Brevet FR2111642A1 — publié le 19720609

La présente invention concerne les faisceaux déchange thermique comprenant des tubes dans une enveloppe, et notamment les assemblages combustibles nucléaires comportant au moins un faisceau dalguilles allongés parallèles, disposees dans une enveloppe constituant un conduit de circulation d'un fluide réfrigérant : dans ce cas les gaines d'aiguilles constituent les tubes. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'entreoisement destiné à maintenir les tubes ou aiguilles transversalement les unes par rapport aux autres et par rapport à l'enveloppe dans un assemblage. Diverses solutions ont été apportées jusqui'à présent au problème du maintien d'un faisceau de tubes ou d'aiguilles dans une enveloppe Suivant une disposition qui est couramment utilisée dans les assemblages combustibles pour réacteur à neutrons rapides, un fil est enroulé en hélice str la gaine de chaque aiguille. Les aiguilles sont portées par une grille qui les maintient longitudinalement les unes par rapport aux autres et 1 écartement est fixé par appui des fils sur les gaines. Cette approche, qui a longtemps paru satisfaisante, devient insuffisante lorsque le combustible doit supporter les taux d'irradiation élevés prévus dans les réacteurs rapides en construction à l'heure actuelle. En effet, il se produit à partir dun certain taux d'irradiation ull gonflement différentiel entre les gaines des aiguilles, disposées en général suivant un réseau triangulaire, et l'enveloppe, constituée alors par un tube à section hexagonale. Ce gonflement différentiel, que l'on pense pouvoir attribuer aux différences de flux neutronique puisque les gaines et l'enveloppe sont en général constituées de la même nuance d'acier inoxydable oblige à augmenter le jeu radial à la construction entre les aiguilles périphériques du faisceau et l'enveloppe.Mais cette augmentation du jeu a des conséquences graves les aiguilles, n'étant plus maintenues, risquent de vibrer et elles risquent de prendre une forme en arc créant des points chauds sous irradiation Une autre solution, couramment utiliser ans les réacteurs à combustible oxyde refroidis par un gaz, consiste à maintenir les aiguilles à 1 aide de grilles disposées perpendiculairement à l'axe du faisceaux munies de trous circulaires que traversent les aiguilles et de passages supplementaires destinés au réfrigérant. Cette solution présente également des inconvénients. Chaque grille gêne le gonflement des aiguilles à son niveau. La perte de charte élevée créée par chaque grille est peu acceptable lorsque le réfrigérant est un liquide, et notamment lorsqu7il est constitue par le sodium fondu généralement utilisé dans les réacteurs à neutrons rapides. De plus les filets fluides tendent alors à garder leur individualité et à découler parallèlement les uns aux autres sans se mélanger, d'où une inhomogénéité de la température du fluide à la sortie qui limite la puissance spécifique que l'on peut atteindre. Par ailleurs, on rencontre dans les échangeurs de chaleurs comportant un faisceau de tubes allongés et parallèles d'échange thermique un problème qui, pour être très différent, conduit à des inconvénients qui se rapprochent des précédents : les tubes étant de grande longueur, ils tendent à vibrer et à se déformer. La solution classique consiste à disposer des chicanes à l'intérieur de ltenveloppe contenant le faisceau de tube et constituant conduit de circulation de l'un des fluides d'échange thermique Ces chicanes créent des pertes de charge considérables. La présente invention vise à fournir au problème du maintien transversal des éléments d'échange thermique, une solution ne présentant pas les défauts de celles précédemment connues ; elle vise en particulier, dans le cas du maintien transversal des aiguilles dans un assemblage combustible, à assurer un maintien satisfaisant sans grener le gonflement différentiel des aiguilles et de l'enveloppe et sans être pour autant source de vibrations ou de déformation en arc des aiguilles et sans créer des inhomogénéités de température de sortie. Dans ce but, l'invention propose un dispositif d'entretoisement destiné à maintenir latéralement les uns par rapport aux autres des éléments allongés et parallèles formant un faisceau, tels que les aiguilles de combustible gainé d'un assemblage combustible nucléaire, dispositif comprenant une pluralité de plaques disposées obliquement par rapport aux elements allonges, percées de trous dans lesquels lesdits éléments s'engagent à frottement doux et laissant subsister des passages par lesquels un fluide dléchange thermique peut s'écculer suivant une direction générale parallèle auxdits éléments. Suivant un mode d'application particulier de l'invention, destiné aux assemblages de combustible nucléaire comprenant une enveloppe de guidage du fluide d'écnange, lesdites plaques prennent appui sur 11 enveloppe. Le terme plaqueutilisé ci-dessus doit être interprété dans un sens large et coxale couvrant aussi bien un organe plein, perce des seuls trous nécessaires au passage des aiguilles, que le cas d'un organe muni de perforations supplémentaires lui donnant éventuellement une constitution de grille ou en nid d'abeile Suivant un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif comprend plusieurs jeux de plaques réparties le long de l'assemblage et constitués chacun de n plaques (n étant un nombre entier) identiques et de même inclinaison sur l'axe, décalées angulairement.Si l'enveloppe présente une section polygonale régulière à n côtés, chaque jeu peut être constitué de n plaques identiques, décalées angalairememt de 2#/n ou d'un multiple de 2#/n - Toutes les plaques d'un même jau peuvent être disposées au même niveau, dans a mesure où leur encombrement évite une interférence entre les plaques, et être fixées les unes aux autres pens eonstituer une structure rigide. Le dessin de ces plaques peut être prévu pour brasser le réfrigérant qui circule dans llenveloppe et garantlr une homogénéité complète de la température à la sortie.Cette homogénéité est très favorable, puisqutelle permet d'atteindre pour toutes les gaines la température maximale jugée acceptable. Suivant un mode particulier de réalizatlon de l'invention, l'assemblage combustible nucléaire équipé du dispositif comprend une enveloppe dont le pied (par lequel entre le réfrigérant) et la tête sont reliés à la fois par une partie tubulaire mince qui délimite le conduit de circulation du réfrigérant et par un tirant central, éventuellement tubulaire suivant une disposition similaire à celle qui fait l'objet du brevet français na 1 519 593 demandé le 5 décembre 1966 par l'organisme demandeur Dans ce cas les plaques sont avantageusement dessinées pour prendre appui non seulement sur la partie tubulaire externe, mais aussi sur le tirant central L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs constituant deux modes de mise en ceuvre, donnés à titre dlexemplesnon limitatifs. La description se réfèr a dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation j'un jeu de plaques placées au même niveau et reliées pour constituer w* structure unique, destinée à être placée dans une enveloppe à section bexagonale et à # teceveir des aiguilles disposées suivant un réseau triangelaire alguilles dent seuls des tronçons sont représentes, - la figure 2 montre une des plaques du dispositif de la figure 1, en élévation - la figure 3 montre schématiquement un dispositif dsentretoi- sement constitué de jeux de plaques superposées suivant un second mode de réalisation, un seul trou ayant été représenté dans thaque plaque pour plus de clarté, - la figure 4 montre très schématiquement les éléments principaux d'un assemblage combustible comprenant un tirant central et -un dispositif d'entretoisement du type illustré en figure 3 La structure unique représentée en figure 1 est destinée à un assemblage combustible comprenant une enveloppe externe, délimitant un conduit de circulation du réfrigérant. à section droite hexagonalez Les aiguilles, dont seuls des tronçons 10 sont représentés, sont retenues longitudinalement dans llenveloppe par des moyens classiques les laissant libres de se dilater longi tudinalement, tels que des rails (non représentésj portés par le pied de l'enveloppe. Ces aiguilles sont maintenues latéralement les unes par rapport aux autres par une série de structures 12 semblables à celle représentée en figure 1.Ces structures peuvent être jointives ou au contraire espacées dans le premier cas, il suffit que la structum inférieure soit maintenue par des moyens classiques la laissant libre de se dilater longitudinalement, tels que des rails portés par le pied de ltenveloppe ; dans le second cas, chaque structure doit évidemment être maintenue longitudinalement par rapport à 1 enveloppe. La structure 12 comprend six plaques identiques 14, qui se déduisent l'une de autre dans la structure par rotation de 6 autour de l'axe de l'assemblage. Chacune de ces plaques est percée de trous 16 destinés à recevoir les aiguilles. La section droite Ce ces trous est elliptique dans le cas général où les aiguilles sont à section droite circulaire. Les trous sont disposés suivant un réseau triangulaire, qui n'est plus équilatéral même si le réseau des aiguilles est à pas constant, étant donné l'inclinaison de la plaque par rapport aux aiguilles. Chacune des plaques 14 illustrée en figures 1 et 2 se projette sur un plan normal à l'axe de l'assemblage suivant une surface égale à la moitié de la section droite de l'enveloppe Cette disposition supprime toute interférence entre les plaques. Pour que toutes les plaques du même jeu consti tuent néanmoins une structure unique et rigide, elles sont munies à leurs deux extrémités opposées de deux pattes parallèles et les pattes de toutes les plaques 14 sont reliées les unes aux autres : chaque plaque prend appui sur deux faces opposées de l'enveloppe par ses pattes telm nales et sur deux faces intermédiaires de llenveloppe par son arête latérale Comme de plus toutes les pattes sont interconnectées et forment deux colliers on arrive à une structure de grande rigidité. La figure 1 montre clairement que l'appui de chaque aiguille sur une plaque steffectue suivant une section droite oblique sur l'axe. En conséquence, leappui à un niveau donné est suivant deux points au plus. Dans ces conditions la dilatation radiale de l'aiguille est toujours autorisée suivant diverses directions. De plus la répartition des points de contact de ltaiguille sur une plaque le long de son axe évite l'apparition d'une section droite chaude. On voit également que le mouvement hélicoïdal imprimé par les plaques au réfrigérant provoque un brassage de celui-ci, d'où une homogénéisation de la température. Si l'on veut encore augmenter ce brassage, il est évidemment possible d'alterner le sens d'inelinaisen des deux de plaques successifs. La disposition qui vient d'être décrite s'applique évidemment quels que soient la section droite de l'enveloppe et le reseau suivant lequel sont disposées les aiguilles. En particulier 1 enveloppe eut être à section droite circulaire ou earree. Dans le dernier cas, les aiguilles seront en générale disposées suivant un réseau à pas carré.On peut également disposer les trous dans les plaques de façon que l'écartement des aiguilles ne soit pas identique au centre dru faisceau et à la périphérie de celui-ci une telle disposition, utilisant un pas plus faible à la périphérie, permet éventuellement de compenser le fait que les canaux de circulation da réfri- gérant entre les aiguilles périphériques et l'enveloppe ne sont bordés par des surfaces de transmission de chaleur que sur une fraction de leur pourtour. On peut également noter que 1 emploi d:un dispositif deentre- toisement utilisant des jeux de plaques du genre qu vient d'être décrit s'adapte parfaitement à un assemblage combustible comport ant un tipant central qui joint le pied et la tête de 11 assemblage et pet et d'alléger la portion tubulaire de l'enveloppe. suivant une disposrtion qui peut être celle décrite dans le brevet français n 1 519 593 déjà mentionne. L allègement de la partie tubulaire de l'enveloppe présente un double avantage la raas.se de matériau absorbant les neutrens ces diminuée et la portion tubuiaire. étane munce, peut fluer sans cuprure pont survre les déformations que incenrent l'assemblage en forme d'arc lorsque l'assemblage est soumis aux conditiens de service dans le réacteur. Enfin il faut neter la simpll@@ei au mise en place du dispositif d'entrstoisement suivant l'inventien L les jeux de plaques du genre illustré eu figure 1 peuvent être glissés dans l'enveloppe aprés aloir eté mis en place sur les aiguilles Le dispositif d'enrretoisement représenté en figure 3 est également destiné à un assemblage combustible nuclèuite comportant une enveloppe à section draite hexagenale régulière fnon reoprée). Ce dispositif, constituan une variante d'exésution de l'invention omporte plusieurs jeux de plaques empilés de façon jointive et solidarisés les uns des aurres. Pour plus de simplacité. un seui trou de passage d'anguille a été représenté dans chaque plaque, alor, qu'en général le nembre sera nettement plus élevé. Les jeux de plaques ötent cous identioues, seul le jeu anférieur sera maintenant décrit. Chaque jeu comporte six plaques identiques 20, présentant la même inclinaison par rapport I .-tre extrémité sur un tirant central 26, indiqué en traits mixtes sur ld figure 3. I1 faut noter que toutes les plaques appartenant à un même jeu et leurs pattes 22 peuvent être découpées d'une seule pièce dans une tôle, puis pliées suivant la disposition illustrée en figure 3. La figure 4 montre de façon extrêmement schématique un assem blage combustible nucléaire comportant une tige central 26 formant tirant et un dispositif d'entretoisement du type illustre en figure 3. Pour plus de clarté, un seul jeu de plaques a été illustré sur la figure 4, à la partie haute du faisceau d'aiguilles. L'assemblage de la figure 4 comporte une tête 28 de manutention percée de passages 30 de sortie du réfrigérant (flèches f), un pied 32 par lequel le réfrigérant entre (flèches f'J et par lequel ltassem- blage s'appuie sur un sommier non représenté, et une portion tubulaire 34 formant l'enveloppe avec la tôte et le pied.Le tirant 26 relie la tête 28 et le pied 32 qui porte un: grille 36 de support des alguilles 38 Grâce à la présence du tirant J a portion tubulaire 34 est soulagée du poids des aiguilles et du pied: lors des Xanutntlons elle peut être contituén par une tôle nince, suscoptible de se déformer sans contraintes suceessives : on retrouve dans le cas de la disposition des figures 3 et 4 tous les avantages signalés à propos de la disposition des figures l et 2 Il sa sans dire que les disposations qui ont été décrites ne sont nullement limitatives, et que les plaque peuvent être découpées et disposées les unes par rapport aux autres différemment. I1 va sans dire que les variantes envisagées ci-dessus, ainsi que toutes autres restant dans le cadre des équuivalemces. sont couvertes par le présent brevet REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entretoisement destiné à maintenir latéralement les uns par rapport aux autres des éléments allongés et parallèles formant au moins un faisceau, tels que les aiguilles de combustible gainé d'un assemblage combustible nucléaire, dispositif comprenant une pluralité de plaques disposées obliquement par rapport aux éléments allongés, percées de trous dans lesquels lesdits éléments s'engageant à frottement doux, et laissant subsister des passages par lesquels un fluide d'échange thermique peut s'écouler suivant une direction générale parallèle auxdits éléments. 2. Dispositif suivant la revendication 1, pour assemblage combustible nucléaire, comprenant une enveloppe contenant ledit faisceau et constituant un conduit de guidage du réfrigérant constituant ledit fluide d'échange thermique, caractérisé en ce que lesdites plaques prennent appui sur l'enveloppe. 3. Dispositif suivant la revendication l ou 29 caractérisé en ce que chacune des plaques n'est percée que des trous de passage desdits éléments ou aiguilles et présente un encombrement qui ntest qutune fraction de la section droite totale de ltenveloppe. 4. Dispositif suivant la ruvendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les plaques sont percées de trous de passage du fluide d'échange en addition aux trous de réception desdits éléments ou aiguilles. 5. Dispositif suivant la revendication I, 2, 3 ou 4, pour assemblage combustible nucélaire comportant une enveloppe à section polygonale régulière à n côtés, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs jeux de plaques repartis ]e long de l'assemblage et constitués chacun de n plaques identiques et de même inclinaison sur lgaxe, décalées angulairement de n autour de l'axe de l'enveloppe. r. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des n plaques d'un jeu se fixe à un côté correspondant de l'enveloppe et sur une longueur qui est une fraction de la largeur du polygone. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'encombrement de chaque plaque transversalement à l'axe de l'assemblage est environ la moitié de la section droite de l'enveloppe et en ce que ladite plaque s'appuie sur la moitié de la section de ladite enveloppe suivant un plan oblique à l'axe. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chaque plaque s'appuie par sa périphérie sur l'enveloppe d'une part perpendiculairement à l'axe de celle-ci et d'autre part suivant une ligne oblique par rapport à l'axe. 9. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que toutes les plaques d'un même jeu sot disposées au même niveau et s'appuient dtune part sur llenveloppe, d'autre part sur une tige centrale. 10. Assemblage combustible nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe munie d'un pied et d'une tête de manutention, un faisceau d'aiguilles de combustible nucléaire dont une extrémité est retenue longitudinalement par rapport à 11 enveloppe, et un dispositif d'entretoisement des aiguilles suivant lune quelconque des revendications 1 à 8. 11. Assemblage suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un tirant central reliant le pied et la tête et sur lequel prennent appui les plaques. 12. Assemblage suivant la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la maille du réseau et la section droite de l'enveloppe sont soit l'une et l'autre carrées, soit l'un triangulaire et l'autre hexagonale. 13. Assemblage suivant la revendication 10, ii,ou 15 caractérisé en ce que l'écartement des aiguilles du faisceau, fixé par le dispositif d'entretoisement, varie du centre à la périphérie du faisceau.