Brevet FR2054538A1 — publié le 19710423

La présente invention est relative à un élément combustible pour réacteurs nucléaires comprenant line pluralité de barres combustibles disposées parallèlement les unes aux autres, une pluralité de dispositifs séparateurs et stabilisateurs des 5 barres sous forme de grilles transversales, des moyens élastiques de connexion entre les barres et les grilles transversales et une chemise extérieure agissant comme élément de support. Les éléments combustibles pour, réacteurs "nucléaires ont une température élevée de fonctionnement; il- se présente en 10 conséquence un problème d'élimination des contraintes dans la construction qui sont dues à la dilatation thermique des matériaux constituants. Ceci est particulièrement important pour les éléments ayant une chemise extérieure de support en. acier inoxydable, et les barres combustibles en alliage de zirconium 15 qui contiennent la matière fissile. Etant donné que les coefficients de dilatation de ces deux matières sont entre eux dans le rapport de 3 à 1, la chemise extérieure est soumise, à la température de fonctionnement, à une charge de compression axiale. 20 Ceci est dû au fait que les contraintes de nature ther mique sont transmises par les barres combustibles aux grilles par l'intermédiaire de connexions élastiques à frottement, et à partir de ces dernières à la chemise extérieure, à laquelle ■ les grilles sont en général soudées ou connectées rigidement 25 d'une autre manière connue. . . A la température de fonctionnement, les charges de compression agissant sur la chemise extérieure peuvent être importantes et telles qu'elles produisent, sinon l'effondrement total de la construction pour une chargé maximale, des -phénomè-^0 nes d'instabilité locale dans la chemise extérieure.. Il est nécessaire de conserver présent à l'esprit le fait que le"s tôles'' composant la chemise extérieure ne sont pas continues, mais sont abondamment perforées de manière à permettre la circulation du liquide de refroidissement et sont en conséquence sensibles aux 25 . effets de stabilité locale. Les effets précités d'instabilité, joints aux importantes tensions de cisaillement agissant sur les éléments d'assemblage entre les grilles et la chemise extérieure, peuvent provoquer la rupture des éléments précités d'assemblage, qu'il s'agisse de cordons de soudure, de rivetages ou"d'un autre élément quelconque d'assemblage rigide. 69 -34143 2054538 Les éléments combustibles constitués- par une- chemise extérieure, par des grilles séparatrices et par plusieurs; barres combustibles, et construits avec des matériaux ayant divers coefficients de-dilatation thermique, : pourraient, être: réalisés 5 _ en renforçant la structure de support et les-- éléments d'assemblage. Cette façon de procéder, cependant, conduit non seulement à.une augmentation des frais de construction et des éléments de support de cette dernière, mais également; à: une^diminution XO du rendement du.réacteur nucléaire. r> ; , En .fait, la réactivité d'un réacteur nucléaire et en conséquence la puissance produite par ce dernier, sont limitées par la quantité de matière parasite présente- dans le noyau. Cette matière non seulement absorbe les électrons qui autrement X5 . pourraient être utilisés dans la fission, mais influence négativement l'échange thermique à l'intérieur du noyau du réacteur. ... .. . La .présente invention a pour but de réduire les con train tes agissant sur la construction, de l'élément combustible à des . valeurs telles qu'elles ne. compromettent pas l'intégrité et le 20 bon fonctionnement de ce même élément oude ses parties constituantes. . L'invention a également.pour but l'obtention d'une sécurité structurale élevée en-ce qui concerne les éléments , combustibles déjà connus et déjà utilisés, sans qu'il en résulte 25 une augmentation-de., poids importante^ par rapport au: poids total ■ de la construction,. et sans modification des éléments constituant l'élément combustible. . • . L'invention a enfin pour, but l'obtention d'un mélange de fluide réfrigérant, par introduction de promoteurs appropriés 20 de turbulence, lesquels, à perte de charge égale, améliorent la capacité d'extraction de puissance à partir, de l'élément combustible. • . . , - La présente invention permet d'atteindre les buts précités du fait que les assemblages entre les barres et les .grilles et.entre les.grilles et la chemise extérieure sont réalisés et mis en place de manière à réduire au minimum les contraintes provenant des diverses, dilatations thermiques des différents matériaux qui coopèrent dans la construction,.-ces assemblages étant en outre propres à conférer une stabilité latérale adéquate 40 aux grilles et à produire une déviation transversale dans le cou- BAD ©RIGINAL 69 34143 3 ~ 2054538 rant ascendant du liquide réfrigérant dans le but d'améliorer l'échange thermique. Ces buts et avantages de l'invention deviendront plus évidents à la lecture de la description ci-dessous en liaison 5 avec les dessins annexés qui montrent un exemple de réalisation. Dans ces dessins : La figure 1 est une vue en élévation schématique de l'élément combustible, en coupe partielle, certaines parties étant enlevées.pour plus de clarté. XO La figure 2 est une vue en élévation de la partie su périeure de l'élément combustible, en coupe partielle, certaines parties étant omises pour plus de clarté. La figure 3 est une vue en coupe transversale suivant » la ligne III-III de la figure 2. 15 La figure 4 est une vue en coupe axiale partielle suivant la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une vue en coupe axiale partielle, suivant la ligne V-V de la figure 3. La figure 6 est une vue en coupe axiale partielle 20 suivant la ligne VI-VI de la figure 3. La figure 7 est une vue en coupe axiale suivant la •ligne VII-VII de la figure 4. La figure 8. est une vue en élévation de la partie centrale de l'élément combustible, en coup© partielle, certaines 25 parties étant enlevées pour plus de clarté. La figure 9 est une vue en coupe transversale suivant la ligne IX-IX de la figure 8. La figure 10 est une vue en coupe transversale suivant la ligne X-X de la figure 8. 20 La figure 11 est une vue en coupe transversale suivant la-ligne XI-XI de la figure 8. La figure 12 montre au moyen de diagrammes une comparai son entre le développement des contraintes de compression le long de l'axe de l'élément combustible suivant l'invention et le déve-•55 . loppement de ces contraintes dans un élément combustible suivant la technique connue. L'élément combustible 1 dans son ensemble comprend une chemise extérieure 2 en acier inoxydable, comportant des perforations 3 pour le passage du fluide réfrigérant .et unie au 40 moyen de deux rivetages 4a et 4b respectivement à un-couvercle 5 4 69 34143 ' 2054538 et à un fond 6. A l'intérieur de l'enveloppe ainsi constituée est logée une pluralité de barres combustibles 7 qui prennent appui sur le fond et qui sont maintenues en position verticale par 5 une pluralité de grilles 8 et 9> disposées dans des plans normaux à l'axe de l'élément combustible. Les grilles 8 sont montées coulissantes axialement le long de l'axe de l'élément combustible 1, tandis que les grilles 9 sont assemblées de manière rigide à la chemise exté-20 rieure 2. * Dans la description ci-dessous, les grilles 9 seront simplement appelées "grilles fixes". , Les grilles 8 et 9 comprennent un élément lamellaire de pourtour 10 et des éléments lamellaires 11 se coupant à 15 90° et soudés entre eux, aptes à former une pluralité de cellules quadrangulaires 12 toutes égales entre elles. Les grilles coulissantes 8 sont .assemblées à la chemise extérieure 2 par interposition des éléments lamellaires de pourtour de grille 10 entre la chemise extérieure 2 et une plu-20 ralité de bandes métalliques en forme de peigne, qui dans leur ensemble sont indiquées par le numéro de référence 13. Les bandes à.peigne 13 sont parallèles aux éléments lamellaires 10, sont disposées en coïncidence avec la partie centrale de chaque partie rectiligne du pourtour de la grille 8 et ont une longueur 25 plus faible que celle des parties rectilignes précitées. Chaque bande métallique 13 est constituée par une partie continue 14 normale à l'axe de l'élément 1, sous forme de bride ou de rebord et portant des lattes rectangulaires 15 parallèles à l'axe de l'élément 1. Ces lattes 15 ont une extrémité ■50 opposée à la partie continue 14 en forme de bride ou de rebord. Deux rangées de points de soudure ou de rivets 17 et 18 assemblent rigidement les bords longitudinaux 14 et 16 de la bande métallique à peigne 13 à la chemise extérieure 2. Dans la bande métallique -IJ, la distance existant entre les extrémi-35 tés intérieures des deux bords 14 et l'6 est plus grande que la • • hauteur de la grille 8. ' Dans la figure 4, les lattes rectangulaires 15 ont, dans leur partie centrale, une ouverture rectangulaire 19 propre à permettre le passage- d'éléments élastiques 20 réalisés par 40 emboutissage sur les éléments lamellaires qui constituent les 5 -69- 34143 ~t.."'-""'''"— -^-û-S4-§^8— parois des cellules 12. Chaque barre 7 est assemblée par frottement aux grilles 8 au moyen de deux éléments élastiques 20 réalisés sur deux parois adjacentes de la cellule 12 et au moyen d'appuis 5 rigides 21 comportant deux saillies 21a et 21b réalisées dans les parois opposées. Quand ces appuis 21 sont réalisés sur l'élément lamellaire de pourtour 10 de la grille 8, comme indiqué dans les ' figures 5 et 6, les lattes 15* ont, dans leur partie supérieure 10 et dans leur partie inférieure, deux ouvertures rectangulaires 22a et 22b propres à permettre le passage des saillies 21a et 21b, respectivement. De cette manière, dans le cas hypothétique d'une rupture.des assemblages (points de soudure ou rivets) avec la chemise'extérieure 2, l'élément 13 ne pourra pas. aban-25 donner sa position, ce qui évite ainsi .de compromettre le fonctionnement de l'élément. Dans les grilles fixes 9, seules les barres 7a sont assemblées par frottement par l'intermédiaire des éléments élastiques 20 et des appuis rigides 21 aux parois des cellules 20 qu'elles traversent, tandis que les barres 7b ne sont assemblées d'aucune façon aux parois des cellules. Par comparaison des figures 9,-10 et 11, on voit que les barres assemblées à une grille fixe 9 traversent librement les autres grilles fixes. A partir des figures 9* 10 et 11, on 2Çj peut constater par ailleurs que les barres connectées.à une grille 9 ont une disposition symétrique par rapport aux axes de l'élément combustible. Les grilles fixes 9 - Office- oui ocac 1* wâv a partir ces figures Qs 2 c *c:c c. *.,0 oeno .isciolea y est reliée à une ;crii:.ô ùàc y: u-;e oe" partie ces. barres combustibles tid- u-u-uiectéë i>ar .aiu: grilles inférieures et supé- • ce?, fcàuc-is '.ue le. majeurs partie des barres, est- connectée fi.o'cr.é,nànv & ia grille ne yen,-e» 'ùx >*y-ï qui concerne le ûé•-•©lôppemenfc des contraintes compression fcre.n-Hoisé-3 à la cfeenrdse extérieure. il y a lieu BAD ORIGINAL 6 de faire les remarques suivantes. Selon la technique connue, les barres étaient toutes reliées par frottement à chacune des grilles traversées et ces dernières étaient toutes reliées rigidement à la chemise exté-5 rieure; la charge transmise par chaque grille à'la chemise extérieure est en conséquence, dans ce"cas, donnée par la formule 4f PN où : -. . . 4 est le nombre de points de contact entre une barre et la 10 grille, f est le coefficient de frottement, P est la charge exercée sur les éléments élastiques de la grille N est le nombre de barres combustibles. Le diagramme des charges de compression a en consé-15 quence une forme à gradins, comme indiqué en A dans la figure 12; la charge agit au maximum dans la partie médiane de l'élément et atteint la valeur de : 2nNfP où n est le nombre total de grilles. 20 Naturellement, dans le tracé du diagramme en question, on n'a pas tenu compte du poids propre de la construction; en •• * " 1 '* - ... / , d'autres termes, le diagramme de charge a été tracé comme si l'axe de l'élément combustible était en position horizontale.'. Dans le cas de la présente invention, dans laquelle 25 les connexions entre les oa.rres et- les grilles et entre les grilles et la chemise extérieure sont réalisées comme, .décrit' ci-dessus, aucune charge n'est 'cr^asmise à la chemise extérieure .par les grilles-, Il en résulte en conséquence une compression unique-30 ment.sur la partie centrale.de la.construction qui est comprise entre les grilles fiX'SS : •-•t, --s f xi ."î; ; T-ut* vue valeur -jOidaiîte â c- psr-fcie ae .1 * •: '■iosiMst? o3 « mentionné .^t-C-e^svs et vaut î. - .• " . ,:.v:ï. •.y-rinictibles par •. - . /•: 7 ' • • • . - . '... et : .10 uî d-iï . vhar-y i- -S s -eorapressl-o;. a -sn '.c-onec quel/os la icx-me indiquée en B dan-s la figure 15» 40 Dans os cas également, on n'a pas tenu compte du BAD ORIGINAL 69 34143 7 2054538 poids propre de la construction. Du fait que les coefficients de frottement existant entre les barres combustibles et les appuis élastiques et rigides des cellules sont très élevés (environ 0,4) étant donné la nature physique du zirconium, les charges de compression axiale de nature thermique sont importantes et prépondérantes par rapport au poids dans le cas des grilles reliées rigidement à la gaine externe. Un autre avantage de la présente invention réside dans le fait qu'en reliant par frottement toutes lés barres combustibles 7 à chacune des grilles coulissantes' 8 et en reliant uniquement une partie à chaque grille fixe 9, on obtient que l'espace laissé libre par les barres dans les cellules traversées librement est plus grand que celui des cellules dans lesquelles on a un assemblage par frottement entre les barres et les grilles. Il en résulte que le liquide réfrigérant qui traverse l'élément combustible dû bas vers le haut' passe de préférence à travers les cellules librement traversées par les barres, la chute de pression y étant moindre. Du fait que ces cellules sont décalées les unes par rapport aux autres, le liquide réfrigérant est dévié transversalement. Il en résulte un caractère tourbillonnaire du liquide réfrigérant et en conséquence un meilleur échange thermique entre le fluide et les barres combustibles. Pour améliorer davantage l'échange thermique, les bandes à peigne 1J> disposées en coïncidence avec les parties rectilignes des éléments lamellaires de pourtour des grilles coulissantes, sont d'une longueur inférieure à celle de ces dernières. En fait, puisque les cellules qui correspondent aux coins de l'élément combustible sont déjà étroites, en raison de la présence des assemblages des éléments lamellaires de pourtour des grilles, on a pensé qu'un autre rétrécissement de la section dû à la présence des lamelles à peigne aurait un effet contraire aux effets de refroidissement. Il est bien entendu qu'on peut effectuer de nombreuses modifications en ce qui concerne le mode de. réalisation décrit, sans sortir du cadre de l'invention. 69 34143 -8— 2054538 REVENDICATIONS -s- 1. Elément combustible pour réacteurs.nucléaires à modérateur luquide à eau pressurisée comprenant.une pluralité de barres combustibles disposées parallèlement les unes aux autres, une pluralité de dispositifs séparateurs et stabilisateurs' des 5 barres sous forme de grilles transversales, des moyens élastiques d'assemblage à frottement entre les barres et les grilles transversales et une chemise extérieure perforée servant d'élément de support de la construction, caractérisé par le fait que les grilles séparatrices situées dans les parties extrêmes de l1élément combus-10 tible sont montées coulissantes dans le sens axial par rapport à la chemise extérieure tandis que dans la partie centrale.de l'élément on utilise des grilles coulissantes qui alternent avec des grilles fixes reliées rigidement à la chemise extérieurs, toutes les barres combustibles étant assemblées par frottement aux cellules des 15 grilles coulissantes, tandis qu'une partie seulement des barres combustibles est assemblée par frottement à chacune des grilles fixes'o 2i Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des barres combustibles est reliéB 20 par frottement à l'une seulement des grilles fixes, tandis qu'elle traverse librement les grilles restantes» 3'i Elément combustible selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les barres reliées à chaque grille fixe.sont disposées dans une position symétrique par rapport à 25 l'axe de l'élément combustible." 4» Elément combustible selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que les grilles fixes utilisées dans la partie centrale de 1'élément combustible sont au nombre de troisô 30 5» Elément combustible selon les revendications 1 et 2,' caractérisé par le fait que les grilles coulissantes sont guidées dans des guides prismatiques portés par la chemise extérieure® 6à Elément combustible selon les revendications 1 et 5, caractérisé par le' fait que les guides prismatiques sont 35 constitués par de3 .lattes ayant des extrémités supérieures et 69 34143 2054S38 inférieures à brides fixées à la surface intérieure de la chemise extérieure, des éléments lamellaires de pourtour de grille étant interposés entre les lattes et la chemise extérieure avec la possibilité de coulisser verticalement» le Elément combustible selon les revendications 1', 5 et 6, caractérisé par le fait que les lattes adjacentes à chaquB face de la chemise appartiennent à une bande métallique en forme de peigne'o 8» Elément combustible selon les revehdicàtions 1, 5, 6 et 7, caractérisé par le fait que la bande en forme dé peigne portant les lattes adjacentes à chacune des faces de la chemise présente une longueur plus petite que celle de la face même'i 9i Elément combustible selon les revendications 1 et 7, caractérisé par le fait que les lattes de' la bande en forme de peigne présentent des ouvertures axiales propres à permettre le passage de moyens élastiques connus de retenue par frottement des barres incorporées dans les éléments lamallaires de la grille»