Brevet FR2128747A1 — publié le 19721020

i 2128747 La présente invention concerne un élément combustible pour réacteurs nucléaires composé d'un grand nombre de barreaux combustible ajustés en leurs positions relatives par des entretoises dans plusieurs plans et fixés à au moins une plaque-support. les-5 quels renferment dans leurs gaines le combustible nucléaire, par exemple sous la forme de pastilles. Les entretoises intérieures ont, à côté des barreaux eux-mêmes, la plus grande importance, car elles rendent et maintiennent uniformes les intervalles nécessaires entre lesdits barreaux. Il faut qu'il en soit ainsi pour être assuré 10 d'un refroidissement aussi régulier que possible des barreaux et éléments combustibles par le réfrigérant, tel qu'un gaz ou un liquide, pendant toute la durée de service du réacteur nucléaire. Mais lesdites entretoises ont forcément des interactions mécaniques avec les barreaux de combustible et, là, avec les gaines de ces 15 derniers, aussi doit-on accorder entre elles, quant à leurs matériaux constitutifs et à leurs épaisseurs de paroi, ces parties en contact mutuel, compte tenu des forces à attendre.. D'une part, les parois doivent être suffisamment épaisses pour que les gaines ne soient pas exposées à des dommages mécaniques. Mais, d'autre part, 20 des raisons d'économie de neutrons veulent que la quantité totale de matériau de structure présente dans les zones actives du coeur du réacteur soit la plus réduite possible, cela en liaison aussi avec les problèmes d'évacuation de la chaleur et de fluage à la température de régime du réacteur. 25 L'invention a pour objet un élément combustible qui sa tisfasse à ces exigences sous une forme optimale. Cet élément combustible est caractérisé par le fait que les gaines des barreaux de combustible ont une épaisseur de paroi établie indépendamment de leur sollicitation mécanique par les entretoises et augmentée à hauteur de celles-ci conformément à ladite sollicitation. Une telle disposition permet un réglage optimal de l'épaisseur de paroi des gaines sur la seule base des conditions de régime du réacteur telles que pression, température, cycles de fonctionnement, dilatation du combustible en fonction du jeu de remplissage, pression 35 des gaz de fission, gonflement du combustible, comportement de fluage du matériau, etc. On ne tient en même temps compte des sollicitations mécaniques par les entretoises que dans les zones d'appui, c'est-à-dire au niveau de ces dernières, où l'on augmente en conséquence l'épaisseur de paroi des gaines. D'où une bien 40 moindre quantité de matériau de gaine, par exemple d'alliage 72 08084 2 ^128747 Zircaloy, à insérer dans le réacteur nucléaire qu'avec les éléments combustibles classiques et une réduction correspondante des pertes par absorption de neutrons causées par ledit matériau. Ces considérations s'appliquent en pratique à tous types de réac-5 teurs nucléaires. Les figures explicatives qui suivront sont particulières à des éléments combustibles pour réacteur nucléaire refroidi à l'eau lourde, lesquels ont une section circulaire et sont insérés, dans le coeur du réacteur, à l'intérieur de tubes de séparation. Mais l'invention est bien entendu applicable aussi 10 à des éléments combustibles d'autres section et disposition géométrique. On peut ici rappeler qu'il a déjà été proposé de rapporter, au niveau des grilles d'espacement, des barrettes de guidage sur les gaines des barreaux de combustible. Leur fixation, par brasage ou par soudage, est toujours liée à des traitements ther-15 miques susceptibles de provoquer, par suite de modifications métallurgiques, des défauts précoces dans le matériau des gaines. L'invention rend inutiles de telles barrettes-guides et évite par conséquent toute modification correspondante de la structure des gaines. On peut au contraire appuyer directement les entretoises 20 contre les barreaux de combustible, ou plus exactement contre leurs parties renforcées, ce qui permet une construction relativement simple. Il ne se produit, de même, à peu près plus de sollicitation mécanique des gaines lorsque l'on insère ou fait glisser les barreaux de combustible dans les entretoises. 25 L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip tion détaillée de plusieurs modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel! s la figure 1 représente la structure générale d'un ' élément de combustible; 30 la figure 2 est une coupe longitudinale d'un barreau de combustible, à hauteur d'une entretoise; la figure 3 est une vue de dessus d'une première entretoise selon ladite invention; la figure 4 est une vue de dessus d'une deuxième 35 entretoise; la figure 5 est une coupe suivant Y-V de la figure 4; la figure 6 est une vue de dessus u'une troisième entretoise selon l'invention. L'élément combustible est constitué, comme on le voit 40 sur la figure 1, par un grand nombre de barreaux de combustible 3 72 08084 3 2128747 qui sont enserrés, à l'une au moins de leurs extrémités, dans une plaque-support 1 et maintenus à l'espacement voulu, dans différents plans, par des entretoises 2. Il ressort de la vue en coupe selon la figure 2. que chaque barreau de combustible se-5 compose essentiellement d'une gaine et du combustible nucléaire intérieur 33, qui se présente généralement sous la forme de pastilles. On peut remarquer que l'épaisseur de paroi 31 de la gaine hors de la zone de la grille-entretoise 2 est nettement plus faible que son épaisseur 32 dans ladite zone. En ce dernier 10 emplacement de la gaine est en appui contre elle, sans risquer de l'endommager, la saillie 22 de 1'entretoise 2. L'épaississement 32 de la paroi reste d'un ordre tel qu'il n'influence pas notablement l'évacuation de la chaleur, tout en permettant de compenser aussi bien la charge des gaines accrue en cette zone d'appui 15 par l'effet des forces transmises par les entretoises que, jusqu'à un certain point, une abrasion du matériau provoquée par ces dernières. Ce processus d'abrasion cesse généralement dès qu'un bon appui des saillies 22 s'est établi. On a le choix entre différents moyens de réalisation 20 de ces épaississements de paroi 32. On peut procéder par exemple par déformation plastique sur un mandrin de calibrage. On peut cependant aussi partir de gaines ayant,à l'état de livraison, une épaisseur de paroi égale à celle qu'il faut dans les plans des entretoises et réduire, dans les tronçons qui seront placés entre 25 ces plans, ladite épaisseur de paroi par déformation avec ou sans enlèvement de copeaux, compte tenu à l'avance de la modification de longueur qui peut en résulter. Un troisième moyen consiste à engendrer et régler ces différences d'épaisseur de paroi par un agencement correspondant des cylindres de laminoirs à tubes. 30 De tels procédés correspondant au niveau présent de la technique, il ne paraît pas nécessaire de les exposer ici en détail» Les figures 3, 4, 5 et 6 représentent des modèles d'entretoises particulièrement avantageux avec des barreaux de combustible d'une telle forme. Les mailles adoptées dans ces 35 entretoises sont circulaires,si bien qu'il en résulte un canal d'épaisseur à peu près égale pour le réfrigérant autour de chaque barreau de combustible et par conséquent une uniformisation de l'effet de refroidissement sur tout le pourtour desdits barreaux. De la figure 3 à la figure 4, ces mailles sont à peu 40 près identiques, mais reliées de façons différentes pour former 72 08084 4 2128747 l'ensemble d1entretoise. On a esquissé, en outre, sur la figure 3 un autre mode de réalisation desdites mailles dans lequel les saillies 22 solidaires de la grille-entreoise sont portées par des anneaux 22a insérables dans celle-ci et reliables à elle par voie mécanique ou métallurgique. Cette forme de réalisation permet un plus libre choix des matériaux ainsi qu'un agencement élastique et simplifie éventuellement la fabrication. La figure 5 est une coupe suivant Y-Y le 1'entretoise selon la figure 4. On a désigné, dans ces exemples, par les références respectives 21, 22 et 23 les mailles, les saillies d'appui contre les parties épaissies des barreaux de combustible 32 et les éléments d'assemblage desdites mailles 21. La grille-entretoise selon la figure 3 est entourée d'une virole 24 qui comporte, sur sa face extérieure, des patins 25 en appui à l'intérieur des tubes de séparation du réacteur nucléaire. Ces entretoises 2 sont fixées, par exemple, par des cordons de soudure 28 comme sur la figure 5, à un barreau-support 27 remplaçant un barreau de combustible dans la zone centrale, mais pouvant bien entendu renfermer, lui aussi, du combustible nucléaire. L1entretoise 2 selon la figure 4 ne comporte pas de virole de pourtour 24. Sa rigidité et sa stabilité sont assurées par une disposition appropriée des barrettes de jonction 23, et les mailles 21 du pourtour portent, vers l'extérieur, des patiirs 25 qui remplissent la même fonction que ceux de la figure 3. La fixation en hauteur des entretoises peut aussi avoir lieu, comme indiqué sur la figure 6, et à la différence de la figure 5, au moyen de barrettes en tôle supplémentaires 28, au-dessus et au-dessous d'elles, sur le tube-support central 27. La grille ainsi représentée enserre les divers barreaux de combustible 3 de la même façon que celles des figures 3 et 4, mais la jonction entre ses mailles 21 est établie par des anneaux concentriques 23a. Il reste à signaler que de telles entretoises peuvent avantageusement être façonnées dans la masse, car on obtient de la sorte une conformité optimale aux cotes et l'on peut s'attendre aussi à un coût de réalisation beaucoup plus faible que pour de telles grilles formées d'éléments assemblés par soudage ou par brasage. Ces derniers procédés d'assemblage étant 72 08084 5 2128747 non seulement compliqués dans leur exécution, mais encore douteux quant aux garanties de rigidité et de résistance à la corrosion, on donnera vraisemblablement la préférence audit façonnage dans la masse, notamment par étincelage électrique ou aussi bien par c: r o s i on c hi mi qu e. On pourrait bien entendu utiliser aussi pour le maintien des barreaux de combustible renforcés une grille-entretoise à appuis élastiques connue en soi, mais, précisément par suite de l'accroissement de la stabilité de la gaine dans les zones d'appui, il sera souvent inutile de recourir à de tels appuis élastiques et il en résultera de grands avantages, notamment pour la fabrication» 72 08084 6 2128747 REVENDICATIONS 1, Elément combustible pour réacteurs nucléaires composé d'un grand nombre de barreaux de combustible ajustés en Isrura positions relatives par des entretoises dans plusieurs plans 5 et fixés à au moins une plaque-support, lesquels renferment dans leurs gaines d'enveloppe le combustible nucléaire, par exemple sous la forme de pastilles, élément combustible caractérisé par -le fait que les gaines des barreaux de combustible ont une épaisseur de paroi établie indépendamment de leur sollicitation mécanique par les entretoises et augmentée à hauteur de celles-ci conformément à ladite sollicitation. 2, Elément combustible selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'augmentation de l'épaisseur de paroi des gaines est réalisée par déformation plastique, par exem-pie sur un mandrin calibré. y» Elément combustible selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les gaines ont, à l'état de livraison, une épaisseur de paroi égale h, celle qui convient dans les plans des entretoises et sont ensuite réduites d'épaisseur par déformation 20 avec ou sans enlèvement de copeaux dans les zones intermédiaires, compte étant tenu de la variation de longueur éventuellement produite de la sorte. 4. Elément combustible selon la revendication 1 caractérisé par le fait que los cylindres de laminoirs à tubes sont cal— 25 culés pour établir les différentes épaisseurs de paroi des gaines. 5. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que les entretoises sont constituées par un réseau de mailles formées de profilés disposés de chant, lesquelles entourent en forme de cercle et 30 eoneentriquement les barreaux de combustible en s'appuyant eontre eux par des saillies réparties de façon appropriée. 6. Elément combustible selon la revendication 5 caractérisé par le fait que le réseau de mailles est façonné dans la masse, par exemple par étincelage électrique, et renferme des 35 saillies rigides pour centrer les barreaux de combustible enserrés. 7. Elément combustible selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les entretoises sont assemblées, en la position voulue, à un barreau-support qui remplace un barreau de combustible, par exemple au centre de l'élément combustible,et est ^0 fixé à la plaque-support» 72 08084 2128747 8» Elément combustible selon la revendication 7 3ar&3 têrisé par le f'ait que la fixation des eniretoises est assurée par des ba-rr.-t tes en tîle dirigées en diagcnales au-dt--j?^u«: et au dtisrji d'elle*,. di«pesées d? .tian4 t4 assemblée? au barreau support.