Brevet FR2058305A1 — publié le 19710528

\ 2058305 La présente invention concerne un ensemble ou faisceau d'éléments combustibles comportant un dispositif autour de l'extrémité inférieure de la boîte tubulaire formant le canal d'écoulement pour limiter la déformation du canal et sa séparation de la plaque de montage inférieure afin de régler la 5 circulation en by-pass du réfrigérant vers l'extérieur 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, Illinois, Etats-Unis d'Amérique est du type hétérogène, c'est-à-dire qu'il comporte un certain nombre d'ensembles ou de faisceaux d'éléments 10 combustibles disposés pour former le èoeur du réacteur nucléaire à réaction de fission nucléaire auto-entretenue. Le coeur est contenu dans une cuve sôus pression dans laquelle il est submergé \dans un fluide de travail, tel que de l'eau légère, qui sert à la fois comme réfrigérant et comme modérateur des neutrons. Un certain nombre de barres da commande contenant une matière absor-15 bant des neutrons peuvent être sélectivement introduites entre les faisceaux d'éléments combustibles pour régler la réactivité du coeur. 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 20 sont supportés dans la cuve sous pression entre une grille supérieure et une plaque ou grille 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 25 vers le haut à travers les 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 Etats-Unis d'Amérique n° 3 350 275. Dans les réacteurs nucléaires de types récents, des instruments nucléaires sous la forme de détecteurs de 30 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 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 35 température de saturation et au-delà de ce point des fractions croissantes d'eau sont converties en phase vapeur. Normalement, le coefficient de transfert de chaleur entre une gaine d'élément combustible et l'eau est sensiblement cons--fcant. Cependant, si le flux thermique et par suite la fraction de vapeur d'eau BAD ORIGINAL 70 29595 2 2058305 augmentent suffisamment, un seuil est atteint pour lequel le coefficient de transfert 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 indési-5 rable très rapide de la température de la gaine de l'élément combustible. Le flux thermique au seuil entre l'ébullition parbulles 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 l'écoulement à l'intérieur des canaux des IQ faisceaux combustibles et l'écoulement en 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 éviter la stag-nation du réfrigérant et la formation de cavités par de la vapeur d'eau, ^ et pour refroidir convenablement les barres de commande et les disposi tifs comportant des instruments dans le coeur qui sont situés dans les intervalles entre les canaux des faisceaux d'éléments combustibles. Ainsi, pour un courant - total donné de recirculation à travers le coeur, l'équirlïbre désirable entre 2o 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 cavi-taire excessif à l'extérieur des canaux. Suivant les combinaisons antérieures, le réglage de l'écoulement en by-pass est assuré en permettant une certaine fuite de réfrigérant entre les 25 canaux des faisceaux et les plaques d'assemblage inférieures. Le canal d'écoulement n'est pas 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'éléments combustibles au moment du rechar-30 gement 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 pour augmenter le débit de réfrigérant à travers les faisceaux d'éléments combustibles provoque la 35 déformation de la paroi du canal et son éloignement de la plaque de montage infé rieure entraînant ainsi ui} débit de by-pass excessif,pouvant empêcher le débit nécessaire de réfrigérant à travers le faisceau d'éléments combustibles. 70 29995 3 2058305 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 marges thermiques plus faibles. Il est par suite dési-rable de disposer d'un dispositif de commande plus rigoureux et plus précis pour la circulation en by-pass. L'invention a pour objet un ensemble ou faisceau d'éléments combustibles comportant un dispositif de commande de courant de by-pass maintenant le courant de by-pass à un pourcentage pratLqjemsit constant du débit total à travers le coeur sans réduire la facilité d'enlèvement et de remplacement du canal d'écoulement. Ce résuLtat est obtenu selon l'invention au moyen d'un dispositif retenant la paroi du canal d'écoulement pour limiter sa déformation et son éloi-gnement de la plaque de montage inférieure. Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif de retenue est formé par un manchon fixé à la plaque de montage inférieure pour former une rainure ouverte à l'extrémité supérieure afin de recevoir l'extrémité inférieure de l'élément tubulaire formant le canal d'écoulement. De cette façon, l'extrémité inférieure de cet élément tubulaire est située entre le manchon et la surface de la plaque de montage inférieure, et par suite la déformation latérale du canal risquant de l'éloigner de la plaque de montage est empêchée ou limitée. Ce manchon peut être plat ou ondulé. Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, une série de goujons ou boutons à têtes est fixée à la plaque de montage intérieur et la paroi du canal comporte une série de fentes orientées longitudinalement et ouvertes à l'extrémité inférieure de façon à être engagées sur les tiges des goujons afin que les têtes retiennent la paroi du canal, Suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif pour retenir le canal comporte une rainure ouverte vers le haut pour recevoir l'extrémité inférieure de la paroi du canal. Comme cette rainure; ou siège est relativement peu profonde, un dispositif à ressorts est utilisé pour repousser le canal d'écoulement afin qu'il soit engagé dans la rainure de retenue. 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 schématiquetneni: un équipement généra---teur de vapeur d!eau à réacteur nucléaire,, OAD ORIGINAL 70 29995 4 2058305 - la figure 2 est une vue en perspective et partiellement en coupe d'un ensemble ou faisceau d'éléments combustibles avec des parties coupées pour faire apparaître l'intérieur, - la figure 3a est une vue en perspective avec des parties coupées de la partie inférieure d'un ensemble d'éléments combustibles montrant le manchon de retenue et de commande des fuites selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 3b_ est une vue en perspective et partiellement en coupe d'un manchon ondulé selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 4 est une vue en perspective et partiellement en coupe de la partie inférieure d'un ensemble d'éléments combustibles montrant un dispositif de retenue à goujons ou boutons à têtes et à fentes suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective et en coupe de la partie inférieure d'un ensemble d'éléments combustibles comportant une rainure ou siège de retenue selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, et - la figure 6 représente graphiquement les caractéristiques, d'écoulement d'un ensemble d'éléments combustibles selon l'invention et cfun ensemble d'éléments combustibles d'un type antérieur. 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 l'eau légère. Le coeur 11 est entouré par un écran annulaire 12. Le coeur 11 comporte un certain nombre d'ensembles ou faisceaux 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 inférieure 16. Chaque ensemble d'éléments combustibles comporte une pièce formant un nez 17 qui est engagé dans une ouverture support de la grille inférieure 16. L'extrémité du 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 ouvertures des nez 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 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 10. Des barres de commande 24 peuvent être introduites sélectivement entre 70 29995 5 2058305 des ensembles d'éléments combustibles 13 pour régler la réactivité du coeur. Des récipients ou logements 15 pour des instruments sont disposés entre les ensembles d'éléments combustibles pour contenir des détecteurs de neutrons afin de contrôler le niveau de puissance du coeur. 5 L'ensemble d'éléments combustibles 13 comprend un certain nombre d'éléments ou de barreaux combustibles 26 supportés entre une plaque de montage inférieure 27 et une plaque de montage supérieure 28 en forme de grille. Les éléments combustibles 26 traversent un certain ombre de séparateurs 29 qui supportent les éléments combustibles longs dans des parties intermédiaires 10 pour maintenir les éléments convenablement espacés les uns des autres et . pour empêcher les vibrations latérales de ces éléments. 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 convenable, le tube ou gaine tubulaire étant fermé 15 de façon étanche par un bouchon supérieur 30 et un bouchon inférieur 31. Le bouchon inférieur 31 comporte une extrémité conique engagée dans une cavité 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 33 engagé dans un alésage 34 correspondant de la 20 plaque de montage supérieure 28.. Plusieurs cavités 32 (par exemple des cavités sélectionnées situées sur les bords) de la plaque de montage 27 sont taraudées pour recevoir les bouchons 31 filetés des éléments combustibles correspondants. Les prolongements 33 des bouchons supérieurs 30 des mêmes éléments combustibles sont plus longs 25 pour dépasser au-dessus de la plaque d'assemblage supérieure 28 et ces prolongements sont filetés pour recevoir des pièces de retenue taraudées 35. De cette façon, la grille supérieure, la grille inférieure et les éléments combustibles forment une structure unitaire. L'ensemble d'éléments combustibles 13 comporte en outre un canal 30 d'écoulement tubulaire à paroi mince 36 de section transversale sensiblement carrée s'adaptant avec ajustage glissant autour des plaques d'assemblage 27 et 28 et des séparateurs 29 de façon à pouvoir être facilement mis en place et enlevé. Le canal 36 comporte un gousset 37 soudé à la paroi du canal dans un angle pour la fixation du canal à la structure unitaire ou faisceau 35 d'éléments combustibles par une vis 38. La plaque de montage inférieure 27.comporte une partie en forme de nez 17 qui est adaptée comme il a été indiqué pour supporter l'ensemble d'éléments combustibles dans une cavité ou ouverture support de la grille 70 29995 6 2058305 inférieure 16 (figure 1). L'extrémité de la plaque d'assemblage inférieure comporte des ouvertures 39 pour le passage du réfrigérant sous pression afin qu'il s'écoule ver^ le haut autour des âéments combustibles.. Pour éviter la stagnation du réfrigérant dans les espaces 5 ou intervalles 25 situés entre les ensembles d'éléments combustibles, une partie (de l'ordre de 5 à 6%) du réfrigérant pénétrant dans chaque ensemble d'éléments combustibles échappe vers ces intervalles 25 entre la plaque d'assemblage inférieure 27 et le canal 36 de l'ensemble d'éléments combustibles de la façon indiquée par la flèche LF de la figure 2 ou à travers 10 des trous d'écoulement 48 de la plaque d'assemblage inférieure 27 ou des trous de by-pass 49 du canal 36. Comme il a été indiqué ci-dessus, les dispositions antérieures n'assurent pas une régulation convenable de cet écoulement de fluite ou de by-pass, et selon l'invention, cet écoulement de fuite ou de by-pass est réglé par un dispositif limitant la déformation du 15 canal d'écoulement et son éloignement de la plaque d'assemblage inférieure. La figure 3jî représente un dispositif limiteur de déformation selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Ce dispositif comporte un manchon de retenue 40. Le manchon 40 est en contact avec un épaulement inférieur 41 et il est soudé ou rivé en 42 à un épaulement extérieur 43. Le 20 manchon 40 et la surface extérieure 44 de la plaque de montage inférieure 27 forment ainsi une fente ou une rainure ouverte à l'extrémité supérieure pour recevoir la partie inférieure du canal d'écoulement 36. Cette partie du canal d'écoulement 36 étant ainsi tenue en sandwich entre le manchon 40 et la plaque de montage inférieure 27 la longueur du trajet d'écoulement de fuite est 25 substantiellement allongée, ce qui augmente la résistance à l'écoulement de fuite, et d'autre part le manchon 40 empêche pratiquement la déformation du canal d'écoulement 36 et son éloignement de la plaque d'assemblage inférieure 27. Le bord supérieur intérieur 46 du manchon 40 et le bord inférieur extérieur 47 du canal 36 sont chanfreinés pour faciliter l'engagement du canal. 30 En plus du trajet d'écoulement de fuite entre la plaque d'assem blage 27, le canal d'écoulement 36 et le manchon 40, des passages d'écoulement de by-pass 48 peuvent être formés dans la plaque d'assemblage et/ou des passages d'écoulement de by-pass 49 peuvent être formés dans la partie inférieure du canal d'écoulement. Le manchon plat ou lisse 40 de la figure 3a peut être 35 remplacé par un manchon 40® ondulé de la façon représentée sur la figure 3b„ Ces ondulations augmentent la résistance à l'écoulement de fuite ainsi que la rigidité du manchon. BÂD ORIGINAL 70 29995 7 2058305 La figure 4 représente un dispositif limiteur de déformation selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. Suivant ce mode de réalisation, la déformation et 1'écartement du canal 36 par rapport à la plaque de montage inférieure 27 est empêchée par la série de boutons ou de 5 goujons à têtes 50, sur lesquels sont engagées des fentes ou encoches 51 de la partie inférieure du canal 36. Les extrémités des bords des fentes 51 et les bords intérieurs des boutons 50 peuvent être arrondis pour faciliter l'engagement du canal 36. La figure 5 représente un dispositif limiteur de déformation 10 suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. Suivant ce mode de réalisation, la déformation et la séparation de la paroi du canal par rapport à la plaque de montage inférieure 27 sont empêchées par une rainures 60 formant un siège, dans le bord de la plaque de montage 27 et dans laquelle est engagé le bord inférieur chanfreiné à l'extérieur 61 du canal 36. Le 15 canal est maintenu engagé dans la rainure 60 par un dispositif à ressorts monté dans les angles supérieurs opposés de 1 Ensemble d'éléments combustibles 13. Chaque dispositif à ressort comporte un ressort 62 autour d'une tige filetée 63 fixée à la plaque de montage supérieure 26, le ressort 62 étant comprimé entre un écrou 64 et une barrette 66 fixée au canal 36. Le ressort 20 repousse ainsi le canal 36 vers le bas pour maintenir son extrémité inférieure engagée dans la rainue 60. Dans le cas des ensembles d'éléments combustibles ayant une section transversale carrée de la façon représentée, il n'est pas nécessaire de prolonger la rainure 60 autour des angles 65 de la plaque d'assemblage infé-25 rieure 27 parce que le canal 36 a tendance à être appliqué étroitement contre ces angles. Cependant, la rainure 66 peut s'étendre autour de ces angles si cela est désirable pour une restriction supérieure de l'écoulement de fuite. La figure 6 montre graphiquement l'efficacité d4un dispositif selon l'invention par comparaison au montage suivant une technique antérieure 30 selon 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 aux performances au début du fonc= tionnement d'un ensemble d'éléments combustiblescks un réacteur et les courbes en tirets correspondent au fonctionnement d'un ensemble à la fin de la durée 35 d'utilisation, c'est-à-dire après plusieurs années d'utilisation dans le coeur du réacteur. D'autre part, la lettre A correspond à un ensemble d'éléments combustibles selon l'invention3 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 70 29995 8 2058305 de faite 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 du débit de fuite est inférieure à 1% après la même durée de fonctionnement, La variation de la fraction de débit de fuite en fonction de la variation 5 du débit total de réfrigérant est nettement inférieure dans le cas de l'invention. Un autre avantage appréciable de l'invention est qu'elle n'empêche pas et ne complique pas d'une façon indésirable la facilité d'enlèvement et de remplacement du canal 36, Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, 10 et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 70 29995 9 2058305 REVENDICATIONS 1. Ensemble d'éléments combustibles pour réacteur nucléaire, caractérisé par un certain nombre d'éléments combustibles en forme de barreaux formant un groupe entre une première plaque de montage et une seconde plaque de montage, la seconde plaque de montage permettant le passage 5 du réfrigérant vers l'intérieur de l'ensemble, un canal d'écoulement tubulaire amovible à extrémités ouvertes autour de ce groupe, une extrémité de ce canal s'adaptant à la surface périphérique de la seconde plaque de montage, et un dispositif de retenue fixé à cette plaque de montage pour limiter le déplacement latéral de la paroi du canal et son éloignement de 10 la surface périphérique de cette plaque de montage. 2. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde plaque de montage comporte au moins un passage de by-pass pour le réfrigérant. 3. Ensemble d'éléments combustibles selon l'une des revendications 15 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de retenue est constitué par un manchon entourant une partie de la seconde plaque de montage et formant une fente ouverte à la partie supérieure pour recevoir la partie d'extrémité correspondante du canal d'écoulement afin de limiter la déformation du canal d'écoulement et son éloignement de la surface périphérique de la 20 plaque de montage. 4. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 3, caractérisé en ce que le manchon est un élément ondulé, les ondulations s'étendant autour de la plaque de montage. 5. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que l'ensemble a une section transversale comportant au moins quatre côtés et le dispositif de retenue est formé par un élément de retenue fixé à chacun des côtés de la plaque de montage inférieure pour former des fentes s'étendant dans le sens axial pour recevoir les parties correspondantes de l'extrémité du canal d'écoulement. 30 6. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments de retenue sont ondulés. 7. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de retenue comporte une série d'encoches s'étendant dans le sens longitudinal, chaque encoche étant ouverte à son 35 extrémité inférieure et les encoches étant formées dans la paroi du canal 70 29995 10 2058305 d'écoulement du côté de la plaque d'assemblage inférieure; et une série de goujons en forme de boutons à têtes fixés à la plaque de montage inférieure, de façon que les encoches du canal soient engagées autour des boutons et que les têtes des boutons empêchent 1'éloignement du canal d'écoulement par 5 rapport à la plaque de montage inférieure. 8. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de retenue est formé par une rainure ouverte vers le haut formée au moins sur une partie du pourtour de la plaque de montage inférieure pour recevoir l'extrémité correspondante du canal 10 d'écoulement afin d'empêcher le déplacement latéral de cette extrémité. 9. Ensemble d'éléments combustibles selon la revendication 8, caractérisé par un dispositif à ressorts pour maintenir élastiquement l'extrémité du canal d'écoulement dans la rainure.