Brevet FR2135074A1 — publié le 19721215

La présente invention a pour objet un assemblage de combustible nucléaire du type couramment utilisé dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium fondu, comprenant au moins un faisceau d'aiguilles allongées de combustible gainé, 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 lesquels sont enfilés les bouchons terminaux des aiguilles. L'écartement minimum des aiguilles tout le long du faisceau est déterminé par des entretoises en hélice à grand pas portées par chaque aiguille. Les aiguilles d'un même faisceau sont alors disposées suivant un réseau triangulaire régulier dans une enveloppe à section droite hexagonale. Les assemblages de combustible du type çi-déssus défini destinés à atteindre des taux de combustion élevés (100 000 Mwj/t au moins dans les réacteurs en projet) doivent tenir compte du gonflement de l'enveloppe sous irradiation. En effet, tous les matériaux pratiquement utilisables gonflent de façon notable lorsque la fluence dépasse une valeur qui est largement atteinte dans ces réacteurs, avec un retard variable suivant les matériaux et correspondant à l'accumulation des germes. Il résulte de ce gonflement de l'enveloppe que les .assemblages placés dans une zone du coeur où le flux neu-tronique présente un gradient élevé prennent, si aucune contre-mesure n'est prise., une déformation en arc ou banane due à l'allongement différentiel des faces opposées de l'enveloppe, à section hexagonale. La déformation en arc de l'enveloppe a des conséquences graves : elle tend à augmenter ou à diminuer la section de certains des sous-canaux de refroidissement des aiguilles et à créer des points chauds. Elle peut coincer les assemblages les uns sur les autres et rendre difficile l'extraction des assemblages lors du déchargement. Ces conséquences sont 71 1-6155 2 2135074 évidemment d'autant plus à craindre que l'assemblage est plus long. Or la tendance actuelle dans la conception d'assemblage de combustible pour les réacteurs de neutrons rapides refroidis au sodium fondu est d'augmenter leur longueur, qui peut atteindre plusieurs mètres. Dans ces conditions l'assemblage doit être conçu pour que la déformation en marche reste dans des limites acceptables. On pourrait penser qu'il suffit pour éliminer le problème d'utiliser des assemblages sans enveloppe extérieure. Mais cette solution conduit à un refroidissement excessif des aiguilles périphériques le long du jeu entre deux assemblages adjacents et à un "arcage" très dangereux de ces aiguilles, qui risquent de bloquer,l'un sur l'autre les assemblages adjacents, sauf si l'on maintient les aiguilles par des grilles très rapprochées dans le sens axial. Par ailleurs, en cas de fusion du combustible,, celle-ci s'étend pl.us facilement à plusieurs assemblages. , Une autre solution qui vient immédiatement à l'esprit consiste à changer périodiquement l'orientation et/ou l'emplacement de chaque assemblage de façon que le gonflement de l'enveloppe soit homogène: Mais cette solution est mal commode à mettre en oeuvre. On peut encore envisager de combattre le phénomène de déformation en arc en donnant à l'enveloppe une épaisseur suffisamment faible pour qu'elle reste flexible et ne puisse entraîner les aiguilles dans sa déformation ou, en d'autres termes, pour qu'elle soit maintenue rectiligne par les aiguilles. Malheureusement, il n'est pas possible de réduire l'épaisseur de l'ensemble de l'enveloppe à une valeur suffisamment faible pour qu'elle reste flexible, du moins dans les assemblages de grande longueur. En effet, l'enveloppe doit résister sans déformation aux forces dues à la différence entre la pression qui s'exerce à l'intérieur de l'enveloppe et celle qui règne â l'extérieur; cette dernière étant pratiquement égale à la pression en aval de l'assemblage, la différence entre la pression interne à un niveau donné de l'assemblage et la pression externe est sensiblement égale à la perte de charge 71 16155 3 2135074 subie par le réfrigérant entre ce niveau et la sortie de l'assemblage. Cette perte de charge peut atteindre une valeur de l'ordre de 6 bars dans les réacteurs refroidis par du sodium fondu actuellement en projet. On est dans ce cas 5 contraint de donner à l'enveloppe une épaisseur telle que sa flexibilité est insuffisante. 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 10 atténue dans une large mesure l'arcage aux taux d'irradiation élevés, même dans les zones où le gradient radial de flux est maximal. L'invention propose dans ce but un assemblage de combustible nucléaire comprenant au moins un faisceau d'aiguil-15 les allongées de combustible gainé, 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 suivant une direction générale parallèle aux aiguilles, assemblage caractérisé notamment en ce que 20 l'épaisseur de l'enveloppe dans la partie aval, dans le sens de l'écoulement, est plus faible que dans la partie la plus amont. Pratiquement, l'épaisseur maximum de la gaine, (c'est-à-dire celle qu'elle présente dans la partie la plus amont) 25 sera choisie pour que cette gaine résiste sans déformation sensible à la pression différentielle en fonctionnement, alors que l'épaisseur dans la partie aval sera choisie pour que l'enveloppe résiste aux contraintes de traction et de compression lors de la manipulation de l'assemblage. En effet, dans 30 la partie aval le respect de cette condition correspondra en général à une épaisseur plus forte que celle qui permet à l'enveloppe de résister à la différence entre la pression interne et la pression externe. Dans le cas le plus fréquent, qui sera celui d'un 35 assemblage parcouru par un écoulement ascendant de réfrigérant, ce sera la partie basse de l'enveloppe, fixée au pied de l'assemblage, qui sera la plus épaisse. 71 16155 4 2135074 Dans le cas d'un assemblage comprenant un faisceau inférieur d'aiguilles contenant un matériau fissile et un faisceau supérieur comportant uniquement du matériau fertile le changement d'épaisseur sera avantageusement prévu dans la 5 zone intermédiaire entre le faisceau fissile et le faisceau fertile- Par ailleurs, dans le cas d'un assemblage comportant un faisceau d'aiguilles "intégrées" dont la gaine délimite une zone médiane chargée en matériau fissile encadrées par des zones contenant du matériau fertile, constituant un espace 7 0 de collection de gaz de fission et/ou destinée à autoriser la dilatation du matériau fissile, il sera quelquefois avantageux de donner à l'enveloppe une épaisseur légèrement plus faible au droit de la zone chargée en matériau fissile, (la face extérieure de l'enveloppe restant plane), de façon à permettre 15 le gonflement des gaines d'aiguilles dans la zone chargée en matériau fissile, qui est celle soumise à la fluence la plus forte. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un assemblage constituant un mode de 2n mise en oeuvre de l'invention et de variantes, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement un assemblage de combustible à deux faisceaux superposés, en coupe suivant 2 5 son plan vertical médian; - la figure 2 est une vue à grande échelle de la partie entourée par un cercle en traits mixtes de l'assemblage de la figure .1 ; - la figure 3 est une vue à grande échelle, similaire 30 à la figure 2, montrant une variante de réalisation de 1"enveloppe ; - la figure 4 est une vue schématique montrant un autre mode encore de réalisation de l'enveloppe. La figure 1 montre l'un des assemblages 10 destinés ^ à être juxtaposés pour constituer le coeur d'un réacteur à neutrons rapides refroidi par circulation ascendante de sodium fondu, suivant les flèches f. L'assemblage 10 présente un pied 12 qui s'engage dans un sommier non représenté supportant 71 16155 5 2135074 le coeur. Chaque assemblage est délimité par une enveloppe 14 à section droite hexagonale constituant un conduit de circulation du sodium, fixée au pied 12 et à une tête de manutention 16. L'intérieur de la tête 16 est garnie d'un 5 anneau 18 de matériau absorbant les neutrons; la juxtaposition des anneaux J8 constitue une protection neutronique supérieure du coeur. La face extérieure de l'enveloppe 14 est lisse et présente une section droite constante sur toute sa longueur. L'assemblage illustré en figure 1 comporte deux 10 faisceaux superposés d'aiguilles. Les aiguilles 20 du faisceau inférieur, portées par une grille 21 fixée au pied 12, sont du type dit "intégré". La gaine de chaque aiguille 20 contient successivement de bas en haut, c'est-à-dirè dans le sens de circulation du réfrigérant, une chambre de collection de gaz 15 de fission occupant la zone 22, une•colonne de pastilles de matériau fertile (oxyde d'uranium appauvri'par exemple) occupant la zone 24, une colonne de pastilles de matériau fissile (oxyde mixte d'uranium et de plutonium par exemple; occupant la zone 26 et enfin un espace autorisant la dilatation ?0 vers le haut de la colonne de pastilles de matériau fissile et pouvant contenir un ressort de maintien de la colonne de pastilles fissiles: une disposition de ce genre'a été décrite dans la demande de brevet français n: EN "018869 déposée le 22 mai 19*?0 par l'organisme demandeur et à laquelle on pourra 25 se reporter. Les aiguilles 30 du faisceau supérieur suspendues à une grille 32, sont occupées par des pastilles de matériau fertile et présentent en général un diamètre plus fort que les aiguilTes 20, leur dégagement de chaleur étant plus faible. 30 L'enveloppe de l'assemblage illustré en figures 1 ei* 2 est constituée de deux tronçons fixés l'un à- l'autre. Le t t".5iiçor inférieur 34 présente une épaisseur constante, suffisante pc-ur qu'il résiste sans déformation appréciable à la différence enfre la pression d'entrée du réfrigérant dans l'assemblage ^5 et "'a pression externe. Etant donné que tous les assemblages d'un même réacteur doivent de préférence être mterchangables, cette épaisseur sera pratiquement choisie pour correspondre à la pression maximum d'entrée prévue dans un réacteur donné. 71 16155 6 2135074 Ce tronçon inférieur 34 s'étend depuis le pied 12, auquel il est fixé par soudage", jusqu'à la zone intermédiaire'entre le faisceau inférieur et le faisceau supérieur d'aiguilles. Le tronçon supérieur 36 relie le tronçon inférieur 5 à la tête 16 et présente une épaisseur nettement inférieure à celle du tronçon 34, lui donnant une certaine flexibilité. Ce tronçon supérieur 36 s'étend du tronçon inférieur 34 jusqu'à la tête 16. Dans le mode de réalisation illustré en figure 2, il est fixé par soudage en 38 sur un épaulement du tronçon 10 inférieur 34, de façon que la face externe de l'enveloppe reste plane. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un assemblage combustible du type ci-dessus décrit de 4,30 m de longueur a été prévu pour un réacteur à neutrons rapides refroidi par 15 circulation de sodium fondu. La pression maximum d'admission dans les assemblages était de l'ordre de 6 bars. Dans ces nonditions le tronçon inférieur 34 avait 3,5 mm d'épaisseur, alors que le tronçon supérieur avait 1 mm d'épaisseur. Le mode de réalisation illustré en figure 2 exige 20 pratiquement que les tronçons soient soudés en 38 par faisceau d'électrons. En effet le soudage à l'arc conduirait à un échauf-fement différent des deux tronçons et pourrait donner naissance à un joint défectueux. Pour rendre l'échauffement plus uniforme et permettre une soudure à l'arc, on peut relier le tronçon 25 supérieur 36' et le tronçon inférieur 34' par un manchon intermédiaire 40 (figure 3) soudé à l'arc aux deux tronçons 34' et 36'. Les modes de réalisation représentés d'une part en figures 1 et 2, d'autre part en figure 3, font appel à une 30 enveloppe en plusieurs pièces. Au contraire, l'enveloppe 10' du mode de réalisation illustré en figure 4 est en une seule pièce. Elle présente une face externe plane et lisse et une face interne présentant des décrochements. Une telle enveloppe peut être usinée par électro-érosion. Non seulement la partie 3 5 haute de l'enveloppe présente une épaisseur plus faible que celle de la partie la plus basse, mais la partie basse comporte, au droit de la partie des aiguilles 20' chargée en matériau fissile, (ou du moins sur une partie de cette longueur) un 71 16155 7 2135074 chambrage 42 dont la profondeur compense le gonflement différentiel sous irradiation de l'enveloppe 10' et des aiguilles 20' dans cette zone. La longueur axiale et la profondeur du chambrage 42 sont en effet limitées par les conséquences 5 mécanique et hydrodynamique de sa présence: d'une part le chambrage constitue, jusqu'à ce que le gonflement différentiel l'ait occupé, une région dans laquelle les aiguilles périphériques ne prennent pas appui sur l'enveloppe et risquent de vibrer. D'autre part le chambrage constitue un élargissement de la 10 section de passage des sous-canaux périphériques. La première conséquence n'a pas de caractère de gravité dans la mesure où la longueur dépourvue d'appui n'est pas excessive. L'élargissement des sous-canaux périphériques reste sans incidence grave sur le refroidissement, du faisceau dans 15 la mesure où la profondeur est faible et où la perte de charge subie par le réfrigérant sur la longueur du chambrage représente dans tous les cas une fraction faible de la perte de charge totale le long du faisceau d'aiguilles 20': pratiquement, en restant dans le cadre de l'exemple ci-dessus, on 20 sera amené à donner au chambrage une profondeur de l'ordre de 0,5 mm. 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 25 présent brevet s'étend aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences. C'est ainsi que l'enveloppe 14 pourrait avoir sur toute sa longueur, non plus une section droite extérieure constante, mais une section droite intérieure constante, ce qui permet 30 un écoulement uniforme du sodium à l'intérieur de l'assemblage. 71 16155 8 2135074 REVENDICATIONS 1°/ Assemblage de combustible nucléaire comprenant au moins un faisceau d'aiguilles allongées de combustible gainé, aiguilles disposées parallèlement les unes aux autres suivant un réseau régulier, et une enveloppe contenant le 5 faisceau et destinée à être parcourue par un fluide réfrigérant suivant une direction générale parallèle aux aiguilles, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe dans la partie aval, dans le sens de l'écoulement, est plus faible que dans la partie la plus amont. 10 2°/ Assemblage suivant la revendication 1, caracté risé en ce que l'enveloppe présente une section droite extérieure ou intérieure constante sur toute sa longueur, 3°/ Assemblage suivant la revendication 1, destiné à être parcouru par un écoulement ascendant de réfrigérant, 15 caractérisé en ce que la partie basse de 1'enveloppe, plus épaisse que la partie haute, est d'épaisseur suffisante pour résister à la pression dudit réfrigérant sans déformation sensible. 4°/ Assemblage suivant la revendication 1, 2 ou 3, 20 comprenant un faisceau d'aiguilles contenant un matériau fissile et un faisceau comportant uniquement du matériau fertile, caractérisé en ce que l'enveloppe présente une première épaisseur constante depuis une extrémité jusqu'à la zone intermédiaire entre le faisceau fissile et le faisceau 25 fertile et une seconde épaisseur constante au delà. 5°/ Assemblage suivant la revendication 1, 2, 3 ou 4, comprenant un faisceau constitué d'aiguilles dont la gaine délimite, en plus d'une zone médiane chargée en matériau fissile, des zones latérales contenant du matériau fertile, 30 constituant un espace de collection de gaz de fission et/ou permettant la dilatation du matériau fissile, caractérisé en ce que l'enveloppe présente au droit de la zone chargée en matériau fissile une épaisseur plus faible que de part et d'autre de ladite zone. 3 5 6°/ Assemblage suivant l'une quelconque des reven dications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe est constituée de plusieurs tronçons présentant chacun une épaisseur constante, reliés par des soudures. 71 16155 9 2135074 7°/ Assemblage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe est constituée de plusieurs tronçons présentant chacun une épaisseur constante, tronçons reliés par des manchons. 8°/ Assemblage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enveloppe est en une seule pièce.