Brevet FR2088009A1 — publié le 19720107

L'invention a pour objet un assemblage de combustible nucléaire utilisable dans un réacteur nucléaire refroidi et modéré à l'eau légère (sous pression ou bouillante) ou à l'eau lourde, ou encore dans un réacteur à neu-5 trons rapides refroidi au sodium. Un tel assemblage comporte un faisceau de barreaux de combustible gainés, maintenus parallèles et aux noeuds d'un réseau régulier par au moins une plaque d'extrémité qui porte les barreaux gainés et par des grilles d'espacement qui frottent sur les barreaux. Le terme 10 "combustible" doit être interprété comme couvrant non seulement le cas de matériau fissile (ce qui est le cas général) • mais aussi celui de matériau fertile. Dans les assemblages de combustible du type ci-dessus il est nécessaire de maintenir latéralement les 15 grilles et de suspendre la plaque inférieure, qui supporte en général les barreaux gainés. Dans l'assemblage décrit dans le brevet luxembourgeois n° 58 951 déposé par l'organisme demandeur, ce résultat est atteint en remplaçant certains des barreaux gainés par des tubes tirants fixés à la plaque infé-20 rieure, aux grilles et à une plaque supérieure qui supporte le faisceau. Cette disposition, satisfaisante dans l'ensemble, présente toutefois un inconvénient: elle oblige les grilles à se déplacer par rapport à l'ensemble des barreaux gainés lors 25 des variations de régime thermique, en particulier lorsqu'on passe de l'arrêt du réacteur aux conditions de service. Si en effet la température des tirants est la même que celle des barreaux gainés à 1'arrêt du réacteur, lors du fonctionnement en puissance la température des tirants (pratiquement égale à 30 celle du réfrigérant) est nettement inférieure à celle des gaines traversées par le flux de chaleur provenant du combustible. L'invention vise notamment à éliminer cet inconvénient dans.ce but elle propose, un assemblage.de combustible 35 nucléaire, comprenant un faisceau de"barreaux de.combustible gainé, maintenus parallèles et aux noeuds d'un réseau régulier par une plaque d'extrémité inférieure qui porte les barreaux gainés et par des grilles d'espacement qui frottent sur les 70 16666 2 2088009 barreaux, ladite plaque étant reliée à une plaque d'extrémité supérieure par l'intermédiaire de tirants, la plaque supérieure ou inférieure étant munie de moyens de fixation dans le coeur d'un réacteur, lesdits tirants occupant certains des noeuds 5 du réseau, où ils remplacent les barreaux gainés, et leur diamètre étant égal à celui des barreaux gainés. Etant donné que le nombre des barreaux gainés est très supérieur à celui des tirants ( dans un rapport qui est en général au moins de 10 environ ) les forces de frottement 10 exercées par j_es grilles sur les barreaux sont très supérieures à celles exercées sur l'ensemble des tirants. En conséquence, elles retiennent les grilles sur les barreaux tandis que les tirants coulissent légèrement lorsque le régime thermique change. Toutefois,des mouvements de faible amplitude peuvent subsister 15 entre les grilles et certains barreaux gainés, étant donné les écarts de dilatation qui peuvent intervenir entre les barreaux. Pour éviter une reptation des grilles le long du faisceau, on limite avantageusement leur déplacement par des butées qui laissent subsister un jeu au moins égal à l'allongement total 20 différentiel en service entre le barreau le plus chaud et les tirants. Les butées peuvent évidemment prendre diverses formes. Elles peuvent en particulier être constituées par des tubes entretoises coulissants portés par certains au^moins des tirants 25 et séparant les grilles ainsi que la plaque ou les plaques d'extrémité. Ces butées peuvent également être constituées par des bossages emboutis dans les tubes tirants après montage ou des pièces rapportées par soudure, brasées ou fixées par tout moyen convenable sur les tubes tirants après montage de ceux-ci. 30 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un assemblage de combustible pour réacteur nucléaire à' eau légère sous pression constituant un mode de réalisation, particulier. de 1 ' invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se-réfère, aux dessins.. q.ui l'accompagnent 35 dans lesquels: - les Fig. la et lb montrent schématiquement, la première la partie supérieure de l'assemblage, la seconde une fraction des parties inférieure et médiane de l'assemblage, en coupe suivant la ligne I-I de la Fig. 2; 70 16666 3 2088009 - la.Fig. 2 est une vue partielle en coupe suivant la ligne II-II de la Fig. lb; et - la Fig. 3 montre schématiquement, en perspective, une fraction de la plaque inférieure. 5 L'assemblage de combustible 10 comprend un faisceau de barreaux gainés 12 porté par une plaque inférieure 14 suspendue par des tubes tirants 18 à une plaque supérieure 16. Trois grilles 20 réparties le long de l'assemblage maintiennent les barreaux gainés 12 aux noeuds d'un réseau carré. La plaque 10 supérieure 16 se prolonge par une hotte 22 de guidage du réfrigérant (eau légère) et d'accrochage de l'assemblage à un sommier non représenté. Les gaines des barreaux 12 (dont une partie seulement est représentée en Fig. la et lb) sont fermées par des bouchons 15 d'extrémité 24 et 26. Le bouchon inférieur .24 prend appui sur la plaque inférieure 14. Entre le bouchon supérieur 26 et la plaque supérieure 16 on réserve au montage un jeu j suffisant pour n'être pas rattrapé lors de l'allongement total différentiel en service des barreaux gainés. On prévoit en géné-20 ral un jeu de l'ordre de quelques millimètres par mètre de barreau gainé. Les trois grilles 20 illustrée à titre d'exemple sont du type décrit et revendiqué dans le brevet français n° 1 584 335 demandé le 2 juillet 1968 par l'organisme demandeur.* 25 Chacune de ces grilles comprend, à l'intérieur d'un cadre, un réseau de tôles emboîtées délimitant des alvéoles à section carrée. Les tôles sont évidées et constituées chacune de deux rubans rectilignes parallèles reliés par des bandes étroites ondulées 30 formant plusieurs saillies de chaque côté du plan 30 des deux rubans parallèles (partie droite des figures la et lb). Des fentes interrompent l'un des rubans dans l'axe de chaque évidement entre deux bandes étroites de façon à permettre d'emboîter les unes dans les autres les tôles perpendiculaires. Les bandes étroites ondulées-sont déformées élastiquement par les 35 barreaux et par les tirants lorsque ceux-ci sont en place et en conséquence exercent une force de frottement sur eux. Les tirants 18 de suspension de la plaque inférieure 14 à la plaque supérieure 16 sont, dans le mode de réalisation illustré, constitués par des tubes destinés à livrer passage à 70 16666 4 2088009 des tiges mobiles contenant un matériau absorbant les neutrons et faisant partie des barres de contrôle du réacteur. On voit sur la Fig. 2 que seize emplacements, régulièrement répartis et faisant partie des cent soixante neuf noeuds du réseau délimité 5 par les grilles sont occupés par des tubes tirants 18. L'extrémité inférieure de chacun des tubes tirants est munie d'un plot de fixation 32 (Fig. lb) fixé au tube et percé d'un passage axial de circulation de réfrigérant. Chacun de ces plots comporte un épaulement qui prend appui sur la plaque et un prolongement 10 fileté qui reçoit un écrou 34 de fixation. Quant à l'extrémité haute des tubes tirants, elle est fixée à la plaque supérieure 16, par exemple par sertissage. Les plaques 14 et 16 sont percées d'orifices par lesquels le réfrigérant entre et sort. Les orifices de la plaque 15 14 (Fig.2 et 3) comportent d'une part des trous circulaires 44 disposés au centre des mailles du réseau des barreaux gainés et d'autre part, autour de chaque tirant 18, quatre trous de forme allongée 46. La plaque supérieure 16 est percée d'orifices similaires. 20 Le déplacement des grilles 20 le long des tubes tirants 18 est limité par des organes de butée portés par les quatre tubes tirants d'angle, dont deux sont visibles sur la Fig.2. Ces organes de butée sont constitués par des entretoises tubulaires 36, 38, 40 (Fig.lb) et 42 (Fig.la). Chacune de ces 25 entretoises se termine par un rebord radial destiné à prendre appui sur une grille ou une plaque. La longueur cumulée des entretoises 36, 38, 40 et 42 et des trois grilles 20 est inférieure à la longueur qui sépare les faces en regard des plaques inférieure et supérieure 14 et 16 de manière à lasser subsister le 30 jeu nécessaire à l'allongement total différentiel en service. Les divers organes qui viennent d'être décrits sont constitués en des matériaux utilisés couramment dans ce genre d'application. Les gaines, les tubes tirants et les entretoises sont par exemple en alliage à base de zirconium ou en acier 35 inoxydable. Etant donné l'élasticité requise des composants des grilles qui portent sur les gaines et les tubes tirants, la grille sera généralement en acier inoxydable ou en un alliage nickel-fer-chrome tel que celui connu sous le nom de "Inconel 718". 70 16666 5 2088009 Le mode de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit est évidemment susceptible de très nombreuses variantes. En particulier, les entretoises servant d'organe de butée peuvent être remplacées par des déformations pratiquées sur certains 5 des tubes tirants 18 après montage de ceux-ci. Les tubes tirants peuvent être prévus non pour livrer passage à des tiges de matériau absorbant les neutrons, mais pour contenir un poison neutronique consommable ou un autre matériau de remplissage. Par ailleurs, il est bien évident que le terme "barreaux gainés" 10 doit être interprété comme couvrant le cas d'un empilement de pastilles de combustible oxyde (ce qui est d'ailleurs le cas général) ou carbure aussi bien que celui d'une pièce massive. Il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à de telles variantes, ainsi plus généralement qu'à 15 toutes celles restant dans le cadre des équivalences. 70 16666 6 2088009 REVENDICATIONS 1°) Assemblage de combustible nucléaire, comprenant un faisceau de barreaux de combustible gainé, maintenus parallèles et aux noeuds d'un réseau régulier par une plaque d'extrémité inférieure qui porte les barreaux gainés et par des grilles d'es-5 pacement qui frottent sur les barreaux, ladite plaque étant reliée à une plaque d'extrémité supérieure par l'intermédiaire de tirants, la plaque supérieure ou inférieure étant munie de moyens de fixation dans le coeur d'un réacteur, lesdits tirants occupant certains des noeuds du réseau, où ils remplacent les barreaux gainés, jq et leur diamètre étant égal à celui des barreaux gainés. 2°) Assemblage suivant la revendication 1, caractérisé par des butées de limitation des déplacements des grilles le long des tirants. 3°) Assemblage suivant la revendication 2, caractérisé 15 en ce que les butées sont constituées par des tubes entretoises coulissant sur certains au moins des tirants et susceptibles de venir en appui sur les grilles ainsi que sur la plaque ou les plaques. 4°) Assemblage suivant la revendication 1, 2 ou 3, 20 caractérisé en ce que les tirants sont tubulaires. 5°) Assemblage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que certains au moins des tirants servent^de guide à des tiges mobiles contenant un matériau absorbant les neutrons et faisant partie des barres de commande du réacteur. 25 6°) Assemblage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le nombre des barreaux gainés est environ dix fois supérieure à celui des tirants. 7°) Assemblage suivant l'une quelconque des revendications. précédentes pour réacteur nucléaire refroidi et modéré 30 par circulation d'eau légère sous pression, caractérisé en ce que le combustible est constitué par de l'oxyde d'uranium enrichi. l