Brevet FR2072154A1 — publié le 19710924

Il est connu que la matière combustible ou fissile destinée à des réacteurs nucléaires hétérogènes est en général sous la forme de cartouches ou barreaux de combustible qui sont groupés dans les réacteurs sous forme de faisceaux comprenant des ensembles 5 de cartouches de combustible. Chaque réacteur comporte un certain nombre de tels ensembles de cartouches de combustible qui constituent le coeur du réacteur, le liquide ralentisseur-réfrigérant, normale-lement de l'eau, monte à travers le coeur du réacteur dans les canaux formés entre les cartouches de combustible pour en extraire 10 la chaleur. l'une des limitations imposées au fonctionnement des réacteurs courants est déterminée par le début de l'ébullition de la pellicule sur les surfaces des cartouches de combustible . Ce phénomène est défini couramment du point de vue qualitatif par la diver-15 gence de l'ébullition germinée (DEG) et quantitativement par le flux thermique sortant lorsqu'il se produit une DEG (flux thermique critique ou PTC). Cette condition est affectée par 1'écartement des cartouches de combustible, la pression régnant dans le système, le flux thermique, l'enthalpie du réfrigérant et la vitesse d'écou-20 lement du réfrigérant, lorsqu'il se produit une DEG, la température de la cartouche de combustible adjacente augmente rapidement à cause de la moins bonne transmission de chaleur, ce qui pourrait provoquer une défaillance de la cartouche. En conséquence, afin de maintenir un certain facteur de sécurité, le réacteur doit fonction-25 ner avec une certaine marge de sécurité au-dessous du PTC et du point où il se produit une DEG. Cette marge est désignée par marge thermique. Les réacteurs nucléaires présentent normalement des régions dans le coeur qui présentent un flux neutronique et une 30 puissance volumique supérieurs à ceux des autres régions. Cela peut être dû. à un certain nombre de facteurs,dont l'un est la présence des canaux réservés aux barreaux de réglage du coeur. Lorsque les barreaux de réglage sont hors du coeur, les canaux qui leur sont réservés sont remplis de ralentisseur,ce qui augmente le pouvoir ' 35 local de ralentissement et,par suite,la puissance engendrée dans le combustible adjacent. Dans ces régions de plus grande puissance volumique, qui sont appelées "canaux chauds", l'enthalpie du BAD ORIGINAL^ 70 47262 2 2072154 réfrigérant augmente plus vite que dans les autres canaux. Ce sont ces canaux chauds qui déterminent les conditions maximales de fonctionnement du réacteur et limitent la puissance qui peut être engendrée, étant donné que c'est dans ces canaux que la marge thermique 5 critique est atteinte en premier lieu. La présente invention est fondée sur le fait qu'un" écoulement du réfrigérant dans une direction inclinée par 'rapport aux cartouches de combustible assure une valeur plus élevée "du flux thermique critique, probablement du fait qu'un tel écoulement em- 10 pêche la formation de bulles de vapeur d'eau et de couches d'eau surchauffées qui se forment sur la surface" des cartouches''de combustible, juste avant que se produise une DEG- en cas d'écoulement parallèle. On a également constaté que des aubes de mélange ou des déflecteurs d'écoulement placés dans les canaux d'écoulement du ré-15 frigérant d'un coeur de réacteur mélangent le réfrigérant provenant de divers^ canaux et tendent ainsi à réduire l'effet des canaux chauds. Ce mélange réduit la forte augmentation de l'enthalpie du réfrigérant dans les canaux chauds et a tendance à équilibrer l'augmentation de l'enthalpie sur la section droite du coeur. Il en ré-20 suite que le réacteurpeut fonctionner à une puisssa:nce supérieure et conserver encore une bonne marge thermique. La présente invention a pour objet un ensemble de combustible pour réacteurs nucléaires,dont les cartouches de combustible sont orientées dans le sens de la longueur parallèlement les unes 25 aux autres et à distance les unes des autres pour définir entre elles des canaux d'écoulement du réfrigérant qui contiennent des éléments de déviation de l'écoulement du réfrigérant,qui ont pour effet de perfectionner l'ensemble du fait qu'ils provoquent une perturbation efficace de l'écoulement du réfrigérant près des surfaces 30 des cartouches de combustible ainsi qu'un mélange du réfrigérant dans les divers canaux. Les éléments de déviation doivent être de construction simple et peu coûteuse, en particulier en ce qui concerne leur montage dans l'ensemble, de façon qu'ils puissent être supportés de préférence par les grilles d'écartement normale-35 ment présentes dans un ensemble de combustible nucléaire. Selon la présente invention, ce problème est résolu par le fait que les éléments de déviation du réfrigérant sont . A ■' 1AD ORIGINAL 70 47262 3 2072154 des déflecteurs de forme généralement conique orientés de façon que leur sommet,soit en amont et leur base en aval et qui sont supportés entre les cartouches de combustible. Il convient de noter que l'écoulement du réfrigérant au. centre des canaux est ainsi 5 dévié et dirigé vers les cartouches de combustible situées près du déflecteur respectif. On se rend compte que les déflecteurs peuvent être facilement supportés aux intersections d'une grille utilisée comme grille d'écartement de l'ensemble. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 10 ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, des formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 est une élévation d'un ensemble de combustible ; 15 la figure 2 est une vue en perspective d'une partie d'un ensemble de cartouches de combustible selon la présente invention ; la figure 3 est une coupe d'un ensemble de combustible en regardant vers le bas à travers une grille d'écartement ; 20 les figures 4 et 5 représentent des parties d'éléments de formation d'une grille ; les figures 6, 7 et 8 sont respectivement des vues latérale, par-dessus et par-dessous d'un déflecteur massif ; les figures 9, 10 et 11 sont respectivement des vues 25 latérale, par-dessus et par-dessous d'un déflecteur creux ; la figure 12 est une vue éclatée montrant la technique d'assemblage du déflecteur représenté sur les figures 9, 10 et 11 ; la figure 13 est une vue éclatée montrant la technique d'assemblage d'un déflecteur modifié et d'une bague d'écartement 30 d'une cartouche de combustible ; et la figure 14 est une coupe transversale montrant le déflecteur et l'élément d'écartement de'la figure 13 par rapport aux cartouches de combustible. la figure 1 représente un ensemble 10 de cartouches de 35 combustible comportant des cartouches de combustible individuelles 12 maintenues en place par des raccords d'extrémité 14 et 16 et des grilles d'écartement 18. le coeur d'un réacteur nucléaire est ■ "^0 (V-""'51- 70 47262 4 2072154 formé de plusieurs ensembles de combustible et les déflecteurs d'écoulement du réfrigérant de la présente invention sont incorporés dans de tels ensembles. Le réfrigérant du réacteur, qui est normalement de l'eau, s'écoule en montant à travers des ouvertures 5 ménagées dans le raccord d'extrémité inférieure 16 et monte parallèlement aux cartouches de combustible pour sortir pa'r le raccord d'extrémité supérieure 14. Les déflecteurs influent sur cet écoulement ascendant du réfrigérant à travers les ensembles de combustible. Les déflecteurs sont montés sur des grilles de support situées par intervalles le long des ensembles de combustible. Ces grilles peuvent avoir, pour seule fonction de supporter les déflecteurs comme représenté sur la figure 2,ou elles peuvent avoir pour fonction supplémentaire d'écarter et de maintenir les cartouches de 15 combustible comme indiqué sur la figuré 3. La figure 2 montre deux cartouches de combustible 12 et un déflecteur 20 monté sur une grille 22 qui est constituée par dès éléments 24 et 26. Le déflecteur 20 a généralement une.forme pyramidale et dévie l'écoulement du réfrigérant du centre du canal d'écoulement entre quatre cartou-20 ches de combustible vers l'extérieur en direction desdites cartouches de combustible,comme indiqué par les flèches. Cette déviation a deux effets principaux. Premièrement, la déviation de l'écoulement dérange les conditions d'écoulement du réfrigérant au voisinage immédiat de la surface des cartouches de combustible indivi-25 duelles. Cela a tendance à éliminer la DEG. Il se produit un changement graduel de l'ébullition germinée à l'ébullition stable d'une pellicule plutôt qu'un changement par à-coups. Le flux thermique critique augmente et il est même difficile de détecter le point critique à cause du changement graduel des caractéristiques d'ébul-30 lition. Deuxièmement, la déviation de l'écoulement a tendance à provoquer un écoulement ascendant du réfrigérant dans un canal particulier quelconque entre les cartouches de combustible pour qu'il soit mélangé avec le courant du réfrigérant passant dans les canaux adjacents ou des canaux encore plus éloignés. Cela a pour 35 effet d'éliminer les différences de température du réfrigérant dans les divers canaux. - La figure 3 montre l'application de l'invention à une grille 18 d'écartement de cartouches de combustible et elle Bad original 70 47262 5 2072154 représente une coupe transversale en regardant l'une de ces grilles de haut en bas. la grille présente des saillies 28 et des ressorts 30 dans chacun de ses compartiments qui sont destinés à venir en contact avec les cartouches de combustible 12 et à les supporter, 5 seule une cartouche étant représentée. Naturellement, la grille d'écartement illustrée ne représente qu'un seul des nombreux types auxquels les déflecteurs de la présente invention pourraient être appliqués. les bandes 24 et 26 formant la grille sont représentées 10 plus en détail sur les figures 4 et 5. Elles sont fendues en 32 et 34 respectivement, et ces fentes s'ajustent l'une dans l'autre pour former la grille de la même façon que lorsqu'on forme une boite à oeufs, les découpes 36 sont destinées à recevoir les extrémités inférieures du déflecteur 20 comme on le voit sur la figure 2. 15 les déflecteurs peuvent avoir n'importe quelle forme effilée désirée qui est définie dans le présent mémoire comme étant conique. Bien que les déflecteurs puissent avoir par exemple la forme d'un cône cylindrique droit, la forme conique préférée est une forme généralement pyramidale, comme celle représentée 20 sur les dessins, le déflecteur en forme de pyramide 20 représenté sur les figures 6, 7 et 8 est de construction massive et présente des fentes 38 et 40 dans lesquelles s'ajustent les éléments 24 et 26 formant la grille. Il n'est pas nécessaire que l'extrémité inférieure 42 du déflecteur soit pointue et elle est tronquée, le 25 déflecteur présente des faces latérales légèrement concaves comme on le voit sur les figures 2, 3, 7 et 8, de façon que l'espace annulaire entre les déflecteurs 20 et les cartouches de combustible 12 soit relativement constant, comme on le voit sur la figure 3. On le réalise en faisant en sorte que le centre du rayon de courbure 30 de la "concavité corresponde au centre de la cartouche de combustible adjacente, les déflecteurs sont soudés aux éléments formant la grille pour les maintenir en position. les figures 9, 10 et 11 représentent une variante du déflecteur, désigné par 44, qui est également de forme pyramidale ■ 35 mais qui est en tôle au lieu d'être de construction massive. Ce déflecteur présente une fente 46 dans l'extrémité inférieure pour recevoir l'un des.éléments de formation de la grille et une autre 1 6AD OR'^AL it-m- 70 47262 6 2072154 fente 48 à l'extrémité supérieure pour recevoir l'autre élément de formation de la grille. Ce déflecteur 44 est représenté comme comportant des faces latérales planes, mais elles pourraient être également concaves comme celles du déflecteur des figures 6,7 é"t 8. 5 La figure 12 montre la forme des éléments 50 et 52 de formation de la grille qui sont utilisés avec les déflecteurs 44. Ces éléments présentent des fentes 54 et 56 pour les assembler et des découpes 58 et 60 qui épousent le profil du déflecteur 44 et permettent son montage, les bords des découpes 58 désignés par 59 s'ajustent contre 10 la face interne du déflecteur dans l'extrémité pointue tandis que les bords 61. des découpes 60 épousent la face externe du déflecteur près de l'extrémité de base ou supérieure.les bords droits 62 des découpes permettent d'introduire les éléments formant la grille dans les fentes 46 et 48 du déflecteur. Ce dernier est alors 15 emprisonné entre les éléments formant la grille,et un soudage ou autre forme de fixation n'est pas nécessaire pour maintenir le déflecteur en place. les figures 13 et 14 montrent une variante de la présente invention dans laquelle le déflecteur et les éléments de formation 20 d'une grille sont conçus de manière à permettre d'incorporer une bague 63 de support et d'écartement d'une cartouche de combustible. Cette bague s'ajuste dans la partie découpée de plus grande dimension 64 des fentes 66 des éléments 68 et 70 de formation de la grille et elle agit comme un élément élastique pour supporter la 25 cartouche de combustible 12 comme on le voit sur la figure 14. les éléments 68 et 70 comportent des fentes 72 et 74 permettant de les assembler de la même manière que les éléments de formation d'une boîte à oeufs, le déflecteur pyramidal 76 présente des bords 77 à la jonction entre ses parois latérales adjacentes. Une partie 30 78 de chaque paroi latérale s'étend à la jonction vers l'extérieur parallèlement à la partie adjacente orientée vers l'extérieur et à distance de cette dernière. Il est ainsi formé entre les deux parties parallèles un espace dans lequel s'ajustent les éléments formant la grille, l'élément 70 est introduit de haut en bas dans 35 les fentes 80 des extrémités supérieures des deux parties orientées dans des directions opposées tandis que l'élément 68 est ajusté de bas en haut dans les fentes 82 des extrémités inférieures des Bad original 70 47262 2072154 deux autres parties 78. Cette construction a l'avantage supplémentaire de permettre de former la bague d'écartement en un matériau différent de celui des éléments formant la grille et des déflecteurs. Ainsi, cette bague 63 peut être un matériau tel que "Inconel" qui 5 conserve ses caractéristiques élastiques d'une manière satisfaisante pendant le fonctionnement du réacteur,tandis que les éléments formant la grille et les déflecteurs peuvent être en un matériau tel que "Zircaloy" qui présente une plus faible section efficace d'absorption des neutronset a tendance à perdre une partie de ses 10 propriétés élastiques lorsqu'il est soumis aux radiations. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 70 47262 8 2072154 REVENDICATIONS 1. Ensemble de combustible pour réacteurs nucléaires, dont les cartouches de combustible sont orientées dans le sens de la longueur parallèlement les unes aux autres et à distance les 5 unes des autres,en définissant entre elles des canaux d'écoulement du réfrigérant,qui contiennent des éléments de déviation, ensemble caractérisé en ce que les éléments de déviation du réfrigérant sont des déflecteurs de forme généralement conique orientés de façon que leur sommet soit dirigé en amont et leur base en aval, lesdits 10 éléments étant supportés entre les cartouches de combustible. 2. Ensemble de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces des déflecteurs sont placées pour dévier le réfrigérant dans les canaux sensiblement vers l'extérieur en direction des cartouches de combustible adjacentes. 15 3. Ensemble de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déflecteurs ont une forme sensiblement pyramidale ayant une base sensiblement carrée et quatre faces latérales de déviation orientées vers les cartouches de combustible adjacentes. 20 4. Ensemble de combustible selon la revendication 3» caractérisé en ce que les côtés sont concaves, le centre du rayon de courbure coïncidant sensiblement avec celui de la cartouche de combustible respective, en maintenant un espace annulaire entre la cartouche de combustible et la face correspondante du déflecteur. 25 5. Ensemble de combustible selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les déflecteurs sont supportés par une grille formée par des bandes internes aux intersections desquelles sont montés les déflecteurs. 6. Ensemble de combustible selon la revendication 5, 30 caractérisé en ce que la grille comporte des éléments de contact destinés à monter les déflecteurs. 7.Ensemble de combustible selon la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce que chaque déflecteur comporte une première fente à une extrémité qui s'étend entre les deux bords opposés et une 35 seconde fente à l'autre extrémité qui s'étend entre les deux autres bords,et en ce qu'une bande passe dans la première fente tandis que l'autre bande passe dans l'autre fente pour maintenir le BAD ORIGtf ; 70 47262 9 2072154 déflecteur prisonnier entre elles. 8. Ensemble de combustible pour réacteurs nucléaires selon la revendication 1, et comportant une grille d'écartement pour définir l'espace compris entre les cartouches de combustible, 5 ladite grille comprenant des bandes en tôle se croisant perpendiculairement et définissant les compartiments réservés aux cartouches de combustible, ensemble de combustible caractérisé en ce qu'il est prévu aux intersections un déflecteur et une bague d'écartement faisant saillie dans le compartiment réservé à la cartouche de 10 combustible respective. 9. Ensemble de combustible selon la revendication 8, caractérisé en ce que le déflecteur est en tôle, chacun de ses côtés faisant saillie au-delà du bord entre les côtés adjacents de façon qu'il se trouve à chaque bord deux saillies espacées paral-15 lèles,reliées le long d'une ligne verticale droite passant par l'angle respectif, de la base ; en ce que les déflecteurs présentent des fentes à ce point de liaison qui s'étendent sur une partie de leur longueur, les fentes s'étendant le long de deux bords opposés à partir de la base et le long des deux autres bords à 20 partir du sommet ; et en ce que les bandes présentent à leur tour des fentes pour qu'elles viennent en prise avec les fentes des déflecteurs, les fentes des bandes présentant en outre des découpes dans lesquelles est introduite la bague d'écartement pour qu'elle soit placée autour des déflecteurs.