Brevet FR2058307A1 — publié le 19710528

La présente invention concerne un ensemble ou faisceau d'éléments combustibles comportant un canal d'écoulement sous la forme d'une bcîte tubulaire ayant une extrémité inférieure renforcée pour éviter sa déformation et sa séparation 5 de la plaque de montage inférieure afin de régler la circulation en by-pass du réfrigérant autour de la boîte» Le coeur d'un réacteur nucléaire d'un type connu, tel que celui de la centrale pour la production d'énergie électrique de Dresden près de Chicago, minois* E»U»A» est du type 10 hétérogène, c'est-à-dire qu'il comporte un certain nombre d'ensembles ou de faisceaux d'éléments combustibles disposés pour former le coeur du réacteur nucléaire à réaction de fission nucléaire auto-entretenue» Le coeur est contenu dans une cuve sous pression dans laquelle il est submergé dans un fluide de 15 travail, tel que de l'eau légère, qui sert à la fois comme réfrigérant et comme modérateur des neutrons» Un certain nombre de barres de commande contenant une matière absorbant des neutrons peuvent être sélectivement introduites entre les faisceaux d'éléments combustibles pour régler la réactivité du coeur» 20 Chaque ensemble ou faisceau d'éléments combustibles comporte un groupe d'éléments ou de barreaux combustibles gainés supportés entre une plaque de montage supérieure et une plaque de montage inférieure» Ces faisceaux sont supportés dans la cuve sous pression entre une grille supérieure et une plaque ou grille 25 support inférieure» La plaque d'assemblage inférieure de chaque faisceau d'éléments combustibles comporte un élément d'appui ou nez qui s'adapte dans une ouverture de la grille inférieure» Ce nez comporte des ouvertures à travers lesquelles le réfrigérant sous pression pénètre pour circuler vers le haut à travers les 30 canaux d'écoulement du-faisceau combustible pour évacuer la chaleur des éléments combustibles» Un ensemble ou faisceau d'éléments ou de barreaux combustibles de ce type est décrit, par exemple, dans le brevet des E0U0A» n° 3 350 275» Dans les réacteurs nucléaires de types récents, des instruments nucléaires 35 sous la forme de détecteurs de neutrons sont contenus dans des récipients pour instruments situés dans les intervalles entre les faisceaux d'éléments combustibles» Dans un réacteur à eau, la chaleur est transférée du 70 29997 2 2058307 combustible à travers les gaines des éléments ou barreaux combustibles vers l'eau circulant vers le haut autour de ces éléments» A un certain niveau* l'eau atteint une température de saturation et au-delà de ce point des fractions croissantes d'eau sont 5 converties en phase vapeur» Normalement* le coefficient de transfert de chaleur entre une gaine d'élément combustible et l'eau est sensiblement constant. Cependant* si le flux-thermique et par suite la fraction de vapeur d'eau augmentent suffisamment* un seuil est atteint pour lequel le coefficient de transfert 10 de chaleur décroît soudainement de 5 à 10 fois » Cela résulte du changement du mécanisme de transfert de chaleur de l'ébullition par formation de bulles à l'ébullition en film* et il en résulte une augmentation indésirable très rapide de la température de la gaine de l'élément combustible» Le flux thermique au seuil 15 entre l'ébullition par bulles et l'ébullition en film est appelé "flux thermique critique". Une considération importante dans l'étude dès réacteurs à eau bouillante est la relation entre l'écoulement à l'intérieur des canaux des faisceaux combustibles et l'écoulement en 20 by-pass à travers l'intervalle existant entre ces faisceaux» D'une part, il est désirable d'augmenter au maximum l'écoulement à l'intérieur des canaux pour augmenter au maximum la marge pour le flux thermique critique» D'autre part* il est nécessaire d'assurer une quantité limitée de circulation en by-pass pour 25 éviter la stagnation du réfrigérant et la formation de cavités par de la vapeur d'eau* et pour refroidir convenablement les barres de commande et les dispositifs comportant des instruments dans le coeur qui sont situés dans les intervalles entre les canaux des faisceaux d'éléments combustibles» Ainsi* pour un 30 courant total donné de recirculation à travers le coeur* l'équilibre désirable entre l'écoulement à travers les canaux et l'écoulement en by-pass maintient une marge convenable pour le flux thermique critique tout en évitant un état cavitaire excessif à l'extérieur des canaux» 35 Suivant les combinaisons antérieures, le réglage de l'écoulement en by-pass est assuré en permettant une certaine fuite de réfrigérant entre les canaux des faisceaux et les plaques d'assemblage inférieures» Le canal d'écoulement n'est pas BAD ORIGINAL 70 29997 3 2058307 fixé au faisceau d'éléments combustibles, mais il est adapté pour pouvoir glisser sur la plaque d'assemblage supérieure et la plaque d'assemblage inférieure afin qu'il puisse être facilement enlevé et être réutilisé avec un nouveau faisceau d'élé-5 ments combustibles au moment du rechargement ou de l'inspection du faisceau d'éléments combustibles» Le canal d'écoulement est en matière relativement mince en raison de l'espace limité ainsi que pour minimiser l'absorption parasite de neutrons, et il a été constaté que l'augmentation de la pression du réfrigérant 10 pour augmenter le débit de ce réfrigérant à travers les faisceaux d'éléments combustibles provoque la déformation de la paroi du canal et son éloignement de la plaque de montage inférieure entraînant ainsi un débit de by-pass excessif pouvant empêcher le débit nécessaire de réfrigérant à travers le faisceau d'élé-15 ments combustibles» Les dispositions antérieures pour l'écoulement en by-pass ne conviennent pas pour les réacteurs nucléaires de types récents qui fonctionnent à une densité de puissance supérieure, avec de la vapeur d'eau ayant des titres supérieurs et avec des 20 marges thermiques plus faibles» Il est par suite désirable de disposer d'un dispositif de commande plus rigoureux et plus précis pour la circulation en by-pass» La présente invention a pour objet un ensemble ou faisceau d'éléments combustibles comportant un dispositif pour 25 régler le débit de by-pass afin de maintenir un pourcentage pratiquement constant de ce débit de by-pass par rapport au débit total du réfrigérant à travers le coeur sans réduire la facilité d'enlèvement et de remplacement du canal d'écoulement„ Ce résultat est obtenu selon la présente invention 30 en renforçant ou raidissant l'extrémité inférieure du canal d'écoulement dans la région dans laquelle le canal d'écoulement se trouve à coté de la plaque de montage inférieure afin d'améliorer le réglage de l'écoulement de fuite entre le canal d'écoulement et la plaque de montage inférieure» 35 Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, la partie inférieure du canal d'écoulement comporte des ondulations formées dans le sens circonférentiel pour augmenter la raideur» Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, 70 2999/ 4 2058307 la partie inférieure du canal d'écoulement est- plus épaisse pour augmenter sa résistance et sa raideur» Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention,,-la partie plus épaisse du canal d'écoulement comporte une sur-5 face extérieure ondulée. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, la partie inférieure du canal d'écoulement est renforcée par-un manchon entourant cette partie et fixe à cette partie. Ce manchon de renforcement peut être plat ou ondulé « 10 Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention* des bandes étroites de renforcement sont fixées autour de la partie inférieure du canal d'écoulement. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention* la partie inférieure au canal d'écoulement est renforcée par 15 des ourlets* obtenus en formant un canal d'une longueur supérieure et en rabattant les parties supplémentaires de la paroi du canal contre les surfaces voisines du canal. Les caractéristiques de 1'inventionrassortiront plus particulièrement de la description suivante* donnée à titre 20 d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés* sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un équipement générateur de vapeur d'eau à réacteur nucléaire; - la figure 2 est une vue en perspective et partielle-25 ment en coupe d'un ensemble d'éléments combustibles avec indication de la partie renforcée du canalj - la figure 3 est une vue en perspective et partiellement en coupe de la partie inférieure d'un canal d'écoulement renforcée par des ondulations; 30 - la figure 4a est une vue en perspective et partiel lement en coupe de la partie inférieure à canal d 'écoulement-renforcée par une surépaisseur; - la figure 4b est une vue en perspective et partiellement en coupe de la partie inférieure d'un canal d'écoulement 35 renforcée par une surépaisseur à surface extérieure onduléej - la figure 5a est une vue en perspective et partiellement en coupe de la partie inférieure d'un canal d1 écoulement renforcée par un manchon rapporté et fixé; - la figure 5b est une vue en perspective et partielBAD ORIGINAL 70 29997 5 2058307 lement enœupe de la partie inférieure d'un canal d'écoulement renforcée par un manchon ondulé rapporté et fixé; - la figure 5c est une vue en perspective et partiellement en coupe de la partie inférieure d'un canal d'écoulement 5 renforcée par plusieurs bandes étroites fixées autour de cette partie; - la figure 6 est une vue en perspective et partiellement en coupe de la partie inférieure d'un canal d'écoulement renforcé par des ourlets rabattus contre les surfaces extérieu- 10 res; et - la figure 7 représente graphiquement les caractéristiques d'écoulement d'un ensemble d'éléments combustibles selon l'invention et d'un ensemble d'éléments combustibles d'un type antérieur » 15 L'invention est décrite ci-après en considérant à titre d'exemple le cas d'un réacteur nucléaire réfrigéré et modéré par de l'eau du type représenté sur la figure 1» Le réacteur comporte une cuve sous pression 10 contenant un coeur de réacteur 11 submergé dans un réfrigérant tel que de l'eau 20 légère„ Le coeur 11 est entouré par un écran annulaire 12» Le coeur 13 contient un certain nombre d'ensembles d'éléments combustibles remplaçables 13 qui sont disposés espacés les uns des autres et sont supportés à l'intérieur de la cuve 10 par une grille supérieure 14 et une plaque ou grille support infé-25 rieure 16. Chaque ensemble d'éléments combustibles comporte une pièce formant un nez 17 qui est engagé dans une ouverture support de la grille inférieure l6„ L'extrémité du nez dépasse à travers la grille 16 et comporte des ouvertures communiquant avec une chambre d'alimentation en réfrigérant 19» Une pompe 30 de circulation 18 envoie le réfrigérant sous pression dans la chambre 19 à partir de laquelle le réfrigérant est refoulé à travers les ouvertures des pièces 17 pour qu'il remonte à travers les faisceaux d'éléments combustibles» Une partie du réfrigérant est convertie en vapeur d'eau qui passe à travers un 35 ensemble séparateur et sécheur 20 vers un dispositif d'utilisation tel que;.la turbine 21„ L'eau condensée dans le condenseur 22 est renvoyée par la pompe 23 comme eau d'alimentation à l'intérieur de la cuve 1. Des barres de commande 24 peuvent être introduites sélectivement entre les ensembles d'éléments combus- 70 29997 6 2058307 tibles 13 pour régler la réactivité du coeur. Des récipients ou logement 15 pour des instruments sont disposés entre les ensembles d'éléments combustibles pour contenir des détecteurs des neutrons afin de contrôler le' niveau de puissance du réac-5 teur » La figure 2 représente un ensemble d'éléments combustibles 13 qui comporte un certain nombre d'éléments ou barreaux combustibles 26 supportés entre une plaque de montage inférieure 27 et une plaque de montage supérieure 28 en forme 10 de grilleo Les éléments combustibles 26 traversent un certain nombre de séparateurs 29 qui supportent les éléments combustibles longs dans des parties intermédiaires pour maintenir les éléments combustibles convenablement espacés les uns des autres et pour empêcher les vibrations latérales de ces élé-15 ments» Chaque élément combustible 26 comporte un tube long contenant la matière fissile sous la forme de pastilles, de particules, de poudre ou sous une autre forme convenable» Le tube ou gaine tubulaire est fermé de façon étanche par un bou-20 chon supérieur 30 et un bouchon inférieur 31» Le bouchon inférieur 31 comporte une extrémité conique engagée dans une ouverture 32 correspondante de la plaque de montage inférieure 27 de façon que l'élément combustible soit supporté par cette plaque» Chaque bouchon supérieur 30 comporte un prolongement 25 33 engagé dans un alésage 34 correspondant de la plaque de montage supérieure 28. Plusieurs ouvertures 32 (par exemple des ouvertures sélectionnées des bords) de la plaque d'assemblage 27 sont taraudées pour recevoir les bouchons 31 filetés des éléments 30 combustibles, correspondants » Les prolongements 33 des bouchons supérieurs 30 des mêmes éléments combustibles sont plus longs pour dépasser au-dessus de la plaque de montage supérieure 28 et ces p? olongements sont filetés pour recevoir des pièces de retenue taraudées 35° De cette façon, la grille supérieure, 35 la grille inférieure et les éléments combustibles forment une structure unitaire» L'ensemble d'éléments combustibles 13 comporte en outre un canal d'écoulement tubulaire à paroi mince 36 de section BAD ORIGINAL 2999? 7 2058307 transversale sensiblement carrée s'adaptant avec ajustage glissant autour des plaques d'assemblage 27 et 28 et dea séparateurs 29 de façon à pouvoir être facilement mis en place et enlevé s Le canal 36 comporte un gousset 3'T soude à la paroi du canal dans un angle pour la fixation du canal à la structure unitaire ou faisceau d'éléments combustibles par une vis 38, La plaque de montagè 27 comporte une partie en forme de nez 17 qui est adaptée comme il a été indiqué pour- support ter l'ensemble d'éléments combustibles dans une cavité ou une ouverture support de la grille Inférieure 16 (figure l). L'extrémité de la plaque de montage inférieure comporte des ouvertures 39 pour le passage du réfrigérant sous pression afin qusii s'écoule vers le haut autour des éléments combustibles» Four éviter la stagnation du réfrigérant dans les espaces ou intervalles 25 situés entre les ensembles d'éléments combustibles» une partie (de l'ordre de 5 à 6?S) du réfrigérant pénétrant dans chaque ensemble d'éléments compastibles échappe vers ces intervalles 25 entre la plaque d'assemblage intérieure 27 et le canal 36 de l'ensemble d'éléments combustibles de la façon indiquée par la flèche LF de la figure 2 pour l'établissement d'un courant de by-pass entre les canaux» Comme il a été indiqué ci-dessus# les dispositions antérieures n'assurent pas une régulation convenable de cet écoulement de fuite ou de by~pass„ Conformément à la présente invention le réglage de l'écoulement de fuite suivant la flèche LF est amélioré par le renforcement ou raidissement de la partie inférieure 40 du canal d'écoulement dans la région du canal d'écoulement se trouvant- à coté de la plaque de montage inférieure 27.= Le canal d'écoulement ainsi renforcé résiste d'une façon plus satisfaisante a la déformation et à son élcignement de la plaque de montage inférieure en cas d'augmentation de la différence de pression et de l'augmentation de la durée de service de 1'ensemble a'éléments combustibles, le pourcentage de débit de fnite restant plus constant. Si le canal a'écoulement renforcé ou raidi restreint trop l'écoulement en by-pass.« dea trous d'ecouiement en by-pass peuvent être formés à travers la plaque de montage inférieure 27 et/ou des trous découlement en by-pass peuvent être formés à travers la parci du cana 1 36t /Q 29997 H 2058307 La figure 3 représente la partie inférieure d un canal d'écoulement renforcé selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Suivant ce mode ae reali isatiorr la partie inférieure HO au canal d'ec-oulemc-nt *f-. venant autour «le la 5 plaque de montage inférieure est renforcée et lalcsie par des ondulations 43 formées autour de cette partie inférieure„ Ces ondulations permettent une rigidité considérablement supérieure contre la déformation de cette partie et son ée-arte-ment par rapport a. la plaque de montage inférieure 27» De 10 plus, ces ondulations étant perpendiculaires a j.a direction d'écoulement de fuite augmentent la résistance à l'écoulement sur le trajet de fuite* Les figures 4a et 4b représentent la partie inférieure d'un canal d'écoulement suivant un autre mode de mise en oeuvre 15 de l'invention. Suivant ce mode de réalisations la partie inférieure 40 du canal d'écoulement j6 a une plus grande épaisseur t.± d'une valeur- suffisante pour obtenir la résistance et la raideur voulues dans cette partie., tandis que le reste du canal d'écoulement a 1?épaisseur normale tQO Suivant la figure 20 4a;; la surface extérieure de la partie plus épaisse est lisse, et suivant la figure 4b la surface extérieure de la partie plus épaisse est une surface ondulée 44 pour augmenter le rapport entre la raideur et la quantité de métal « Les figures 5&s 5b et 5c représentent les parties 25 inférieures de canaux d'écoulement suivant d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention, Dans les trois cas, la partie inférieure est renforcée par des éléments rapportés autour de la surface extérieure de la partie inférieure du canal» Suivant la figure 5a, un manchon 46 entoure la partie infë-30 rieure 4C du canal 3'~ auquel il est fixe, par exemple par une soudure en 47. Le manchon k5 peut être toumia a un traitement de libérât!"!} des len;.-.ions internee d façon connue aVçi,i • '. fi-k"t:i"n ,iu an;-:.!. " ; - -i r réouiy;- * • ••• • >■_. t 1;. i- Ur rapport en,: -re ..-up-?ri«ur 1--, r-~oi.--t.âr«.o; et BÂD ORIGINAL 70 29997 9 2058307 quantité de matière est aussi obtenu de la façon représentée sur la figure 5c suivant laquelle la partie inférieure 40 du canal d'écoulement 36 est renforcée par plusieurs' bandes étroites 46' espacées les unes des autres» 5 La figure 6 représente la partie inférieure d'un ca nal d'écoulement 36 selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention» Suivant ce mode de réalisation, la partie inférieure 40 du canal d'écoulement 36 est renforcée par un ourlet» Cet ourlet peut être obtenu en formant initialement un canal 10 d'écoulement 36 d'une longueur supérieure à la longueur désirée. Les angles de la partie supplémentaire sont supprimés en laissant des parties de renforcement 48 dépassant à partir de chaque côté du canal d'écoulement» Chaque partie de renforcement 48 est ensuite rabattue à l'extérieur contre la surface 15 correspondante de la partie 40 du canal d'écoulement pour former un ourlet de la façon représentée sur la figure 6„ Bien qu'avec certaines matières il soit possible d'étendre l'ourlet autour des angles du canal d'écoulement, cela n'est habituellement pas possible du fait de la difficulté 20 de formage avec la matière préférée qui est du zirconium peu absorbeur de neutrons thermiques» De plus* le réglage de l'écoulement de fuite désiré peut être obtenu sans prolonger L'ourlet autour des angles» La figure 7 montre graphiquement l'efficacité d'un 25 dispositif selon la présente invention par comparaison au montage suivant une technique antérieure d'après laquelle le réglage de l'écoulement de fuite dépend seulement d'un ajustage prédéterminé entre le canal 36 et la plaque de montage inférieure 27» Les courbes en traits pleins correspondent 30 aux performances au début du fonctionnement d'un ensemble d'éléments combustibles dans le réacteur et les courbes en tirets correspondent au fonctionnement de l'ensemble à la fin de la durée d'utilisation, c'est-à-dire après plusieurs années d'utilisation dans le coeur du réacteur» D'autre part, 35 la lettre A correspond à un ensemble d'éléments combustibles selon la présente invention et la lettre B à un ensemble d'éléments combustibles d'un type antérieur» Dans le cas d'un ensemble du type antérieur, le débit de fuite augmente de plus d'un tiers pendant la vie utile de l'ensemble, tandis que dans le cas d'un ensemble selon l'invention, la variation 70 29997 '10 2058307 du débit de fuite est inférieure à 1% après la même durée de fonctionnement„ La variation du débit de fuite en fonction de la variation du débit total du réfrigérant est nettement inférieure dans le cas de la présente invention» Un autre avantage 5 appréciable de la présente invention est qu'elle n'empêche pas et ne complique pas d'une façon indésirable la facilité d'enlèvement et de remplacement dû canal 36» Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant 10 d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre» 70 29997 " 2058307 REVENDICATIONS ï. Ensemble' d'éiements o imbustibles pour réacteur nuc-lësir® caractérisé par un certain nombre a^ei-jment^ coœbus-' î bùes en ïirK ce barreau}: f^r-mani un groupe entre uns pr-e.ttièr-ï plaque et- une .~s?or.nde places de mon!âge, la seconde plaque de montage permettant le passage du réfrigérant vers l'intérieur de l'ensemble, un canal ô'eecuxement tubulaire amovible à extrémité ouvertes autour de ce groupef une extrémité de ce canal .3 'adaptant à îa surface périphérique de oe-tte seconde plaque 1C de montage pour- permettre une fuite limitée du réfrigérant entre-la plaaue de montage et le canal» 2r= cariai d'écoulement comportant une parM e renforcée dans la région entourant la seconde plaque de montage pour augmenter la résistant à la déformation de cette partie du canal d'écoulement et son eloignetrent de la if; seconde plaque de montage„ £ ; Ensemble d 'éléments combustibles selon la revendication i, oaraotériae en ce què la sec-onde plaqu® âe montage- comporte au moins un passage d:écoulement en by-pass pour le réfrigérant. PC 3- Ensemble déléments combustibles selon l'une des revend:! cations 1 et 2:. caractérisé en ce que la partie infé-rioure du canal d Seulement est r enforcée par des ondulations s'étendant auteur de cette- partie inférieure « Ji, Ensemble d'éléments combustibles selon l'une des revendications J et caract>ir3sé en c-e que la partie in-ferisure du canal d'écoulement est renforcée par une surépaisssur de le paroi du canal par rappel t au reste de la paxoi du canal, rz . Ensemble d'éléments c-^ribusîtible^ selon la r-ever.-oicatlon « caraC'^ri.eê en ce aut la partie plus épaisse de la y "'V i ranal co-nporte des ; ■: t -■ Tille o V:!'-;*»'-.-:.- " ; t ;: é es • ' t" : ' ' - - \ ,-e • :• : : : - • ' • • - ■- . . . - i • . . un .. •' , . • ' C- - - " "" -M Er.v.-ii^le * : • • i. 1 . , T A t. " » i l''"l r ; bSl * c^v" : " :f~ O : 2; - .. 1 C" •- - i V C1 " " J 11 i } OT :v . bM, originm- 2999? 2058307 8. Ensemble d'éléments combustibles aelon l'une des revendications 1 et 2« caractérisé en ce que la partie inférieure du canal d*écoulement c~t renforcée par plccieur? bandes espacées et entourant cette partie„ g. Ensemble d'éléments ecrnbustibies selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie inférieure du canal d'écoulement- est renforcée par un curlet rabattu contre la surface extérieure d.e cette partie du canal „ 10, Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 9s caractérisé en ce que l'ourlet est interrompu aux angles du canal. BAD ORIGNAL