position active, ctest-à-dire lorsqu'il fait partie du coeur du réacteur. L'expression "élément du coeur" désigne n1 importe quel élément, par exemple un élément de combustible, une tige de réglage ou un détecteur de flux, qu'il peut être nécessaire d'introduire dans le coeur ou d'enlever du coeur dans des conditions telles que l'élément risque de recevoir un choc dynamique. Un trajet de chargement typique comprend un canal de combustible, un tube de chargement et un tuyau vertical. Le canal de combustible lui-même est défini par une série d'alésages axialement alignés pratiqués dans le bloc de graphite constituant le ralentisseur du coeur. Le réflecteur supérieur qui surmonte le coeur est formé de blocs de graphite d'un type différent et, dans cette zone, le trajet de chargement est défini par un tube de chargement qui traverse de bas en haut une cloche de pression (si utilisée) comme décrit dans le brevet français N" 1.446.623. Le trajet de chargement comporte également un tuyau ascendant qui s'étend de bas en haut à partir du tube de chargement à travers-la cuve sous pression en béton du réacteur pour aboutir sur la surface de chargement du réacteur. Théoriquement, il serait avantageux d!ut isér-un seul tube allant du sommet du coeur jusqu'à la surface de chargement du réacteur-et ayant un diamètre intérieur suff-isant pour établir un Jeu de coulissement pour un élément du coeur, par exemple un ruban de combustible. Cependant, dans la pratique, le tube est divisé en deux parties, à savoir le tube de chargement et le tuyau ascendant, dont il a été question dans le paragraphe précédent et il est donc nécessaire de ménager des jeux beaucoup plus importants que le Jeu de coulissement mentionné plus haut en vue de disposer d'une marge de sécurité permettant de tenir compte des déformations dues aux éffets thermiques et aux contraintes des divers composants à travers lesquels passent le tube de chargement et le tuyau vertical.De plus, on doit prendre en ligne de compte des défauts éventuels d'alignement entre le tube de chargement et le tuyau vertical, une rupture d'alignement axial entre les composants du ruban de combustible, la présence de composants de plus grand diamètre sur un ruban de combustible et la nécessité d'augmenter le diamètre du tube de chargement sur une partie notable de sa longueur afin d'entretenir l'écoulement de réfrigérant gazeux dans le ruban de combustible pendant les opérations d'enfournement et de détournement. La Demanderesse a trouvé que, pendant les opérations d'enfournement et de défournement qui ont lieu durant le fonctionnement du réacteur, l'élément du coeur est exposé à des chocs aérodynamiques, surtout dans les réacteurs du type "A.G.R." dans lesquels le taux de chauffage de l'élément du coeur ainsi que les débits et les vitesses du réfriférant gazeux sont très élevés. Ces chocs peuvent endommager aussi bien l'élément que le canal. Selon la présente invention, un réacteur nucléaire comprend un coeur, un certain nombre de trajets de chargement permettant le mouvement des éléments du coeur vers et depuis le coeur, et un étranglement pour chaque trajet de chargement dont le rale est de réduire la section transversale d'au moins une partie de ce trajet afin de permettre le mouvement des éléments du coeur le long des trajets, sana réduire pratiquement la section transversale du parcours d'écoulement du réfrigérant. Le trajet de chargement peut comporter au moins un aménagement intérieur qui assure un trajet efficace pour le mouvement d'un élément du coeur ayant une aire de section transversale plus petite que celle qui est ouverte pour le passage du réfrigérant. Cet aménagement peut comprendre un chemisage installé à l'intérieur du trajet de chargement et espacé de la paroi de celui-ci. Le chemisage peut etre cylindrique ou peut avoir une partie supérieure de forme cylindrique et une partie inférieure de forme tronconique. Les termes "supérieur" et "inférieur" sont utilisés par rapport à l'orientation du chemisage quand on l'utl- lise. Le chemisage peut tre formé entièrement de tronçons tronconiques dont les contours sont étudiés de manière à ménager un Jeu pratiquement minimum pour un élément du coeur qui doit passer à travers ce chemisage. La paroi du chemisage peut être perforée. L'aménagement intérieur peut comprendre une ou plusieurs nervures dirigées radialement vers l'intérieur à partir de la paroi du trajet de chargement et, dans cette forme de réalisation, il est en général nécessaire d'utiliser au moins trois nervures équidistantes sur la circonférence de la paroi du trajet de chargement. Chaque nervure peut présenter une partie inférieure ayant un plus grand dépassement vers l'intérieur et une partie supérieure ayant un dépassement plus réduit. Les parties peuvent être réunies par une zone intermédiaire sur laquelle le dépasse- ment vers 11 intérieur change progressivement de sa plus grande valeur jusqu'à sa plus petite valeur. En plus de fournir un maintien mécanique pour la'élément du coeur, l'aménagement intérieur réduit également les taux de changement des vitesses du réfrigérant lorsque l'extrémité menante ou l'extrémité arrière d'un élément du coeur traverse un point où change le diamètre du trajet de chargement. Une autre propriété de tels aménagements intérieurs, surtout lorsqu'on utilise un chemisage perforé, est que si un tel chemisage se termine en un point de réudction du diamètre du trajet de chargement, les taux de changement du débit et du changement de la vitesse d'écoulement sont très réduits et, par conséquent, 1'excitation aérodynamique de l'éléf.ient du coeur est également réduite. L'élément du coeur qui peut être un ruban de combustible, un ensemble de combustible ou une cartouche de combustible, peut comporter au moins un organe de stabilisation qui s'étend vers l'extérieur à partir de ;'élément, le ou les organes de stabilisation s'ajustant étroitement sur le trajet de chargement ou sur une partie de ce trajet par laquelle ltélément considéré doit être introduit dans le réacteur. Un tel organe peut comprendre une bague annulaire percée d'une série de trous afin de réduire au minimum l'étranglement du courant de réfrigérant. En variante, on peut utiliser plusieurs de ces organes, par exemple trois. Un tel organe peut être composé de petits bossages équidistants sur la périphérique du ruban combustible, de l'ensemble ou de la cartouche. De préférence, les bossages sont chanfreinés sur leurs surfaces terminales supérieure et inférieure. Suivant un mode de réalisation de l'invention comportant l'utilisation d'un ruban de combustible, l'élément inférieur d'assujettissement du ruban porte quatre bossages équidistants sur sa périphérie et ces bossages augmentent conjointement le diamètre global de l'élément d'assuJettissement jusqu'à une dimension qui assure l'établissement d'un petit Jeu ou même d'un contact à frottement doux avec la paroi du canal à combustible. Une telle précaution est suffisante pour réduire notablement les chocs dont il a été question plus haut. On peut utiliser en outre des bossages supplémentaires formés en d'autres points le long du ruban. Suivant un autre mode de réalisation, on utilise trois bossages équidistant sur l'élément inférieur d'assujettissement. Le ruban de combustible comprend une série d'ensembles de combustible maintenus en alignement axial par un tirant qui traverse axialement tous les ensembles. Chaque ensemble peut comporter des manchons intérieur et extérieur en graphite, des barreaux de combustible étant maintenus parallèlement et avec espacement dans le manchon intérieur à l'aide de guides terminaux montés sur le manchon intérieur. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 3 sont des coupes verticales schématiques de certains modes de réalisation de l'invention. La figure 4 est une vue en bout d'un autre mode de réalisation, observé dans le sens de la flèche A sur la figure 5. La figure 5 est une coupe par la ligne V-V de la figure 4. La figure 6 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation. La figure 7 est une vue à plus grande échelle d'une extrémité du mode de réalisation selon la figure 6. La figure 8 est une vue en bout du mode de réalisation de la figure 6. Les figures 9 et 10 sont des coupes transversales à plus grande échelle des extrémités supérieure et inférieure du mode de réalisation selon la figure 6. La figure 1 représente un passage 1 de combustible et une partie 2 du ralentisseur d'un réacteur nucléaire modéré au graphite et à réfrigérant gazeux, comportant une cloche de pression du type décrit dans le brevet français précité. Le coeur est surmonté d'un réflecteur supérieur 3 et ce réflecteur supérieur 3 est traversé à partir du sommet du coeur par un tube de chargement qui fait partie d'un trajet de chargement. le tube de chargement présente une partie 4 de petit diamètre et une partie 4a dont le diamètre intérieur est plus grand et qui traverse une cloche sous pression dont un fragment est indiqué par la référence 5. L'extrémité supérieure de la partie 4a du tube de chargement est alignée avec un tuyau ascendant dont le diamètre intérieur est encore plus grand et dont seule la partie inférieure 6 est représentée. Dans la partie 4a est monté un chemisage cylindrique 7 ayant une paroi perforée et disposé à distance de la paroi interne de la partie 4a du tube. Pour bien expliquer le rale de ce chemisage, on va examiner ce qui se produit au moment où un élément du coeur, par exemple un ruban de combustible, dont la partie inférieure est indiquée schématiquement par la référence 8 sur la figure 1, approche de la jonction entre les deux parties du tube de chargement. Alors que l'extrémité menante du ruban de combustible se rapproche de la jonction (qui est normalement l'un des endroits où les chocs peuvent tre les plus violents) il existe trois trajets ouverts pour le courant ascendant du gaz réfrigérant : (A) à travers le ruban de combustible et ensuite vers le bas entre l'extérieur de ce ruban et le tuyau ascendant, jusqu'à une sortie 9 formée entre les extrémi'-4n adjentes du tuyau et du tube de chargement (B) entre l'extérieur du ruban et la surface intérieure du chemisage perforé 7 ; et (C) entre le chemisage perforé 7 et la paroi intérieure de la partie 4a du tube de chargement. L'existance du trajet (C) veut dlte que la quantité de réfrigérant pouvant détériorer par impact tc ruban de combustible est réduite. Si les perforations dans le chemisage 7 sont formée de façon appropriée (par exemple avec des portions orientées en dedans à leurs extrémités amont et des portions dirigées vers le dehors à leurs extrémités aval) , il y aura tendance à ce qu'unie plus grande proportion du courant gazeux annulaire soit déviée vers l'espace entre l'extérieur du chemisage 7 et la paroi 4a du tube de chargement 4. Naturellement, le rtle principal du chemisage 7 est de limiter physiquement les possibilités de mouvement du ruban de combustible. Dans le second mode de réalisation représenté à la figure 2, un chemisage perforé espacé de la paroi du tube de chargement est encore une fois utilisé mais1 dans ce cas, le chemisage comprend une partie cylindrique supérieure 7a et une partie tronconique inférieure 7b. Dans ces conditions, on est assuré d'une transition plus progressive entre la partie de petit diamètre 4 du tube de chargement et la partie de grand diamètre qui est matérialisée par la partie supérieure 7a du chemisage. On réduit ainsi encore plus les impacts auxquels le ruban de combustible est exposé. Le mode de réalisation représenté à la figure 3 comprend un chemisage perforé consistant en une série de sections tronconiques 7a, , 7c, 7d et 7e. La forme exacte du chemisage 7 est établie en prenant en ligne de compte divers facteurs qui peuvent déformer le trajet de chargement à travers le tube. - Ces facteurs sont (1) le profilage le plus mauvais qu'on puisse tolérer, que ce soit dans un barreau de combustible, dans un ensemble de combustible ou dans un ruban (2) le défaut maximum d'alignement entre les ouvertures de la cuve sous pression, de la cloche sous pression (si utilisée) et du canal de combustible, dans le cas de chaque canal (3) les déplacements dus à des différences thermiques et à des contraintes de toutes les pièces qui influent sur le trajet de chargement de chaque canal. On peut alors donner à un tube de chargement une forme qui assure le minimum de jeu pour le ruban de combustible au cours de son passage dans le tube de chargement. Une telle forme est représentée notamment par le chemisage selon la figure 3. Le facteur de jeu minimum réduit dans la mesure du possible les chocs auxquels le ruban de combustible est exposé au cours d'une opération d'enfournement ou de défournement au cours de laquelle le réacteur continue à fonctionner. Le mouvement du ruban de combustible peut également titre limité par des nervures formées sur la paroi du tube de chargement. Une telle tectonique est incorporée dans le mode de réalisation représenté sur les figures 4 et 5. Le tube de chargenent présente trois nervures intérieures 10 placées dans la partie de grand diamètre 4a du tube. Ces nervures réduisent efficacement la section transversale de la partie du tube occupée par le ruban de combustible et, par conséquent, les réponses possibles de ce ruban à des chocs dynamiques. Chaque nervure 10 présente une partie étroite 10a et une partie large 10b réunies par une partie inclinée 10c. Dans les modes de réalisation qui ont été décrits et qui utilisent un chemisage perforé, on peut modifier la répartition et/ou la dimension des perforations le long du chemisage afin d'assurer des proportionnements variables du courant de gaz réfrigérant selon les divers stades d'in- troduction et/ou d'enlèvement du ruban de combustible. Il n'est pas indispensable que le chemisage soit perforé; au lieu de cela, il pourrait être espacé, à son extrémité inférieure, du tube de chargement 4. Un chemisage perforé pourrait également entre espacé à son extrémité du tube de chargement 4. Dans le mode de réalisation qui comporte l'utilisation de nervures profilées, on pourrait utiliser plus de trois nervures et ces nervures pourraient avoir tout profil désiré, selon les divers facteurs qui ont été énumérés et qui peuvent provoquer la déformation du trajet de chargement. De préférence, les chemisages perforés et les nervures sont en acier inoxydable et les chemisages perforés sont avantageusement fabriqués à partir de tôles d'acier inoxydable préalablement perforées. Les éléments tronconiques peuvent également Aetre fabriqués en tôle d'acier inoxydable. L'élément du coeur représenté sur les figures 6 à 8 est un ruban de combustible qui n'apparalt que schématiquement et qui comprend un certain nombre d'ensembles de combustible Il accouplés les uns aux autres de manière à former une longueur continue entre un élément inférieur 12 d'assujettissement et un organe 13 d'accouplement à bride afin de permettre de lever et d'abaisser le ruban tout entier. A côté de l'organe dlaccouplement 13 est monté un ensemble annulaire dtétanchéit indiqué schématiquement par la référence 14. A partir de la surface de l'élément d'assujettissement 12 des bossages équidistants 15 sont orientés vers ltextérieur. Les bords menant et arrière des bossages 15 sont biseautés comme indiqué en 16 et 17 , en vue de réduire les risques d'accrochage de ces bossages avec les surfaces en regard desquelles ces bossages doivent passer (les diamètres des tubes de chargement et des canaux varient le long de leurs dimensions longitudinales pour diverses raisons). Les bossages 15 peuvent entre d'un seul tenant avec une partie de l'élément d'assujettissement 12, ou ils peuvent entre séparés et peuvent entre rapportés en place, par exemple par soudage. Les bossages 15 s'étendent vers l'extérieur d'une dis tance suffisante pour augmenter le diamètre global de l'élément d'assujettissement 12 à une valeur qui permet à cet élément d'établir un contact à frottement doux ou un contact avec faible jeu avec la paroi du canal dans lequel le ruban de combustible doit être logé. Les figures 9 et 10 représentent plus en détail un ruban de combustible selon l'invention. La figure 9 représente l'extrémité de gauche du ruban que l'on voit à la figure 6, alors que la figure 10 représente son extrémité de droite. Chaque ensemble de combustible comprend un manchon extérieur 16 en graphite et un manchon intérieur 17 en graphite des grilles terminales et perforées 18 et 19 de support étant montées aux deux bouts des manchons et supportant entre elles plusieurs barreaux de- combustible 20 entourés de gaines 21 à ailettes. Les extrémités inférieures des gaines 21 qui ne sont pas munies d'ailettes reposent dans des ouvertures ménagées dans la grille terminale 19 de support et les parties terminales des gaines sont embouties sur les bords inférieurs de chaque ouverture de grille recevant un barreau de co}-1bustible. Ainsi, chaque barreau est retenu dans la grille inférieure du fait qu'on tire ce barreau vers le bas par l'action d'emboutissage, si bien que son ailette la plus inférieure porte contre l'extrémité opposée de l'ouverture de la Erille.L'extrémité supérieure de chaque barreau est retenue radialement par un ressort mais peut se dilater et se contracter librement dans le sens axial a' travers la grille de support supérieure et les grilles intermédiaires, dont l'une est indiquée en 22 sur la figure 10. bes divers ensembles de combustible sont maintenus en asseivlvlage par un tirant 23 qui traverse les centres des tubes 24 sur lesquels les guides terminaux sont montés. Le tirant est fixé à un connecteur 25 dans l'organe d'accouplement C bride (figure 9) et à l'organe inférieur d'assujettisse ment 12 a l'aide d'un aménagement spécial 26. L'élément inférieur d'assuJettissement 12 comporte un organe annulaire intérieur 27 et un organe annulaire extérieur 28 et, d'un seul tenant avec ces deux organes, sont formés les quatre bossages régulièrement espacés 15 dont il a déjà été question. Stil est nécessaire d'assurer une absence pratiquement totale de vibrations du ruban de combustible par suite des chocs auxquels il est souris, on peut également prevoir d'autres bossages sur un ou plusieurs -éléments de combustible dont le ruban ost composé. En variante, ces autres bossages peuvent remplacer les bossages prévus sur l'élément d1 assuettissement inférieur. Daiid les ensembles de combustible individuels présentent des bossages, ces derniers peuvent être commodément fixés aux manchons en graphite ou aux entretoises qui maintiennent- les cartouches de l'ensemble. Dans certains cas, le ruban de combustible ne comporte qu'un seul ensemble dont la longueur est sensiblement égale à la hauteur du coeur, et il est évident qu'un tel ruban peut etre ysluni de bossages soit sur l'élément d'assujettissement, soit en un ou plusieurs points appropriés de l'ensemble lui-mame. De même, on pourrait équiper pareillement un élément de combustible qui ne comporte qu'une seule cartouche. On peut réduire notablement les vibrations dues aux chocs à l'aide d'aménagements d'un type autre que les bossages indiqués. L'élément d'assuJettissement ou l'élément du coeur peut porter une collerette annulaire perforée qui permet à un écoulement désiré de réfrigérant de traverser cette collerette. REVENDICATIONS 1.- Réacteur nucléaire, caractérisé en ce qutil comprend un coeur, un certain nombre de trajets de chargement permettant le mouvement des éléments du coeur vers et depuis le coeur, et un étranglement pour chaque trajet de chargement dont le robre est de réduire la section transversale d'au moins une partie de ce trajet afin de permettre le mouvement des éléments du coeur le long des trajets, sans réduire pratiquement la section transversale de ce trajet pour permettre l'écoulement du réfrigérant du réacteur. 2.- Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étranglement est un aménagement intérieur dans le trajet de chargement qui procure, pour le mouvement de l'élément du coeur un parcours ayant en section transversale une aire effective plus réduite que celle du parcours disponible pour l'écoulement du réfrigérant. 3.- Réacteur nucléaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit aménagement est un chemisage installé dans le trajet de chargement et espacé de la paroi de celui-ci. 4.- Réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le chemisage est partiellement de forme cylindrique et partiellement de forme tronconique. 5.- Réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le chemisage comprend au moins une partie de forme tronconique. G. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 41 caractérisé en ce que les parois du chemisage sont perforées. 7.- Réacteur nucléaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aménagement comprend au moins une nervure qui s'détend dans le trajet de chargement à partir d'une paroi de celui-ci. 8.- Réacteur nucléaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'aménagement comprend plusieurs nervures s'étendant dans le trajet de chargement à partir de la paroi de celui-ci, ces nervures étant équidistantes sur le pourtour de cette paroi. 9.- Réacteur nucléaire selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que chaque nervure comprend une première partie qui se prolonge vers l'intérieur sur une distance plus petite qu'une seconde partie de la nervure, raccordée à la première partie par une zone de transition le long de laquelle le prolongement vers l'intérieur de la nervure passe progressivement de sa petite valeur à sa grande valeurs 10.- Réacteur nucléaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une série d'éléments du coeur ayant chacun un étranglement sous forme d'au moins un organe de stabilisation dirigé vers l'extérieur à partir de la surface de l'élément. 11.- Réacteur nucléaire selon la revendication 10, caractérisé en ce que organe de stabilisation est une bague annulaire entourant l'élément du coeur, cette bague étant découpée dans des zones espacées pour réduire au minimum 1'étranglement du courant de réfrigérant. 12.- Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 caractérisé en ce que le trajet de chargement comprend un tube de chargement et un tuyau vertical, le tube présentant un diamètre intérieur accru à l'extrémité adjacente au tuyau, ledit aménagement étant logé dans la partie de plus grand diamètre du tuyau. 13.- Réacteur nucléaire selon la revendication 102 caractérisé en ce qu'au moins certains des éléments du coeur sont des rubans de combustible, comprenant chacun plusieurs ensembles de combustible maintenus en alignement axial par un tirant qui traverse axialement ces ensembles. 14.- Réacteur nucléaire selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque ensemble comprend des manchons intérieur et extérieur en graphite, des cartouches de combustible dans le manchon intérieur, et des guides terminaux montés sur le manchon intérieur afin de maintenir les cartouches dans une position parallèle et espacée.