Brevet FR2058306A1 — publié le 19710528

La présente invention concerne un ensemble ou faisceau éléments combustibles pour réacteur nucldaire comportant un dispositif pour régler la circulation du rerigdrant autour de l'4lément tubulaire formant le canal dSeeoulement de cet ensemble. Dans un type connu de réacteur nucléaires par exemple celui de la centrale électrique de Dresden, le coeur du réacteur est du type hétérogène, Autrement dit, le coeur comprend un certain nombre d'ensembles d'éléments combustibles disposés verticalement pour former le coeur du réacteur nucléaire à réaction de fission auto-entretenu Ce coeur est contenu dans une cuve sous pression dans laquelle il est submergé dans un fluide de travail, tel que de l'eau légère qui sert d la fois comme réfrigérant et comme modérateur des neutrons.Des barres de commande contenant une matière absorbant les neutrons sont introduites sélectivement entre les ensembles d'éléments combustibles pour rdgler la rdactivité du coeur Chaque ensemble éléments combustibles comporte un canal d'écoulement tubulaire contenant un faisceau d'éléments combustibles forme d'un groupe éléments ou de barreaux combustibles gains supportés entre une plaque de montage supérieure et une plaque de montage inf4rieure. Les ensembles d'éléments eombustibles sont supportes à ltintérieur de la cuve sous pression entre une grille supérieure et une plaque ou grille support inf4rieure. Chaque ensemble d'éléments combustibles comporte une piece formant un nez qui s'adapte dans une ouverture de la grille inférieure et dépasse dans une chambre dialimentation en réfrigérant sous pression Cette pièce inférieure comporte des ouvertures à travers lesquelles le réfrigérant sous pression passe vers l'intérieur du canal d'écoulement de l'ensemble d'élé- ments combustibles pour remonter à travers ce canal et évacuer la chaleur des éléments combustibles Un ensemble d'éléments combustibles de ce type est décrit, par exemple dans le brevet des E.U.A. n 3 350 275.Dans des réacteurs nucléaires relents, des instruments nucléaires sous la forme de détecteurs de neutrons sont contenus dans des récipients ou des logements situés dans des intervalles compris entre des ensembles d'éléments combustibles Dans un réacteur k eau, la ehaleur est transférée du combustible à travers les gaine$ des iéments combustibles vers l'eau circulant vers le haut entre les éléments combustibles. A un certain niveau, cette eau circulant atteint la température de saturation, et au-delà de ee point des fractions croissantes de l'eau sont en phase vapeur. Le coefficient de transfert de chaleur entre les gaines des éléments combustibles et l'eau est normalement sensiblement constant Cependant, si le flux thermique et en conséquence la fraction de vapeur d'eau sont suffisamment augmentés, un seuil est atteint pour lequel le coefficient de transfert de chaleur décrott brusquement de 5 à iO fois. Cela provient d'un changement de mécanisme de transfert de chaleur de l'ébullition à bulles à l'ébullition en film, et il en résulte une augmentation indésirable très rapide de la temp8rature des gaines des éléments combustibles. Le flux thermique au seuil entre l'ébullition par bulles et l'ébullition en film est appelé "flux thermique critique. Une considération importante dans l'étude des réacteurs à eau bouillante est la relation entre la circulation à l'inté- rieur des canaux d'écoulement des ensembles d'éléments combustibles et la circulation en by-pass du réfrigérant à travers les intervalles existant entre les ensembles d'éléments combustibles. D'une part, il est désirable que l'écoulement à travers les canaux soit maximal pour augmenter au maximum la marge par rapport au flux thermique critique. D'autre part, il est nécessaire d'établer un écoulement limité en by-pass pour éviter la stagnation du réfrigérant et la formation de cavités remplies de vapeur d'eau, et aussi de refroidir convenablement les barres de commande et les instruments situés dans les intervalles entre les canaux d'écoulement des ensembles d'éléments combustibles Pour un écoulement de recirculation total donné dans le coeur, l'équilibre désirable entre l'écoulement a travers les canaux et l'écoulement en by-pass maintient ainsi une marge convenable par rapport au flux thermique critique tout en évitant une formation excessive de cavités chargées de vapeur d'eau à l'extérieur des canaux. Suivant les dispositions antérieures, la plaque de montage inférieure et la pièce d'extrémité ou nez de l'ensemble sont venus de merière et le réglage de l'écoulement en by-pass est obtenu en permettant une certaine fuite du réfrigérant entre le canal d'écoulement de l'ensemble d'éléments combustibles et la plaque de montage inférieure.Le canal d'écoulement est en matière relativement mincie en raison de l'espace limité, ainsi que pour réduire au t.inimum l'absorption parasite de neutrons, et il a été constaté que l'augmentation de la pression du réfri- gérant (pour augmenter le débit de réfrigérant à travers l'en- semble d'éléments combustibles) provoque la déformation du canal d'écoulement et son éloignement de la plaque de montage inférieure se traduisant par un écoulement en by pass excessif pouvant réduire le débit nécessaire du réfrigérant à travers l'ensemble d'éléments combustibles. Les combinaisons antérieures pour l'écoulement en bypass ne conviennent pas pour les réacteurs nucléaires de type récent qui fonctionnent avec une densité de puissance supérieure, des pressions supérieures du réfrigérant, des quantités supérieures de vapeur d'eau et des marges thermiques plus faibles. I1 est par suite désirable d'obtenir un réglage plus sévère et plus précis de 11écoulement en by-pass. La présente invention a pour objet un ensemble d'éléments combustibles comportant un disposlt4 de commande de l'é- coulement en by-pass maintenant l'écoulement en by-pass b un pourcentage sensiblement constant du débit total de réfrigérant à travers le coeur sans réduire la facilité d'enlèvement et de remplacement du faisceau d'éléments combustibles dans le canal d'écoulement de l'ensemble. Ce résultat est obtenu en formant la plaque d'assemblage inférieure et la pièce d'extrémité ou ne recevant le réfrigérant en deux pièces séparables et en fixant de façon permanente le canalfd'écoulement à la pièce d'extrémité de façon à empêcher complètement ou à limiter efficacement l'écoulement de fuite entre ces deux parties Des passages pour l'écoule- ment en by-pass sont formés à travers les parois de la pièce d'extrémité et/ou à travers la partie inférieure de la paroi du canal dteeoulementO Une caractéristique importante de la présente invention est ainsi que la pièce d'extrémité est fixée de façon permanente au canal drécoulement de sorte que le canal d'écoulement ne peut pas se déformer et s'écarter de cette pièce d'extrémité et augmenter l'importance des passages de l'écoulement de fuite. Les caractéristiques-de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un générateur de vapeur d'eau à réacteur nucléaire; - la figure 2 est une vue en perspective avec des parties coupées deun ensemble d'éléments combustibles selon un mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 3 est une coupe verticale d'une partie de l'ensemble de la figure 2; et - la figure 4 est un graphique montrant les performances d'un ensemble selon l'invention par comparaison avec un ensemble d'un type antérieur. L'invention est décrite ci-après en considérant à titre d'exemple un réacteur nucléaire réfrigéré et modéré par de l'eau du type représenté sur la figure 1. Un tel réacteur comporte une cuve sous-pression 10 contenant un coeur de réacteur 11 submergé dans un réfrigérant tel que de l'eau légère. Le coeur 11 est entouré par un écran annulaire 12. le coeur - - - - - - 11 comprend un certain nouure a ensembles éments combustibles remplaçables 13 espacés les uns des autres et supportés à l'intérieur de la cuve 10 entre une grille supérieure 14 et une plaque ou grille support inférieure 16. Chaque ensemble d'éléments combustibles comporte une pièce d'extrémité ou nez 17 qui est engagé dans une ouverture correspondante de la grille inférieure 16. L'extrémité de ce nez dépasse à travers la grille 16 et comporte des ouvertures communiquant avec la chambre d'alimentation en réfrigérant 19. Une pompe de circulation 18 envoie le réfrigérant sous pression dans la chambre 19 à partir de laquelle le réfrigérant est refoulé à travers les nez 17 pour qu'il remonte à travers les ensembles d'éléments combustibles Une partie du réfrigérant est ainsi convertie en vapeur d'eau et traverse un ensemble séparateur et sécheur 20 vers un dispositif d'utilisation tel que la turbine 21. L'eau condensée dans un condenseur 22 est renvoyée en tant qu'eau d'alimentation par une pompe 23 à l'intérieur de la cuve sous pression 10. Des barres de commande 24 peuvent être introduites sélectivement entre les ensembles d'éléments combustibles 13 pour régler la réactivité du coeur. Plusieurs récipients ou logements 15 sont disposés entre les ensembles d'éléments combustibles pour contenir des détecteurs de neutrons pour le controle du niveau de puissance du coeur. Pour éviter la stagnation du réfrigérant dans les espaces ou intervalles 25 entre les ensembles d'éléments combustibless une partie (de l'ordre de 5 à 6ss) du débit de réfrigérant à travers chaque ensemble d'éléments combustibles peut échapper vers les espaces 25 voisins. Comme il a été expliqué ci-lessus, avec les combinaisons antérieures, ce débit de by-pass est obtenu par fuite de réfrigérant entre la plaque de montage inférieure et le canal d'écoulement de l'ensemble d'éléments combustibles. Cependant, ces combinaisons ne conviennent pas pour les réacteurs récents à la densité élevée de puissance Les figures 2 et 3 représentent un ensemble d'éléments combustibles 13 selon l'invention permettant une commande précise du débit de by-pass du réfrigérant. L'ensemble d'éléments combustibles 13 comprend un certain nombre éléments combustibles en forme de barreaux longs 26 supportés entre une plaque de montage inférieure 27 et une plaque de montage supérieure en forme de grille 28 Les éléments combustibles 26 traversent plusieurs séparateurs 29 qui forment des supports intermédiaires pour maintenir les éléments combustibles espacés de la façon voulue, et pour empécher les éléments de vibrer latéralement. Chaque élément combustible 26 comporte un tube long contenant le combustible fissile sous la forme de pastilles, de particules, de poudre ou sous une autre forme, le tube étant fermé de façon étanche par un bouchon supérieur 30 èt un bouchon inférieur 31 Chaque bouchon inférieur 31 comporte une partie conique s'adaptant dans une ouverture complémentaire-32 de la plaque de montage inférieure 27 pour entre supportée par ce le cl, Les bouchons supérieurs 30 comportent des prolongements 33 qui sont engagés dans des ouvertures 34 de la plaque de montage supérieure 28. Plusieurs ouvertures 32 (par exemple des ouvertures choisies sur les bords, telles que l'ouverture 32') de la plaque 27 sont taraudées pour des éléments combustibles comportant des bouchons inférieurs 31 ayant une partie filetée. Les prolongements 33 des bouchons supérieurs 30 de ces mêmes éléments combustibles sont plus longs pour dépasser à travers les ouvertures de la plaque de montage supérieure 28 et leurs extrémités sont filetées pour recevoir des derous de fixation 35 De cette façon, la plaque supérieure, la plaque inférieure et les élé- ments combustibles forment une structure unitaire ou faisceau d'éléments combustibles L'ensemble de ments combustibles 13 comporte de plus un canal d'écoulement tubulaire à paroi mince 36 ayant une section sensiblement carrée et qui est engagé avec un ajustage glissant autour de la plaque de montage inférieure 27 et de la plaque de montage supérieure 28 ainsi que des séparateurs 29 pour permettre l'introduction et l'enlèvement faciles du fais ceau d'éléments combustibles. L'ensemble d'éléments combustibles 13 comporte aussi une pièce inférieure formant un nez 17 qui supporte l'ensemble d'éléments combustibles dans une ouverture de la grille inférieure 16 (figure 1) ainsi qu'il a été indiqué ci-dessus. L'extrémité inférieure du nez 17 comporte des ouvertures 39 pour le passage du réfrigdrant sous pression afin-quil s'écoule vers le haut autour des éléments combustibles. Dans un ensemble antérieur d'éléments combustibles la pièce inférieure ou nez 17 et la plaque de montage inférieure sont en une seule pièce Par contre, conformément à l'invention, le nez 17 et la plaque de montage inférieure 27 sont des pièces séparées. Pour supporter la plaque de montage inférieure 27, le nez comporte plusieurs bossages 40, par exemple un bossage 40 à chaque angle du nez. Pour maintenir l'alignement de la plaque de montage inférieure 27 par rapport au nez 17, deux ou plus de deux bossages 40 comportent des alésages 42 dans lesquels sont engagés des prolongements plus longs des bouchons inférieurs 31 des éldments-eombustibles correspondants. Une caractdrestique de l'invention est que le canal d'écoulement 36 est flux de façon permanente au nez 17 pour régler les fuites de refrigdrantO Le canal peut astre fixé par une série de rivets 43 etZou par une soudure 44, ou bien d'une autre façon convenable De toute façon, cette fixation empêche ou limite efficacement les fuites de réfrigérant entre le canal d'écoulement 36 et le nez- 17 Avec des fuites ainsi lieities par la fiation du canal d'écoulement au nez, il peut entre nécessaire de prévoir d'autres passages pour l'écoulement en by-pass.Par exemple, des passages d'écoulement en by-pass 45 traversant le nez 17 et/ou des passages d'écoulement en by-pass 46 à travers la paroi du canal d'écoulement 36 peuvent être formés dans ce but L'efficacité d'un dispositif selon la présente invention est illustrée graphiquement par la figure 4 qui permet la comparaison entre les performances d'un dispositif de réglage du débit selon l'invention et celles d'un dispositif d'un type antérieur avec lequel le réglage du débit en by-pass dépend uniquement d'un ajustage prédéterminé entre le canal d'écoulement 36 et la plaque de montage inférieure 27.Les courbes A correspondent à des ensembles d'éléments combustibles selon la présente invention et les courbes B correspondent à des ensembles d'éléments combustibles d'un type antérieur, et les courbes en traits pleins correspondent au début du fonctionnement dans le réacteur et les courbes en tirets à la fin de vie d'un ensemble d'éléments combustibles, ctest-à-dire après son fonctionnement dans le réac- teur pendant plusieurs années. Dans le cas d'un ensemble d'éléments combustibles du type antérieur, la fraction du débit de fuite augmente de plus d'un tiers pendant la durée de vie de cet ensemble, tandis que dans le cas d'un ensemble d'éléments combustibles selon l'invention, la variation de la fraction du débit de fuite pendant la vie de cet ensemble est très faible quand le canal d'écoulement 36 est rivé au nez 17. Les variations de la fraction du débit de fuite en fonction des variations du débit total de réfrigérant sont pratiquement nulles dans le cas d'un ensemble d'éléments combustibles selon la présente invention. D'autre part, la facilité d'enlèvement du faisceau d'éléments combustibles du canal d'écoulement 36 est conservée. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS I. Ensemble d'éléments combustibles pour réacteur nucléaire caractérisé par un certain nombre d'éléments combustibles en forme de barreaux espacés pour former un groupe entre une première plaque de montage et une seconde plaque de montage, une pièce formant un nez à c8té de la seconde plaque de montage, cette-pièce comportant des éléments supports en contact séparable avec la seconde plaque de montage et étant adaptée pour le passage d'un courant de réfrigérant, et-un canal d'écoulement tubulaire å extrémités ouvertes entourant le groupe d'éléments combustibles pour diriger le réfrigérant autour des éléments combustibles, l'extrémité du canal d'écoulement étant fixée au nez pour empscher la déformation du canal découlement et son éloignement du nez -afin de limiter les fuites de réfrigérant entre ces deux parties0 2. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 1, caractérisé par au moins un passage d'écoulement en by-pass 9 travers le nez pour diriger une partie du réfrigérant vers l'extérieur du canal d'écoulement. 3. Ensemble d'éléments combustibles selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par au moins un passage d'écoulement en by-pass formé à travers le canal d'écoulement pour diriger une partie du réfrigérant vers l'extérieur du canal d'écoulement. 4. Ensemble d'éléments combustibles selon l'une quelconque des revendications 1 k 3, caractérisé en ce que le canal d'écoulement est rivé au nez. 5. Ensemble d'éléments combustibles selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le canal d'écoulement est soudé au nez. 6o Ensemble d'éléments combustibles selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en oe que chaque élément combustible comportç un bouchon d'extrémité engagé dans la seconde plaque de montage et au moins certains des bouchons dXextrdmité sont prolongés pour strie engagés dans les éléments supports du nez pour maintenir l'alignement entre la seconde plaque de montage et ces éléments supports. 7 Ensemble d'éléments combustibles pour réacteur nucléaire, caractérisé par plusieurs éléments combustibles en forme de barreaux espacés pour former un groupe entre une première plaque de montage et une seconde plaque de montage, des dispositifs pour interconnecter-les plaques de montage pour former un faisceau unitaire d'éléments combustibles avec une plaque de montage, un canal d'écoulement tubulaire à extrémités ouvertes pour contenir le faisceau d'éléments combustibles, et une pièce formant un nez fixée à une extrémité du canal dté- coulement pour empêcher la déformation du canal d'écoulement et son éloignement du nez, ce nez comportant des passages d'écoulement pour recevoir le réfrigérant et le diriger vers linté- rieur du canal d'écoulement 8.Ensemble éléments combustibles selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nez comporte des éléments supports pour supporter le faisceau d'éléments combustibles à l'intérieur du canal d'écoulement. 9. Ensemble d'éléments combustibles selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le nez comporte au moins un passage d'écoulement en by-pass pour diriger une partie du réfrigérant vers l'extérieur du canal d'écoulement. 10. Ensemble d'éléments combustibles selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le canal d'écoulement comporte au moins un passage d'écoulement en by-pass pour diriger une partie du réfrigérant vers l'exté- rieur du canal d'écoulement Il Ensemble d'éléments combustibles selon l'une quelconque des revendications 7à 10, caractérisé en ce que le canal d'écoulement est rivé au nez 12. Ensemble d'éléments combustibles selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le canal d'écoulement est soudé au nez