Brevet FR2095272A1 — publié le 19720211

La présente invention concerne un ensemble d'écartement de cartouches de combustible pour réacteurs nucléaires, qui est relativement facile à fabriquer et qui permet de réaliser des assemblages combustibles, de manière à réduire sensiblement 5 1 ' endommageaient des gaines des cartouches de combustible. Les réacteurs nucléaires constituent les principales installations de conversion de grandes quantités d'énergie libérées par la fission nucléaire en énergie thermique utile. Lorsqu'un atome fissile tel que U255, U255, Pu259 ou Pu241 10 absorbe un neutron thermique, il est très probable qu'il subisse une fission nucléaire en se scindant en deux produits de fission de poids atomique inférieur ayant une grande énergie cinétique et émettant un certain nombre de neutrons. Dans un réacteur nucléaire, l'énergie cinétique des produits de fission est 15 dissipée dans les cartouches de combustible nucléaire sous forme de chaleur qui est éliminée du réacteur par un fluide de refroidissement qui est en relation d'échange de chaleur avec les cartouches de combustible. Les neutrons de fission sont ralentis pour être ramenés dans la gamme thermique par un 20 ralentisseur et ils sont alors utilisés pour provoquer une fission ultérieure dans un autre atome afin que la réaction soit auto-entretenue. Un exemple de réacteur nucléaire ralenti par de l'eau comporte en principe une enceinte sous pression et un coeur 25 constitué par un certain nombre d'assemblages combustibles. Chaque assemblage combustible comporte un faisceau de cartouches de combustible nucléaire constituées,par exemple, par des tubes en alliage de zirconium remplis d'oxyde d'uranium enrichi. L'eau est pompée à travers une buse située à la base de l'assemblage 30 pour qu'elle circule dans ce dernier et autour des cartouches. L'eau remplit la double fonction d'éliminer la chaleur et de ralentir les neutrons. L'eau quitte l'assemblage par une buse supérieure et est utilisée pour produire de la vapeur d'eau destinée à entraîner une turbine. 35 Afin de maintenir la puissance produite à un niveau élevé, il importe d'utiliser des ensembles d'écartement intermédiaires 71 21731 2095272 pour maintenir les cartouches adjacentes à un écârtement préois dans un assemblage et pour les empêcher de se cintrer par suite des charges thermiques. Ces ensembles d'écartement comportent, en particulier, un réseau cellulaire présentant une série de bou-5 tons de positionnement et de ressorts à lames pour espacer plusieurs cartouches de combustible dans chaque cellule. Ces éléments d'écartement classiques sont relativement coûteux à réaliser, en grande partie à cause de la difficulté de former les ressorts à lames dans les cellules individuelles. En outre, étant donné 10 que les assemblages combustibles sont réalisés par exemple en introduisant les cartouches de combustible lohgitudinalement dans les espaces déjà formés, il arrive souvent de former des gorges ou des éraflures longitudinales dans la gaine des cartouches. Comme on le sait dans le domaine des réacteurs nucléaires, 15 même un très petit dommage de la gaine peut avoir des conséquences graves. Selon la présente invention, un ensemble d'écartement de cartouches de combustible comporte' un réseau cellulaire et, pour chaque cartouche de combustible, un collier de portée com-20 portant deux parties en forme de bagueg£endues reliées entre elles entourant la cartouche, qui sont proportionnées pour couvrir sensiblement plus de 180° de la circonférence de la cartouche. Deux pattes élastiques sont formées sur les bagues fendues pour venir librement en prise avec le réseau'cellulaire et empêcher 25 un déplacement longitudinal du collier de portée. Cet ensemble d'écartement peut être facilement réalisé étant donné qu'il n'est pas nécessaire que les colliers fassent partie du réseau cellulaire. Les cartouches de combustible peuvent être introduites transversalement dans les colliers de portée et chargées longi-30 tudinalement dans le réseau cellulaire sans toucher les grilles d'écartement serrées qui ont été précédemment fixées; D'autres avantages et caractéristiques'de l'invention ressortiront de la description qui va'suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titré explicatif, mais nul1e-35 ment limitatif, une forme de réalisation"de l'invention. Sur ces dessins : 71 21731 2095272 la figure 1 est une vue en perspective d'une grille cellulaire d'écartement de cartouches de combustible d'un type pouvant être utilisé selon l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective d'un collier modu-5 laire de portée selon l'invention ; la figure 3 est une élévation latérale dans le sens des flèches 3-3 de la figure 2 ; la figure 4 est une vue en plan suivant la ligne 4-4 de la figure 2 ; 10 la figure 5 est une vue partielle en plan des cellules adja centes d'un ensemble d'écartement de cartouches de combustible selon l'invention, montrant un collier dans la position angulaire, qui lui permet de passer librement à travers une grille d'écartement "étrangère" pour être placé dans la grille d'écartement 15 qui lui est destinée ; la figure 6 est une vue partielle en plan analogue à la figure 5, mais montrant tous les colliers de portée dans leur position définitive ; la figure 7 est une élévation latérale, en partie en coupe, 20 d'un ensemble d'écartement de cartouches de combustible selon l'invention, suivant la ligne 7-7 de la figure 6 j la figure 8 montre l'application de l'invention à un assemblage combustible dans lequel les cartouches de combustible sont disposées en nombre pair sous forme d'un carré ; 25 la figure 9 montre l'application de l'invention à un assem blage combustible dans lequel les cartouches de combustible sont disposées en nombre impair sous forme d'un carré ; et la figure 10 représente une autre application de l'invention à un assemblage combustible dans lequel les cartouches de com-30 bustible sont disposées en nombre impair sous forme d'un carré. Comme on le voit sur la figure 1, une grille d'écartement selon l'invention présente une structure cellulaire très simple, analogue à un "carton à oeufs" présentant des paires opposées 35 de parois périphériques 1 et 2, plusieurs parois internes 3 entre les parois périphériques 1 et d'autres parois interneg^ entre les 71 21731 4 2095272 parois périphériques 2 qui coupent les parois internes 3, de façon à subdiviser l'intérieur de la structure en plusieurs cellules 5. Il est évident pour les spécialistes que les parois périphériques 1 et 2 ont une longueur leur permettant d'entourer le groupe 5 des cartouches de combustible parallèles d'un assemblage combustible et que les parois internes 3 et 4 traversent le groupe des cartouches de combustible par endroits de façon que des sous-groupes d'une ou plusieurs cartouches soient entourés par les parties des parois périphériques et internes formant les 10 cellules individuelles 5. Les parois de la grille d'écartement sont de préférence en un matériau tel qu'un alliage de zirconium ayant de bonnes propriétés métallurgiques et nucléaires. En outre, comme on le verra plus loin, la nature simple de la grille d'écartement selon 15 l'invention permet de percer les parois à la fois périphériques et internes, de manière à améliorer la circulation du fluide de refroidissement dans la grille et de réduire la masse du matériau absorbant les neutrons. La grille d'écartement décrite jusqu'ici est destinée en 20 particulier à un assemblage combustible, dans lequel toutes les cartouches de combustible sont disposées en nombre pair sous foime d'un carré, par exemple un total de 36 cartouches disposées 6 par 6 comme on le voit plus en détail sur la figure 8, sur laquelle les cartouches individuelles sont désignées par 6. 25 Etant donné qu'il y a deux parois internes équidistantes 3 et deux parois internes équidistantes 4, tout l'espace délimité par les parois périphériques 1 et 2 est divisé en neuf cellules individuelles aqAotal disposées trois par trois, chaque cellule entourant un sous-groupe de quatre cartouches. Bien que l'in-30 vention soit représentée sur la figure 8 comme s'appliquant à un carré, il est bien entendu qu'elle peut également s'appliquer à un rectangle, par exemple de 48 cartouches disposées à raison de six sur huit, de 160 cartouches disposées à raison de dix sur seize, etc. L'application de 1'invention,à une disposition 35 d'un nombre impair de cartouches de combustible, est représentée sur les figures 9 et 10. 71 21731 5 2095272 Aucune des cartouches de combustible 6 ne s'appuie directement contre une autre cartouche ou contre la structure cellulaire ; au contraire, l'espace prévu entre les cartouches adjacentes et les parois d'écartement, ainsi que le support des cartouches 5 est maintenu par un collier de portée de chaque cartouche qui est réalisé de manière aisée et économique. Une forme particulière d'un collier de portée selon l'invention est représentée sur les figures 2, 3 et 4 qui montrent également une partie d'une cartouche de combustible 6 en traits mixtes. lie collier comporte des 10 parties supérieure et inférieure 7 et 8 entourant la cartouche, chacune d'elles étant en un bon matériau élastique tëL qu'un alliage de nickel et de chrome vendu sous la marque déposée "Inconel". La forme de chaque partie entourant la cartouche est généralement celle d'une bague fendue proportionnée de manière 15 à couvrir plus de 180° de la circonférence d'une cartouche de combustible 6. Le but selon l'invention est de serrer fortement la cartouche de combustible dans ces bagues fendues, mais non de l'enfermer dans un anneau solide inextensible. Dans la forme de réalisation représentée sur les fjgures 2 à 4, chaque bague 20 fendue couvre environ 270° autour de l'axe central de la cartouche. Chaque partie élastique comporte des éléments 10 faisant saillie vers 1'intérieur et venant en contact avec la cartouche qui peuvent être commodément formés par estampage de la 25 bague. Il est avantageux de former quatre de ces éléments de contact à des endroits équidistants, autour de la partie élastique dans les positions qui sont à 90° enviroijies unes des autres, . Ainsi, chaque bague touche la cartouche de combustible à quatre endroits en établissant un contact ponctuel ou linéaire, et la 30 bague elle-même est maintenue à distance de lg£artouche et est sensiblement coaxiale à cette dernière. Les parties élastiques comportent également sur leurs surfaces- externes des cordons de portée 11 et 12 à deux endroits espacés d'environ 90° autour de l'axe des parties élastiques. Comme on le voit, l'un des 35 éléments 10 est formé près des cordons 11 et un autre est formé près des cordons 12. Etant donné que chacun de ces cordons s'appuie contre une paroi de la grille d'écartement, il est avan 71 21731 6 2095272 tageux que le fluide de refroidissement puisse circuler derrière l'élément 10, de manière qu'il ne se fouie pas de "point chaud" ou région de température excessive dans la zone de contact entre la cartouche et l'élément 10. On l'évite déjà en formant 5 un petit coude semi-circulaire faisant saillie vers l'intérieur 13 dans la partie élastique entre les deux cordons 11 ainsi qu'entre les deux cordons 12. Les bagues fendues 7 et 8 sont réunies à leurs extrémités libres correspondantes par des éléments de liaison 14 et 15. 10 Ces éléments sont en un matériau élastique et comportent à des endroits situés entre leurs extrémités, des parties d'appui 16 (destinées à venir en contact élastique avec les parties d'appui des colliers adjacents) qui font saillie radiâlement vers l'extérieur au-delà des périphéries des bagues fendues 15 7 et 8. Finalement, le collier de portée comporte des éléments destinés à venir en prise d'une manière amovible avec la structure cellulaire pour éviter que le collier de portée soit entraîné hors des limites de la structure par le fluide de refroidissement qui passe en regard du collier dans la forme de réalisation 20 représentée. Il s'agit de pattes élastiques 17 formées sur le bord supérieur de la bague fendue 7 et sur le bord inférieur de la bague fendue 8. Ces pattes se trouvent à 90° les unes des autres et près des cordons 11 et 12 de chaque bague. Les bagues fendues 7et 8 sont espacées l'une de l'autre d'une distance correspondant 25 sensiblement à la largeur des parois de la structure cellulaire, de façon qu'une patte élastique de la bague fendue 7 et la patte élastique complémentaire de la bague fendue 8 s'accrochent sur les bords opposés de la paroi adjacente de la structure pour constituer des éléments d'arrêt et empêcher un déplacement 30 du collier de portée dans le sens de la longueur de la cartouche de combustible. Bien qu'on ait décrit d'une façon générique les parties 7 et 8 entourant la cartouche de combustible, comme étant semi-cylindriques, et bien qu'on ait décrit séparément les diverses par-35 ties du collier de portée, il est préférable que le collier de portée soit monobloc. Il peut être réalisé à partir d'une seule tôle par des techniques classiques d'estampage, puis il peut Ôtre 71 21731 7 •2095272 cintré à la forme finale en donnant aux bagues entourant la cartouche la forme d'un polygone ouvert, régulier ou irrégulier. L'omission d'un côté du polygone ou d'une façon plus générale la formation des parties entourant la cartouche sous forme de 5 bagues fendues a un double but : (1) permettre de déployer le collier, de manière à pouvoir y introduire une cartouche de combustible sans que les surfaces 10 raclent et éraflent la surface sur une grande longueur de la cartouche ; (2) permettre au collier de portée de se dilater et de se contracter avec 10 la dilatation thermique et autres mouvements de la cartouche de combustible. La structure cellulaire combinée avec plusieurs des colliers de portée décrits ci-dessus a pour fonction de garantir le maintien de l'écartement prescrit entre les diverses cartouches d'un 15 assemblage combustible en supportant latéralement les cartouches ou entre leurs extrémités dans une/plusieurs positions . D'autres dispositifs connus en pratique tels que des collecteurs et des plaques de butée sont utilisés pour positionner et supporter les extrémités des cartouches de l'assemblage. 20 L'une des caractéristiques de la présente invention réside dans l^Êacilité avec laquelle les cartouches de combustible peuvent être montées dans les grilles d'écartement intermédiaires sans éraflures ou autres dommages des surfaces relativement molles des gaines des cartouches de combustible. Les positions 25 qu'occupent les grilles d'écartement dans l'assemblage final sont marquées sur une table de travail convenable et les struc-turegfcellulaires sont placées de façon que leurs côtés occupent les position^prescrites et que leurs cellules soient alignées. Les colliers de portée sont montés sur les cartouches de com-30 bustible individuelles à des endroits espacés de la même distance que les structures cellulaires sur la table de travail. On le réalise aisément en écartant les colliers de manière à les ouvrir légèrement pour pouvoir facilement assembler les cartouches sans qu'elles soient éraflées par les éléments 10. Tous les 35 colliers montés sur une cartouche doivent être orientés de la même façon autour de l'axe de la cartouche avant ae permettre aux colliers dqfee/refermer suffisamment contre cette dernière. 71 21731 8 2095272 Cela facilite l'introduction des cartouches dans les structures cellulaires. Maintenant, on introduit les cartouches} sur lesquelles sont placés les colliers de portée, longitudinalement dans les cellules des structures "étrangères" en forme de "boite 5 à oeufs" jusqu'à ce que chaque collier soit placé dans la cellule de sa structure particulière ou qui lui est propre. Les figures 5 et 6 montrent la façon dont on peut facilement le réaliser. A titre illustratif, on peut supposer que le collier désigné par A est le premier collier à entrer dans la cellule représentée sur 10 la figure 5 et qu'il est dans sa position définitive. Il convient de noter que les cordons 11 et 12 des bagues fendues 7 et 8 s'appuient contre les parois de la structure cellulaire. Si l'on essayait d'introduire les deuxième, troisième et quatrième colliers(désignés par B, C et D) dans la cellule, 15 en les orientant autour de l'axe de la cartouche dans leur position définitive, ils entreraient en contact avec les parois et le ou les colliers déjà introduits dans la cellule. Toutefois, il y a suffisamment de jeu pour le passage de chacun des colliers si l'on fait simplement tourner les cartouche.s portant ces colliers 20 de 45° environ autour de leurs axes longitudinaux, de façon que les colliers soient orientés comme le collier D sur la figure 5* Dans cette position, chaque collier de la cartouche peut être facilement guidé à travers les cellules des structures cellulaires étrangères jusqu'à ce qu'il parvienne à la structure 25 dans laquelle il doit être fixé de manière définitive.On le fait tourner alors de 45° en sens inverse pour le mettre en position. On se rend aisément compte de ce processus simple si l'on compare la position du collier D sur la figure 5 avec celle du collier correspondant D de la figure 6. 30 Sur la figure 6, tous les colliers des diverses cartouohes sont dans leur position définitive et il est bien entendu que les portées 16 des éléments de liaison adjacents 14 et 15 s'opposent à un déplacement latéral. Toutefois, lorsque les colliers de portée sont dans leur position définitive, ils sont indivi-35 duellement empêchés de s'échapper de la cellule par les pattes élastiques .17 des bagues fendues 7 et 8 qui sont en pïise avec les parois de la structure cellulaire comme on le voit en parti 71 21731 2095272 culier sur la figure 7. Comme indiqué précédemment, la présente invention est facilement applicable à des assemblages combustibles dans lesquels les cartouches sont disposées, soit en nombre pair, soit en 5 nombre impair sous forme de carré ou de rectangle. La figure 8 montre l'application de l'invention à une disposition carrée d'un nombre pair de cartouches, à savoir une disposition de 6 sur 6 pour un total de 36 cartouches de combustible individuelles 6. Dans cette disposition, comme dans toute autre disposition 10 carrée ou rectangulaire, d'un nombre pair de cartouches, la structure cellulaire constituée par les parois 1, 2, 3 et 4 peut être réalisée et agencée de façon que chaque cellule 5 de la structure puisse recevoir quatre cartouches de combustible individuelles. A cet égard, les détails des colliers de portée, des cartouches 15 de combustible et de leur position par rapport à une cellule individuelle de la structure cellulaire, sont exactement les mêmes que ceux décrits en se référant aux figures 2 à 7. Il est bien entendu que les rangées et colonnes de cartouches de la disposition carrée d'un nombre pair représentée sur la figure 8 peuvent 20 être augmentées dans une direction quelconque d'un multiple quelconque de 2 pour former de plus grands carrés ou rectangles et qu'il ne serait pas nécessaire dans ce cas d'apporter une modification importante à la construction des colliers ou de la structure cellulaire. 25 La figure 9 représente une forme éventuelle d'une dispo sition carrée d'un nombre impair de cartouches, à savoir 5 sur 5 pour un total de 25 cartouches de combustible. Sur la figure 9, les parois périphériques de la structure cellulaire sont désignées par les numéros de référence 31 et 32 et les parois 30 internes sont désignées par 33 et 34. Dans cette forme de réalisation, les parois internes sont disposées de manière à former des cellules individuelles 35 aux angles de la disposition et chacune de ces cellules loge quatre cartouches de combustible individuelles sous forme d'un carré. Les parois internes délimitent également 35 des cellules 37 dont chacune loge deux cartouches de combustible 36. Ces cellules sont disposées en croix autour d'une cellule centrale 38 qui ne contient qu'une seule cartouche. Les colliers 71 21731 10 2095272 de portée des cartouches des cellules 35 sont les mêmes que ceux décrits en se référant aux figures 2 à 6. Pour supporter les cartouches dans les cellules 37 et 38, on utilise des colliers de portée qui sont fondamentalement de même forme, la seule mo-5 dification qui devrait être apportée étant une adaptation des dimensions radiales des cordons 12 et des portées 16 pour les adapter aux dimensions légèrement plus petites de ces cellules. La figure 10 représente une autre disposition carrée d'un nombre impair de cartouches, également 5 sur 5 pour un total 10 de 25 cartouches de combustible individuelles. Cette forme de réalisation comporte une structure cellulaire en forme de "carton à oeufs" ayant des parois périphériques 41 et 42 et des parois internes 43 et 44 qui toutes sont analogues aux parois correspondantes de la forme de réalisation de la figure 9. En outre, 15 des parois internes 43' relient les parois internes 44 et des parois internes 441 relient les parois 43. Sur la figure 10, comme sur la figure 9, des cellules 45 sont formées à chaque angle et chacune d'elles est destinée à loger quatre cartouches de combustible individuelles, La forme de réalisation de la figure 20 10 diffère de celle de la figure 9 par la présence de cellules 47 logeant chacune une seule cartouche de combustible et qui sont disposées en croix autour d'une cellule centrale 48. De nouveau, les colliers de portée à utiliser sur les cartouches de combustible dans les cellules d'angle 45 sont identiques à 25 ceux décrits en se référant aux figures 2 à 6 et les colliers de portée à utiliser sur les cartouches de combustible logées dans les cellules 47 et 48 sont de même construction fondamentale, mais diffèrent par leurs dimensions radiales pour les adapter au plus petit espace disponible. 30 Les forces de frottement combinées entre la structure cellulaire et les colliers de portée peuvent être suffisantes dans certains réacteurs pour maintenir les grilles d'écartement dans leur position prédéterminée le long des cartouches de combustible. Toutefois, dans les conditions opératoires qui 35 régnent dans la plupart des réacteurs, il est avantageux de prévoir un moyen permettant de maintenir efficacement les diverses structures cellulaires d'un assemblage combustible dans leur position définitive le long des oartouohes de corn- ) i i 71 21731 2095272 bustible. Ces moyens peuvent être de simples longerons tels que des cornières 20 représentées sur la figure 8 ou des éléments semi-cylindriques 39 représentés sur la figure 9, ou bien des profilés en U 49 représentés sur la figure 10. Dans chaque 5 forme de réalisation, les longerons peuvent couvrir toute la longueur de la cartouche de combustible et ils peuvent être soudés par points/ou fixés d'une autre façon aux structures cellulaires. Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme 10 de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 71 21731 2095272 REVENDICATIONS 1. Ensemble d'écartement de cartouches de combustible d'un assemblage combustible de réacteurs nucléaires, ensemble caractérisé en ce qu'il comporte une grille cellulaire d'écartement 5 de cartouches de combustible pour supporter latéralement des cartouches de combustible nucléaire dans une position située entre les extrémités desdites cartouches, la grille d'écartement cellulaire présentant une ou plusieurs cellules destinées à loger plusieurs cartouches de combustible ; et plusieurs colliers 10 de portée destinés à espacer latéralement et à retenir longi-tudinalement chaque cartouche de combustible de la série disposée dans une seule cellule de ladite grille d'écartement cellulaire, chacun des colliers de portée comportant deux parties en forme de bague fendue entourant la cartouche, deux éléments 15 de liaison pour relier lesdites parties fendues à leurs extrémités libres respectives et un élément destiné à mettre le collier en prise de manière amovible avec la grille d'écartement cellulaire pour empêcher un déplacement longitudinal du collier. 2. Ensemble d'écartement selon la revendication 1, carac-20 térisé en ce que chacune des parties en forme de bague fendue entourant la cartouche est en matériau élastique et est destinée à couvrir un arc de 180° de la circonférence de la cartouche de combustible. 3. Ensemble d'écartement selon la revendication 2, carac-25 térisé en ce que chacune des bagues f'endues présente des parties en saillie venant en contact avec la cartouche de combustible. 4. Ensemble d'écartement selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune des bagues fendues comporte quatre parties en saillie venant en contact avec la cartouche à des endroits équi- 30 distants, à savoir, à environ 90° les uns des autres. 5. Ensemble d'écartement selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque bague fendue entourant une cartouche de ccmhustible comporte deux cordons de portée s'appuyant contre la paroi de la grille cellulaire à deux endroits espaoés de 90° 35 environ. 6. Ensemble d'écartement selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacun des cordons forme un canal permettant 71 21731 13 2095272 au fluide de refroidissement de circuler. 7. Ensemble d'écartement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément destiné à mettre le collier de portée en prise de manière amovible avec la grille d'écartement, afin 5 d'empêcher un déplacement longitudinal, comporte une paire de pattes élastiques. 8. Ensemble d'écartement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les bagues fendues sont espacées d'une distance correspondant sensiblement à la largeur des parois de 10 la grille cellulaire et en ce que l'élément destiné à mettre le collier de portée en prise de manière amovible avec la grille cellulaire afin d'empêcher un déplacement longitudinal, comporte une ou plusieurs pattes élastiques disposées sur chacune des bagues fendues pour s'accrocher aux bords opposés des parois 15 de la grille cellulaire. 9. Ensemble d'écartement selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément destiné à mettre le collier de portée en prise de façon amovible avec la grille cellulaire, afin d'éviter un déplacement longitudinal, comporte une paire de pattes 20 élastiques situées sur les bords extrêmes des deux bagues fendues à des endroits voisins des cordons et espacés de 90°. 10. Ensemble d'écartement selon, la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des éléments de liaison comporte entre leurs extrémités des portées faisant saillie radialement 25 vers l'extérieur, au-délà des périphériques des bagues fendues pour s'appuyer élastiquement contre des portées correspondantes des colliers adjacents.