Brevet FR2093945A1 — publié le 19720204

19'4Û6 1 2093945 La présente invention concerne les dispositifs permettant de maintenir espacés les uns des autres les éléments de combustible dans un canal d'écoulement de réfrigérant d'un réacteur nucléaire. Des charges de combustible pour coeur de réacteur nucléaire 5 comprennent un groupe de barres ou éléments de combustible espacés les uns des autres et logés dans un canal d'écoulement de réfrigérant de forme tubulaire. Les barres de combustible sont ordinairement assez longues par comparaison à leurs diamètres et en conséquence on prévoit habituellement un ou plusieurs dispositifs d'es-10 pacement pour empêcher une incurvation des barres et pour les maintenir dans les positions désirées. La conception de tels dispositifs d'espacement est assujettie à des impératifs contradictoires. Le dispositif d'espacement doit présenter une résistance suffisante pour limiter l'incurvation 15 et la vibration de la barre de combustible et pour résister à des forces thermiques et hydrauliques élevées. Il doit établir avec les barres de combustible une zone de contact suffisante pour réduire au minimum 1'endommagement localisé du revêtement de la barre de combustible par frottement aux points de contact. En outre, il doit 20 permettre une dilatation de la barre de combustible et également son introduction sans détérioration. D'autre part, le dispositif d'espacement doit nécessiter un minimum de matière pour réduire autant que possible l'absorption de neutrons parasites. Il doit être conçu pour réduire au minimum l'é-25 tranglement de l'écoulement de réfrigérant dans le canal et il doit pouvoir être fabriqué à partir de matériaux à faible coefficient d'absorption de neutron, par exemple du zirconium et de l'acier inoxydable, qui sont difficiles à fabriquer avec des formes compliquées. Egalement, il doit être pourvu d'une structure appropriée 30 le rendant indépendant d'opérations critiques telles que le soudage . On connait de nombreux types et conceptions de dispositifs d'espacement de barres de combustible. Par exemple, on a décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.350.275 un dispositif 35 d'espacement qui a été utilisé avec succès dans des réacteurs nucléaires refroidis par eau et comportant des charges de combustible se composant de 49 barres d'un diamètre d'environ 12,5 mm et d'une longueur d'environ 3,6 m. Un tel dispositif d'espacement comprend 71 19406 2 2093945 des éléments séparateurs agencés en forme de casiers à oeufs et supportés par une bande périphérique et des ressorts indépendants de manière à maintenir les barres de combustible en position et à permettre leur dilatation. 5 Ces dispositifs d'espacement de conceptions connues ne con viennent pas pour être utilisés par exemple dans des réacteurs du type à surgénëration rapide dans lesquels chaque charge de combustible peut comporter un grand nombre, par exemple 750, de barres de combustible étroitement espacées et d'un diamètre de 6 mm ou 10 moins. Avec une telle charge de combustible, on dispose d'un espace insuffisant pour loger des ressorts séparés d'une façon appropriée et sûre. Il est également souhaitable d'éliminer la bande périphérique portante puisqu'elle contribue à augmenter le poids de matière des dispositifs d'espacement dans un fort pourcentage. En outre, 15 cette bande périphérique occupe un espace excessif, elle nécessite un canal d'écoulement de section droite plus grande et elle a un effet perturbateur sur la répartition correcte de la température et de l'écoulement du réfrigérant dans le canal. Dans certains cas, il peut être nécessaire de munir le canal d'un garnissage pour réduire 20 la section de passage excessive existant entre les éléments d'espacement . L'invention a pour but de fournir un dispositif d'espacement de barres de combustible agencé en particulier pour permettre la mise en place de barres de combustible étroitement espacées et de 25 petit diamètre. L'invention a également pour but de fournir un dispositif d'espacement de barres de combustible qui ne nécessite pas de bande périphérique portante. L'invention a en outre pour but de fournir un dispositif 30 d'espacement de barres de combustible qui ne dépende pas de soudures ou d'autres opérations critiques pour fonctionner de façon efficace. L'invention a également pour but de fournir un dispositif d'espacement de barres de combustible permettant d'établir un équilibre optimal entre sa résistance mécanique et la faible capacité 35 d'absorption de neutrons parasites. L'invention a en outre pour but de fournir un dispositif d'espacement de barres de combustible qui réduise au minimum l'étranglement de l'écoulement de réfrigérant dans le canal du réac- 1 teur. 71 19**06 3 2093945 L'invention a en outre pour but de fournir un dispositif d'espacement qui soit de fabrication simple et peu coûteuse. Le problème est résolu suivant l'invention à l'aide de plusieurs poutres d'espacement écartées les unes des autres, entre-5 croisées et formant des passages^pour barres de combustible. Chacune des poutres comporte à chaque extrémité une patte destinée,à s'engager dans un évidement ou alvéole formé dans la paroi du canal d'écoulement, ce qui évite la prévision d'une bande périphérique de support des éléments d'espacement. Les poutres ont une section 10 droite en forme de "W" de manière à établir des surfaces appropriées de contact avec les barres de combustible et à avoir un degré d'élasticité suffisant pour permettre une dilatation des barres Avantageusement, les poutres croisées peuvent être assemblées par fusion, par exemple par soudage, à leurs intersections 15 afin de faciliter l'introduction de l'ensemble de poutres dans le canal d'écoulement. Cependant, suivant une caractéristique de l'invention, la cohésion du dispositif d'espacement n'est pas fonction de ces soudures, les pattes prévues aux extrémités des poutres ë-tant maintenues engagées dans les alvéoles du canal par les barres 20 de combustible. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les pattes prévues aux extrémités de poutres sont allongées et coudées de façon à former une pointe orientée latéralement et agencée pour venir se bloquer dans les alvéoles ou évidements ménagés dans la paroi du 25 canal. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'aptitude des éléments d'espacement â renforcer le canal d'écoulement est uti lisée pour réduire l'épaisseur de la paroi du canal, en diminuant ainsi la quantité de matière structurale existant dans le coeur du 30 réacteur. De préférence, le canal à paroi mince est ondulé circu-lairement dans les zones entre éléments d'espacement. Cela lui confère une rigidité latérale ou circulaire tout en permettant une dilatation et une contraction longitudinales de 1'ensemble combustible et tout en résolvant le problème de l'incurvation des canaux 35 sous l'effet d'une dilatation différentielle produite nucléaire-ment. Les ondulations dirigées vers l'intérieur créent également dans le canal une surface intérieure discontinue qui permet l'établissement de zones de contact appropriées avec les barres de combustible. Les poutres d'espacement peuvent être liées par fusion à 71 19406 4 2093945 la paroi mince du canal de façon à travailler en tension pour s'opposer à une déformation du canal d'écoulement sous l'effet de la pression du réfrigérant s'écoulant à l'intérieur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront 5 mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : La Fig. 1 est une vue en perspective, en partie en coupe, d'une charge de combustible suivant l'invention ; 10 La Fig. 2 est une vue en plan d'un ensemble d'éléments d'es pacement suivant 1'invention ; La Fig. 3 a est une vue latérale à échelle plus grande d'une poutre d'espacement suivant 1'invention ; La Fig. 3 b est une section droite de la poutre d'espacement 15 de la Fig. 3 a ; La Fig. 4 est une vue de détail montrant l'engagement d'une patte de poutre dans une alvéole prévue dans le canal d'écoulement La Fig. 5 est une vue de détail à échelle plus grande d'une partie de la charge de combustible de la Fig. 1 ; 20 La Fig. 6 est une vue éclatée, en partie schématique, d'un montage d'assemblage et de soudage de l'ensemble d'éléments d'espacement ; La Fig. 7 est une vue en élévation montrant un montage servant à infléchir les poutres d'espacement ; 25 La Fig. 8 représente un mode de réalisation à paroi mince suivant 1'invention ; La Fig. 9 est une vue en plan montrant un ensemble d'éléments d'espacement comportant des poutres ayant un profil longitudinal ondulé ; 30 La Fig. 10 est une vue en plan d'un ensemble d'éléments d'espacement suivant l'invention, utilisés dans un canal d'écoulement de section droite carrée ; La Fig. 11 est une vue en plan d'un ensemble de poutres d'espacement ayant un profil longitudinal ondulé et utilisées dans 35 un canal d'écoulement de section droite carrée ; La Fig. 12 représente une. poutre d'espacement à patte de vérouillage suivant l'invention ; La Fig. 13 montre l'utilisation d'une poutre d'espacement â patte de vérouillage dans un canal d'écoulement à paroi mince. 71 19'4Û5 5 2093945 On a représente sur la Fig. 1 une charge de combustible 11 comprenant un canal d'écoulement 12 de forme tubulaire, ouvert à ses extrémités et contenant une pluralité de longues barres de combustible 13. Les barres de combustible 13 sont disposées dans des 5 passages 17 (Fig. 2) formés dans plusieurs dispositifs d'espacement de barres 18 qui constituent des supports latéraux pour les barres (les barres de combustible 13 peuvent être fixées par leurs extrémités inférieures sur une grille, désignée par 14, elle-même montée dans un embout 16 de réception de réfrigérant). 10 Des détails du dispositif d'espacement 18 sont représentés en vue en plan sur la Fig. 2 et également sur les Fig. 3 à 5. Le dispositif d'espacement 18 est formé de plusieurs poutres 21 espacées, entrecroisées et délimitant des passages 17 de barres de combustible ; il est prévu une pluralité de poutres supérieures 21 15 (1) espacées et orientées parallèlement et une pluralité de poutres inférieures 21 (2) espacées, orientées parallèlement et faisant un angle A avec les poutres 21 (1). L'angle A dépend de différents facteurs, à savoir des diamètres des barres de combustible 13, de l'épaisseur effective des poutres 21 et de ce que les poutres 21 20 ont un profil rectiligne (Fig. 2) ou ondulé longitudinalement, comme indiqué sur la Fig. 9, de manière à réduire l'écartement entre les barres de combustible. Il est également prévu que les poutres 21 fassent avec les parois du canal d'écoulement 12 un angle B, par exemple de 60°. 25 Chacune des poutres d'espacement 21 comporte à chaque extré mité une patte 22, comme le montre la Fig. 3 a qui est une vue en élévation ou latérale d'une des poutres 21. Les pattes 22 sont a-gencées pour s'engager dans des poches ou évidements 23 (Fig. 4 et 5) formées dans la paroi du canal d'écoulement 12 en des endroits 30 appropriés. La vue de détail de la Fig. 4 montre l'engagement de la patte 22 dans une poche 23 formée dans un canal à paroi relativement épaisse. Comme le montre la Fig. 5, les pattes 22 sont placées en direction des bords supérieurs des poutres supérieures 21 (1) et en direction des bords inférieurs des poutres inférieures 35 21 (2). Cette disposition des pattes 22 permet l'introduction des dispositifs d'espacement 18 dans le canal d'écoulement (comme cela sera décrit par la suite) et assure une retenue des pattes 22 dans les poches 23 par la présence des barres de combustible 13. Par 71 19406 6 2093945 exemple, comme indiqué sur la Fig. 2, une patte 22 (x) d'une poutre d*espacement supérieure 21 (x) est retenue dans une poche 23 (x) par une barre de combustible 13 (x). Comme le montre la Fig. 5, les poutres d'espacement supë-5 rieures 21 (1) et inférieures 21 (2) sont soudées ensemble en leurs points d'intersection 24. L'ogéra|;iÇj>n de soudage, qui sera décrite dans la suite, établit un léger/verrouillage des poutres dans leurs zones d'intersection de manière à former une structure analogue à un casier à oeufs. Suivant une caractéristique importante de l'in-10 vention, la cohésion structurale de l'ensemble d'éléments d'espacement ne dépend pas des soudures faites aux intersections 24 ou d'autres soudures. Si une ou toutes les soudures des intersections 24 se rompent, les poutres 21 restent bloquées en position. Comme le montre la section droite de la Fig. 3 b, les pou-15 très d'espacement 21 ont un profil de section droite en forme de W. Ce profil remplit plusieurs fonctions, parmi lesquelles celle de former des surfaces arrondies 27, 28 et 29 de contact avec les barres de combustible 13 et de donner à la poutre un certain degré d'élasticité permettant d'absorber une dilatation des barres de 20 combustible et de petites variations de diamètre. Comme le montre la Fig. 1, l'orientation angulaire des dispositifs d'espacement 18 varie progressivement sur la longueur du canal d'écoulement 12. Par exemple, si les dispositifs d'espacement sont tournés de 60 ° les uns par rapport aux autres, une action de -25 retenue hexagonale complète est exercée sur chaque barre de combustible par chaque couple de dispositifs d'espacement dans le canal. La Fig. 6 est une vue éclatée et partiellement schématique d'un montage permettant d'assembler et de souder les poutres d'espacement en leurs zones d'intersection, ce montage comprenant des 30 plaques supérieure et inférieure 31, 32 électriquement conductrices et reliées à une source de courant 33, plusieurs broches 34 et un cadre 36 formés d'une matière électriquement isolante. La plaque inférieure 32 comporte une série de trous destinés à recevoir et à maintenir les broches 34 dans des positions espacées en vue de la 35 réception et du maintien en position correcte des poutres inférieures 21 (2) et des poutres supérieures 21 (1) du dispositif d'espacement. Les longueurs des broches 34 sont telles qu'elles ne dépassent pas de la surface du cadre 36 et l'épaisseur de ce cadre. 71 19'4Û5 7 2093945 36 est choisie inférieure d'une valeur prédéterminée à la hauteur d'empilage des poutres supérieures et inférieures dans la condition non soudée. Pour effectuer le soudage des poutres en leurs intersections, la plaque supérieure 31 est appliquée contre les poutres 5 supérieures 21 (1) et on fait passer un courant de soudage de la plaque supérieure 31 dans la plaque inférieure 32 par l'intermédiaire des poutres d'espacement de manière à porter à la température de soudage toutes les zones d'intersection des poutres. Simultanément, une pression prédéterminée est exercée à l'aide d'une 10 source appropriée 37 entre les plaques supérieure 31 et inférieure 32. Les zones d'intersection de poutres sont par conséquent comprimées étroitement pendant le processus de soudage afin d'établir le léger degré de verrouillage mentionné plus haut. Après soudage des zones d'intersection des poutres (et après 15 enlèvement du montage de soudage), le dispositif d'espacement 18 est prêt à être installé dans le canal d'écoulement 12 du réacteur. Une telle installation nécessite que les pattes 22 soient maintenues écartées de la paroi du canal jusqu'à ce que les poutres d'espacement soient situées dans des positions adjacentes aux poches 20 23 de réception des pattes respectives. Ce problème peut être résolu en infléchissant temporairement les poutres d'espacement en direction du centre du dispositif d'espacement et en maintenant les poutres dans cette position infléchie jusqu'à ce que l'ensemble soit placé dans sa position correcte dans le canal d'écoulement. La 25 Fig. 7 représente un montage 40 permettant de résoudre ce problème. Le montage 40 comprend une plaque supérieure 41 et une plaque inférieure 42 qui comportent chacune plusieurs rainures espacées 43 ayant une forme de dent de scie. Les rainures 43 sont disposées et espacées de manière que, lorsque le dispositif d'espacement 18 non 30 infléchi est initialement disposé entre les plaques 41 et 42, les bords des poutres d'espacement 21 touchent un point, tel que le point 44, au début de la partie inclinée 46 de la rainure 43. Lorsque les plaques 41 et 42 entre lesquelles est interposé le dispositif d'espacement 18 sont rapprochées l'une de l'autre (par des 35 moyens non représentés), les poutres d'espacement 21 sont infléchies vers l'intérieur à mesure que leurs bords progressent le long de la surface inclinée 46 en direction du fond de la rainure 43, comme indiqué sur la figure. 71 19406 8 2093945 Pour maintenir les poutres d'espacement en position infléchie en vue de leur introduction dans le canal d'écoulement du réacteur, l'ensemble est enrobé d'une masse coulée telle que du polyéthylène-glycol de façon à être bloqué dans sa position inflé-5 chie entre les plaques 41 et 42 du montage. Les plaques 41 et 42 sont alors enlevées, l'ensemble enrobé est placé en position dans le canal d'écoulement 12 et la matière d'enrobage est fondue par échauffement. Avantageusement, le polyéthylène-glycol est soluble dans l'eau de manière à pouvoir éliminer le résidu de matière à 10 l'aide d'eau. On ensemble de barres combustibles et d'éléments d'espacement 51 a été représenté sur la Fig. 8. Dans ce mode de réalisation, un canal d'écoulement 52 est constitué d'une matière relativement mince pour réduire le poids de la structure rentrant dans le coeur 15 du réacteur. Les pattes 22 des poutres des dispositifs d'espacement 18 sont engagées dans des ëvidements 53 ménagés dans la paroi du canal et ces pattes sont emmanchées, soudées ou fixées autrement dans les ëvidements 53 de manière que les poutres d'espacement puissent travailler en tension afin de s'opposer à une déformation 20 des parois du canal. Dans les zones existant entre les dispositifs d'espacement 18, le canal d'écoulement 52 comporte des ondulations latérales ou circulaires 54 assurant un raidissement latéral s'opposant à un bombement ou à une autre déformation de la paroi. Les ondulations intérieures forment également dans le canal une surface 25 intérieure discontinue qui contribue à empêcher un appauvrissement en réfrigérant dans le cas où une barre combustible s'incurverait en s'appliquant contre la surface intérieure du canal d'écoulement. Puisque les dispositifs d'espacement 18 absorbent des forces de compression latérale, la charge de combustible 51 peut être bloquée 30 en position dans le coeur du réacteur à l'aide de forces exercées aux emplacements correspondant aux dispositifs d'espacement. Comme dans le mode de réalisation de la Fig. 1, les dispositifs d'espacement 18 sont tournés de 60° les uns par rapport aux autres sur la longueur du canal d'écoulement. 35 La vue en plan de la Fig. 9 montre un dispositif d'espace ment 18' formé de poutres 21' ayant une section droite en 'forme de W (comme sur la Fig. 3 b) mais présentant également un profil longitudinal ondulé ou en serpentin. Le dispositif d'espacement 18' 71 19405 9 2093945 permet par conséquent de recevoir des barres de combustible 13' très étroitement espacées. Les Fig. 10 et 11 montrent l'utilisation des dispositifs d'espacement suivant l'invention dans des canaux d'écoulement 100 5 et 110 ayant des sections droites carrées. Les Fig. 12 et 13 représentent une poutre d'espacement 21" qui comporte une patte modifiée 22' agencée pour être bloquée mécaniquement dans la paroi du canal d'écoulement. La patte de verrouillage 22' comporte un prolongement latéral 56 pourvu d'une ex-10 trémitë 57. La Fig. 12 montre la patte 22* engagée dans un évide-' ment 23' de la paroi d'un canal d'écoulement 12', l'extrémité 57 s'appuyant contre le côté de l'évidement 23' de manière à verrouiller la poutre 21" en position. En vue d'une utilisation avec un canal d'écoulement à paroi relativement épaisse, la patte .22' peut 15 être pourvue d'un talon 58 destiné à entrer en contact avec le côté opposé de l'évidement 23' et â limiter le degré d'introduction de la patte dans 1'évidement. La Fig. 13 montre l'utilisation d'une patte de verrouillage 22" avec un canal d'écoulement, à paroi mince 52 (1). Dans ce cas, 20 il est préférable de former une lucarne 59 au lieu d'un évidement dans la paroi du canal pour recevoir la patte de verrouillage 22". 71 19406 10 2093945 REVENDICATIONS 1) - Dispositif pour retenir une pluralité de barres de combustible dans des positions espacées et parallèles dans un canal tubulaire, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'espace-5 ment de barres de combustible placé dans le canal et comprenant un premier groupe de poutres espacées s'étendant entre des côtés opposés du canal, un second groupe de poutres espacées faisant un certain angle d'intersection avec les poutres du premier groupe et s'étendant entre des côtés opposés du canal afin de former une plu- 10 ralitë de passages de barres de combustible, chacune des poutres étant pourvue d'une patte à chaque extrémité, et des poches ou ëvidements de réception des pattes prévus dans le canal et agencés pour permettre l'engagement des pattes en vue du maintien des poutres en position dans le canal. 15 2} - Dispositif suivant la revendication 1, caractérise en ce que l'angle d'intersection des poutres est d'environ 60°. 3) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérise en ce que les poutres ont un profil de section droite incurvé afin de créer des surfaces incurvées de contact avec les barres de combus- 20 tible. 4) •• Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les poutres ont une section droite en forme de W. 5) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérise an ce que les pattes sont fixées sur le dit canal. 25 6) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les poutres du premier et du second groupe sont liées ensemble par fusion dans leurs zones d'intersection. 7) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les poutres du premier et du second groupe sont fixées par • 30 verrouillage dans leurs zones d'intersection. 8) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérise en ce que les poutres sont orientées d'un certain angle par rapport aux côtés du dit canal. 9) - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en 35 ce que l'angle formé par les poutres avec les côtés du dit canal est d'environ 60°. 10) - Dispositif suivant la revendication 8 caractérisé en ce que l'angle formé paç les poutres avec les côtés du dit canal est d'environ 45°. 71 19405 11 2093945 11) - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les pattes ont une largeur inférieure à celle des poutres et en ce que les dites pattes sont formées dans des zones éloignées des bords adjacents des poutres du premier et du second groupe de 5 manière qu'une introduction de barres de combustible dans les dits passages pousse et maintienne les pattes dans les dites poches ou ëvidements. 12) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le canal contient deux dispositifs d'espacement de barres 10 de combustible tournés latéralement l'un par rapport à l'autre de manière que les poutres d'un dispositif d'espacement ne soient pas parallèles aux poutres de l'autre dispositif d'espacement. 13) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les poutres présentent un profil longitudinal ondulé. 15 14) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le canal contient plusieurs dispositifs d'espacement de barres de combustible placés dans des positions espacées à l'intérieur du dit canal, en ce que le canal est formé d'une matière relativement mince et en ce que les parois du canal sont pourvues d'ondu- 20 lations latérales dans les zones situées entre les dispositifs d'espacement. 15) - Dispositif suivant la revendication 14, caractérisé en ce que les pattes sont fixées directement sur le canal. 16) - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en 25 ce que les pattes sont pourvues d'un prolongement latéral et en ce que les poches sont pourvues d'un côté agencé pour assurer le verrouillage du dit prolongement. 17) - Dispositif suivant la revendication 16, caractérisé en ce que les poches sont formées par des ëvidements ménagés dans la 30 paroi du dit canal. 18) - Dispositif suivant la revendication 16, caractérisé en ce que les poches sont formées par des lucarnes ménagées dans la paroi du dit canal.