Brevet FR2134104A1 — publié le 19721208

La présente invention a pour objet un assemblage de combustible nucléaire du type comprenant au moins un faisceau d'aiguilles allonqées de combustible gainées, aiguilles disposées parallèlement les unes aux autres suivant un réseau régulier, et une enveloppe destinée à être parcourue par un fluide réfrigérant et à contenir le faisceau. Les aiguilles constituant un même faisceau sont en général portées par une grille solidaire de l'enveloppe, grille portant des rails sur lesquelles sont enfilés les bouchons terminaux des aiguilles. L'écartement minimum des aiguilles tout le long du faisceau est déterminé par des entretoises enroulées en hélice à grand pas sur chaque aiguille. De tels assemblages sont notamment utilisés dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis par circulation de sodium fondu constituant le réfrigérant.Les aiguilles d'un même faisceau sont alors disposées suivant un réseau triangulaire régulier dans une enveloppe à section droite hexagonale. Dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides actuellement en projet ou en construction, il est généralement prévu d'utiliser des assemblages de plusieurs mètres contenant iin faisceau d'aiguilles dont la gaine délimite successivement, dans le sens de circulation du réfrigérant, une chambre d'expan sion destinée à recueillir les gaz de fission , une zone chargée en matériau fertile (empilement de pastilles de bioxyde d'uranium en aénéral), une zone chargée en matériau fissile, (empilement de pastilles d'oxyde mixte d'uranium et de plutonium par exemple) et un espace destiné à autoriser le gonflement et la dilatation des pastilles.On pourra trouver une description complète d'une aiguille de ce type, généralement dénommée "intégrée", dans la demande de brevet françals nO EN 7018868 déposée le 22 mai 1970 par l'organisme demandeur. Les assemblages de combustibles du type ci-dessus defini destinés à atteindre des taux de combustion élevés (100 000 Mwj/t au moins dans les réacteurs en promet) doivent tenir compte du gonflement sous irradlation des matériaux constitutifs de l'enveloppe. En effet, tous les matériaux pratiquement utilisables ronflent de façon notable lorsque la fluenco dépasse une valeur qui est largement atteinte dans ces réacteurs, avec un retard variable suivant les matériaux et correspondant à l'accumulation des germes. Les assemblages placés dans une zone du coeur où le flux neutronique présente un gradient élevé prennent, si aucune contre-mesure n'est prise, un "arcage" de l'enveloppe à section hexagonale.Cet arche risque de coincer les assemblaaes et de rendre difficile ia manutention du combustible. De plus l'arcane tend à augmenter ou à diminuer la section de certains des sous-canaux et à créer des points chauds; la solution qui vient immédiatement à l'esprit et consiste à changer périodiquement l'orientation ou l'emplacement des assemblages est dans la pratique extrêmement peu commode. La présente invention vise à fournir un assemblage de combustible nucléaire répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il élimine ou au moins atténue dans une large mesure le défaut ci-dessus. I1 part pour cela de la constation que le phénomène de gonflement du métal constitutif de l'enveloppe n'a en général une importance notable que dans un domaine dé température particulier et relativement étroit, mais qui en général recouvre les températures auxquelles est portée une fraction au moins de l'enveloppe autour du faisceau chargé en matériau fissile: ce domaine va de 450CC à 5000C environ dans le cas d'enveloppes en acie lnoxydable. L'assemblage combustible nucléaire suivant l'invention, du type ci-dessus défini, est caractérisé notamment en ce qu'il comporte des moyens pour faire circuler le long de l'enveloppe du réfrigérant à une température telle qu'il maintient la température de ladite enveloppe dU droit du faisceau à une valeur pour laquelle le taux de gonflement sous irradiation est très inférieur au taux de gonflement maximum. Dans le cas d'une gaine en acier inoxydable, les moyens seront prévus pour maintenir l'enveloppe à une température située hors de l'intervalle compris entre 450"C et 500pu. Etant donné que les températures d'entrée et de sortie du sodium fondu dans les assemblages d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides sont en général situées hors du domaine ci-dessus, on dispose de deux solutions simples pour maintenir l'enveloppe à la température convenable: la première consiste à la balayer par du réfrigérant à la température d'entrée dans les assemblages (400'C par exemple) la seconde à la faire balayer par du réfrigérant à la température de sortie des assemblages (580'C par exemple). L'invention sera mieux comprise à ia lecture de la description qui suit de deux assemblages constituant des modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement deux assemblages disposés côte à côte dans le coeur du réacteur, l'un des assemblages étant en coupe suivant son plan vertical médian, munis de moyens permettant de maintenir leur enveloppe à une température supérieure au domaine de gonflement maximum sous irradiation; - la figure 2 est une vue de détail à grande échelle en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3, similaire à la figure 1, est une vue en coupe schématique d'un assemblage dont l'enveloppe est maintenue à une température inférieure au domaine de gonflement maximum;; - la figure 4 est une vue de détail, à arande échelle, en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3. La figure 1 montre deux des assemblages constituant le coeur d'un réacteur à neutrons rapides refroidi par circulation ascendante de sodium fondu. Chacun des assemblages 10 et 10' présente un pied qui s'enaage dans un sommier 12 qui supporte le coeur et constitue un caisson à partir duquel le sodium fondu provenant des échangeurs de chaleur pénètre dans le coeur (flèches f) Chaque assemblage est délimité par une enveloppe 14 à section droite hexagonale fixée au pied 11 et constituant un conduit de circulation du sodium et par une tête de manutention 16 fixée à l'enveloppe. L'intérieur de la tête 16 est aarnie d'un anneau 18 de matériau absorbant les neutrons; la 7uxtaposition des anneaux 18 constitue une protection neu =runique supérieure du coeur. Des pattes 20 portées par les tètes 16 (figures 1 et 2j maintiennent entre les enveloppes de deux assemblages adjacents 10 et 10' un écartement i dont le rôle apparaîtra plus loin. Chaque enveloppe 14 contient une chemise 22 fixée au pied 3.1 et, dans le mode de réalisation illustré en tigure 1, à a protection neutronique 18 qui prolonge la tête 16. Entre cette chemise et l'enveloppe, l'une et l'autre en acier inoxydable en général, subsiste un Deu radial constituant un passage annulaire 24. Le débit de sodium qui sort du faisceau d'aiguilles (dont l'emplacement est indiqué schématiquement par le cadre 26 en traits mixtes) se partage en deux fractions. La fraction la plus importante sort de l'assemblage par le passage central du bouchon 16. Une fraction beaucoup plus faible entre dans le passage 24 par des fenêtres 28 ménagées dans la chemise 22 au-dessus du faisceau. Cette fraction dérivée descend dans le zeu annulaire 24 en balayant la chemise 22 et i'enveloppe 14 et les maintient à une température qui, à chaque niveau axial, est supérieure à celle du réfrigérant en circulation ascendante dans le faisceau au même niveau. Le débit dérivé soit par des ouvertures 30 situées immédiatement au-dessus du pied 11 dans l'intervalle 25 compris entre deux assemblages, d'épaisseur 1, et remonte pour se mélanaer à la traction principaie. L'épaisseur du passage 24 et l'écartement g entre deux assemblages adjacents sont choisis d'une part en fonction de considérations neutroniques, d'autre part pour que les pertes de charges subies par la fraction principale du débit dans la tête et par la fraction dérivée du débit dans l'intervalte 25 entre les assemblages et le passage 24 'équilibrent lorsque le débit dérivé représente la traction convenable. L'assemblage illustré en figure i comporte un seul faisceau d'aiguilles, pouvant incorporer à la fois du matériau fertile et d matériau fissile, mais ia même disposition serait également utilisable dans un assemblage contenant un faisceau supplémentaire chargé en matériau fertile, placé u-dessus du faisceau 2b et appartenant à une couverture supérieure Les aiguilles constituant le faisceau fertile étant beaucoup plus courtes que les autres, il neut alors suffire de réchauffer l'enveloppe le ionr du faisceau fissile. On dispose en conséquence d'une certaine latitude dans ltemplacement des fenêtres 28. Dans le mode de réalisation illustré en Figure 1, on maintient l'enveloppe à une température supérieure au domaine de gonflement maximum sous irradiation: Au contraire dans le mode de réalisation illustré en figures 3 et 4, on maintient l'enveloppe à une température inférieure. Pour plus de simplicité, les organes illustrés en figures 3 et 4 et ayant une contrepartie sur les figures 1 et 2 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice prime. L'assemblage 10' comporte encore une enveloppe externe 14' à section droite hexagonale fixée à un pied 111 qui s'engage dans un sommier non représenté et à une tête 16' munie d'un anneau 18' de matériau absorbant les neutrons. L'assemblage contient un faisceau inférieur d'aiguilles intégrées 32 dont une seule est représentée) contenant du matériau fissile et du matériau fertile et un faisceau supérieur d'aiguilles 34 chargées en matériau fertile (dont une seule est représentée). Les aiguilles 32 du faisceau inférieur sont portées par une grille 36 fixée au pied 11'. Les aiguilles du faisceau supérieur 34 sont également fixées à une grille schématiquement indiquée en 38, fixée à l'enveloppe 14'. Les pieds d'aiguilles sont ainsi maintenus les uns par rapport aux autres, dans une position invariable, par les grilles. L'écartement minimum des aiguilles 32 et 34 sur toute leur longueur est fixé par des entretoises en hélice 40.Les entretoises, avantageusement constituées par des fils enroulés sur la gaine et -fixés aux bouchons, peuvent être soit à saillie constante, soit de l'un des types décrits dans le brevet français nO EN 6943162 demandé le 12 décembre 1969 et dans son premier certificat d'addition. Dans la partie inférieure de l'enveloppe 14' est placée une chemise 22' à section hexagonale qui entoure le faisceau inférieur constitué des aiguilles 32. La partie inférieure de la chemise 22' est fixée au pied 11', éventuel- lement par l'intermédiaire de la grille 36. Une entretoise constituee par un fil enroulé 42, de diamètre convenable, maintient entre l'enveloppe 14' et la chemise 22' un passage annulaire 24'. Dans la partie diverqente 46 du passage ménagé dans le pied pour amener le sodium depuis le sommier est disposé un cône 48 qui délimite un 7eu par lequel une fraction du débit de sodium entrant dans i'assemblaqe est dérivée vers le passage annulaire 24'. On voit que le débit total du sodium pénétrant dans l'assemblage se partage en deux fractions: la fraction principale traverse le faisceau d'aiguilles 32, puis atteint le faisceau d'aiquilles 34. La fraction dérivée passe par le jeu entre le pied et le cône 48, et par des lumières 50 ménagées dans la arille 36 (figure 4), s'écoule dans le passage 24' en léchant l'enveloppe 14' et la chemise 22', et enfin se mélange à la fraction principale en arrivant dans le faisceau d'aiguilles 34. I1 est évidemment nécessaire que la fraction du débit total qui parcourt le passage annulaire 24' reste très faible (6 à 7 % au plus), tout en étant suffisante pour maintenir l'enveloppe 14' et la chemise 22' à une température inférieure à celle qui correspond à la zone de gonflement maximum. Pour atteindre ce résultat, il faut introduire des pertes de charge élevées sur le trajet de la fraction dérivée du débit. Dans le mode de réalisation illustré en figure 3, le cône est muni dans ce but de chicanes formant un labyrinthe imposant successivement des contractions et des expansions successives au courant de sodium et présentant donc un coefficient de perte de charge élevé. La disposition qui vient d'être définie est utilisable par exemple dans le cas d'un réacteur dont la température d'entrée dans les assemblaaes est de 4000C et dont la température de sortie des assemblages serait de 580tu en l'absence du circuit dérivé. L'enveloppe peut être constituée en acier inoxydable de 2 à 3 mm d'épaisseur, la chemise également en acier inoxydable de 1,5 à ? mm d'épaisseur (de façon à résister à la différence des pressions qui s'exercent sur ses faces interne et externe). Le jeu peut être de l'ordre de 2 mm. Dans ces conations, on peut faire passer une fraction du débit représentant 6 à 7 % du débit total entre l'enveloppe 14' et la chemise 22', ce qui se traduit par une chute de température de 3 à 4% seulement sur la différence entre la température moyenne de sortie du réacteur et la température d'entrée. L'enveloppe est alors maintenue à une température inférieure à 4500C et présente aux taux d'irradiation élevés (100.000 MWJ/t par exemple) un gonflement qui est une faible fraction du gonflement sous le même taux d'irradiation à la température où le phénomène est maximum. L'invention ne se limite évidemment pas aux seuls modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS i; Assemblage de combustible nucléaire comprenant au moins un faisceau d'aiguilles allonaées de combustible aainées, aiguilles disposées parallèlement les unes aux autres suivant un réseau régulier, et une enveloppe contenant le faisceau et destinée à être parcourue par un fluide réfrigérant, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire circuler le long de l'enveloppe du réfricrérant à une température telle qu'il maintient la température de ladite enveloppe au droit du faisceau à une valeur pour laquelle le taux de gonflement sous irradiation est très inférieur au taux de gonflement maximum. 20) Assemblage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe est en acier inoxydable et en ce que lesdits moyens sont prévus pour maintenir i'enveloppe à une température située hors de l'intervalle compris entre 450"C et 500pu. 30) Assemblage suivant ia revendication I ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un passage partiellement délimité par ladite enveloppe et parcouru par du réfrigérant admis à sa température d'entrée dans le faisceau ou de sortie hors du faisceau. 49; Assembiaqe suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'ii comprend une chemise placée à :.'intérieur de isenveioppe, entourant ie faisceau d'alvuilles, la chemise étant percée d'ouvertures dadmission de réfrigérant sortant dudit faisceau dans ia partie supérieure d'un passage annulaire délimité par la chemise et l'enveloppe et l'enveloppe étant percée d'ouvertures ménagées faisant communiquer la partie inférieure du passage avec l'extérieur de l'assemblage. 50) Assemblage suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une chemise disposée à i lntdrleur de L'enveloppe autour du faisceau, i'espace annulaire entre l'enveloppe et la chemise communiquant par son extrémité inférieure avec le réfrigérant entrant dans l'assemblage et par son extrémité supérieure avec ie réfrigérant sortant dudit faisceau. r Assemblage suivant ia revendication 5, caractérisé en ce q-' contient un faisceau d'aiguilles chargées en matériau fertile disposé en aval du faisceau d'aiguilles de combustible et de la chemise dans ie sens de circulation du réfrigérant. 7 ) Assemblage suivant ia revendication 5 ou 6, C3i-actérisé par des moyens situés en amont dudit passage annulaire, opposant une perte de charge élevée au courant de réfrigérant admis dans ce passage. 8-j Assemblage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écarte- ment minimum des aiauilles du faisceau de combustible est fixé par des entretoises en hélice dont a saillie est variable, au moins sur les aiguilles latérales dudit faisceau.