Brevet FR2136901A1 — publié le 19721229

' ' 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 5 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 10 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 enroulées en hélice à grand pas sur chaque aiguille. Les aiguilles d'un même faisceau sont alors 15 disposées suivant un réseau triangulaire régulier dans une enveloppe à section droite hexagonale. Les assemblages de combustibles du type ci-dessus défini destinés à atteindre des taux de combustion élevés (ÎOO OOQ Mwj/t au moins dans les réacteurs en projet) doivent 20 tenir compte du gonflement sous irradiation des matériaux constitutifs de l'enveloppe. 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 25 correspondant â 11 accumulation des germes. Il résulte de ce gonflement de l'enveloppe que 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" dû à l'allongement différentiel des faces opposées de l'enveloppe, 30 à section hexagonale. Cet arcage risque de coincer les assemblages et de rendre difficile la manutention'du combustible. De plus 1'arcage 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 35 périodiquement l'orientation ou l'emplacement des assemblages est dans la pratique extrêmement peu commode. 71 16633 2 2136901 ( 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 5 assemblages adjacents et à un "arcage" très dangereux de ces aiguilles, qui risquent de bloquer l'un sur .l'autre les assemblages 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 plus faci-10 lement à plusieurs assemblages. 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 15 1'arcage des assemblages aux taux d'irradiation élevés, même dans les zones où le gradient radial de flux est maximal. L'assemblage combustible nucléaire suivant l'invention, du type ci-dessus défini, est caractérisé notamment en ce que l'enveloppe est rendue flexible en y pratiquant des 20 fentes perpendiculaires à l'axe de l'assemblage ou obliques sur cet axe et en ce qu'une chemise plus mince que l'enveloppe est interposée entre celle-ci et le faisceau sur une partie au moins de la longueur de l'enveloppe. On sépare ainsi les fonctions remplies par l'en-25 veloppe des assemblages classiques entre deux organes: la chemise mince conduit l'écoulement du sodium et peut supporter les efforts verticaux lors du chargement et du. déchargement. La différence de pression entre l'intérieur de l'assemblage et l'extérieur tend à appliquer cette chemise sur 1'.enveloppe 30 externe, plus épaisse et qui supporte les efforts de pression. La dilatation longitudinale de 1'enveloppe est très sensiblement réduite par les fentes qui peuvent se fermer de façon différente sur deux faces opposées de l'assemblage et ainsi éviter la déformation en banane ou "arcage" de celui-ci. 35 Les efforts que doivent respectivement supporter l'enveloppe et la chemise conduiront en général à donner au rapport de leur épaisseur une valeur,comprise entre 3,5 et 2. A titre d'exemple, on peut donner à la chemise une -, épaisseur de 1mm et à 1'.enveloppe une épaisseur de 3,5mm. 71 16633 3 2136901 L'enveloppe et la chemise seront en général constituées l'une et 1'autre en acier inoxydable austénitique dans le cas des réacteurs refroidis par circulation de sodium fondu. Les fentes peuvent présenter des formes très diverses : 5 Elles peuvent être constituées par des traits de scie séparés, ' présentant tous la même inclinaison sur l'axe, disposés régu lièrement de façon que chacun d'eux constitue une entaille d'un dièdre de l'enveloppe. Les fentes peuvent également être constituées par un ou plusieurs traits de scie continus 10 pratiqués chacun suivant une hélice dans l'enveloppe si cette dernière est suffisamment épaisse. Suivant une autre variante d'exécution encore, l'enveloppe est découpée en tronçons par "* des fentes perpendiculaires à l'axe et s'étendant sur toute la section droite de l'enveloppe. 15 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de types d'assemblage 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 assem-20 blages d'un premier type disposés côte à côte dans le coeur du réacteur, l'un des assemblages étant en coupe suivant son plan vertical médian; - la figure 2 est une vue en élévation très schématique de »la partie inférieure d'un assemblage d'un second type. 25 - la figure 3 montre très schématiquement un assemblage d'un troisième type, en coupe suivant un plan vertical; - la figure 4 montre, en perspective, l'un des tronçons constituant l'enveloppe de l'assemblage de la figure 3. Là figure 1 montre deux des assemblages constituant 30 le coeur d'un réacteur à neutrons rapides refroidi par cir-culation ascendante de sodium fondu. Chacun des assemblages 10 et 10' présente un pied 11 qui s'engage dans un sommier 12 " qui supporte le coeur et constitue un caisson à partir duquel le sodium fondu provenant des échangeurs de chaleur pénètre ^ 35 dans le coeur. Chaque assemblage est délimité par une enve loppe 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 garnie d'anneaux 18 de matériau absorbant fc-. 71 16633 4 213690Î les neutrons; la juxtaposition des anneaux 18 constitue une protection neutronique supérieure du coeur. Chaque enveloppe 14 contient une chemise mince 22 fixée au pied 11 et, dans le mode de réalisation illustré en figure 1, à la 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 faible jeu radial 30. L'assemblage illustré en figure 1 comporte un seul faisceau d'aiguilles 26 dites "intégrées" dont une seule est représentée, incorporant à la fois du matériau fertile de part et d'autre du matériau fissile, mais il pourrait aussi bien contenir un faisceau supplémentaire d'aiguilles plus courtes, chargées en matériau fertile, placé au-dessus du faisceau d'aiguilles 26 et appartenant à une couverture supérieure. La chemise 22 présente une épaisseur suffisamment mince pour être repoussée contre l'enveloppe 14 par la différence entre la pression qui règne à l'intérieur de l'assemblage et la pression qui règne à l'extérieur, au moins dans la partie inférieure de l'assemblage où la pression est la plus forte. Cette épaisseur est toutefois suffisante pour permettre à la chemise 22 de résister Seule aux contraintes de traction et de compression qui interviennent lors de la manutention du combustible, la chemise 22 transmettant alors seule le poids du pied 11 et du faisceau d'aiguilles de combustible 26 à la tête 16, comme on le verra plus loin. L'enveloppe 14 présente au contraire une épaisseur suffisante pour résister aux forces de pression qui s'exercent de l'intérieur vers l'extérieur de l'assemblage et qui lui sont retransmises par la chemise 22 lorsque celle-ci gonfle sous l'action combinée de la pression et de l'irradiation. Pour permettre à l'enveloppe 14 de se gonfler sans se déformer en banane, ou en d'autres termes sans s'arquer, lorsque l'assemblage est placé dans une zone présentant un gradient radial de flux neutronique élevé, une série de fentes 28 y sont pratiquées. Ces fentes coupent tous les dièdres de l'enveloppe et ne laissent subsister entre elles qu'une distance périphérique faible ou nulle. Elles se ferment plus ou moins 71 16633 5 2136901 au fur et à mesure du gonflement de l'enveloppe, éventuellement de façon différente sur les faces opposées de l'enveloppé. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, ces fentes sont alignées suivant une hélice et elles entaillent 5 chacune l'un des dièdres de l'enveloppe 14. Pratiquement, le "pont" qui subsiste entre deux fentes adjacentes 28 ne doit pas représenter une fraction de la longueur des fentes supérieure à 50%. Ces fentes peuvent d'ailleurs être raccordées de façon à constituer un trait continu tout le long 10 de l'assemblage. La largeur des fentes sera choisie de façon à permettre d'absorber le gonflement: dans la majeure partie des cas la longueur axiale cumulée représentée par les fentes le long de l'enveloppe représentera une fraction comprise entre 15 0,2% et 1% de la longueur totale de l'enveloppe. Le jeu 30 qui subsiste entre l'enveloppe 14 et la chemise 22 doit être suffisamment faible pour que le gonflement de la chemise nécessaire pour qu'elle s'applique contre l'enveloppe 14 ne conduise pas à une augmentation excessive 20 de là section des sous-canaux périphériques de passage du réfrigérant- Pratiquement, on sera amené à adopter un jeu de l'ordre du millimètre.Les sous-cànaux périphériques peuvent d'ailleurs être sous-dimensionnés sur l'assemblage au repos pour que là pression les ramène à une dimension correcte. 25 A titre d'exemple, on peut également indiquer qu'on adoptera en général une chemise de 1 mm" environ d'épaisseur et une enveloppe de 2,5mm d'épaisseur dans le cas d'un assemblage d'aiguilles intégrées de plusieurs mètres du type prévu pour le réacteur "Phénix". 3 0 Le modé de réalisation illustré en figure 2 se différencie du précédent par la disposition des fentes. Pour plus de simplicité, les organes illustrés en figure 2 et ayant une contrepartie sur la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice a. 35 L'assemblage 10a comporte encore une enveloppe externe I4à à section droite hexagonale fixée à un pied lia qui s'engage dans un sommier non représenté. 71 16633 6 2136901 Les fentes 28a sont ici réparties axialement en jeux,- les fentes d'un même jeu étant au même niveau et entaillant chacune l'un des dièdres de l'enveloppe 14j|. Cette disposition permet d'arriver à un recouvrement des zones entaillées, contrairement au cas de la figure 1, sans pour autant réduire l'enveloppe 14a à l'état de bande. D'autres formes encore de fentes seraient possibles par exemple d'inclinaison alternée d'un diëdre au suivant ou d'un niveau à l'autre, ou interceptant plusieurs dièdres. Dans le mode de réalisation illustré en figure 3, l'enveloppe 14b n'est plus d'une seule pièce mais constituée de tronçons juxtaposés 32 (figure 4). Le pied 11b est relié à la tête 16b par la chemise 22b, soudée au pied et à la tête. La longueur cumulée des tronçons de l'assemblage illustré est telle que, lorsqu'ils sont en appui les uns sur les autres et reposent sur un épaulement 34 du pied prévu à cet effet, il subsiste un jeu entre l'arête supérieure de l'empilement et la face plane en regard de la tête mais ce jeu n'est pas toujours nécessaire. Dans ce mode de réalisation la chemise interne sert encore à guider l'écoulement du réfrigérant et à transmettre les efforts longitudinaux lors de la manutention de l'assemblage. Les tronçons 32 constituent des frettes limitant le gonflement radial de la chemise 22b. Le jeu au repos entre la chemise et le tronçon et les épaisseurs peuvent être du même ordre que dans le cas précédent. L'assemblage ainsi obtenu présente une grande souplesse qui évite les déformations en banane. L'invention ne se limite évidemment pas aux seuls modes de réalisation qui ont été représentés et décrits â titre d'exemple et il.doit être entendu que-Aa portée, du présent brevet s'étend aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences. 71 16633 7 2136901 REVENDICATIONS 1°) Assemblage de combustible nucléaire comprenant au moins un faisceau d'aiguilles allongées de combustible gainées, aiguilles disposées parallèlement les unes aux autres suivant un réseau régulier, et une enveloppe contenant 5 le faisceau et destinée à être parcourue par un fluide réfrigérant, caractérisé en ce que des fentes coupant les dièdres de l'enveloppe sont pratiquées perpendiculairement à l'axe de l'assemblage ou obliquement par rapport à cet axe et en ce qu'une chemise plus mince, que l'enveloppe est 10 interposée entre celle-ci et le faisceau sur une partie au moins de la longueur de l'enveloppe. 2°) Assemblage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur de l'enveloppe et celle de la chemise sont dans un rapport compris 15 entre 3,5 et 2. 3°) Assemblage suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le jeu radial au repos entre la chemise e£ l'enveloppe est du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la chemise. 20 4°) Assemblage suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les fentes sont alignées suivant une hélice et entaillent chacune l'un au moins des dièdres de 1'enveloppe. 5°) Assemblage suivant la revendication 4, 25 caractérisé en ce que les fentes sont jointives et constituent un trait continu découpant en bande lrenveloppe. 6°) Assemblage suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les fentes sont réparties en plusieurs jeux échelon nés 3e long de l'axe, les fentes d'un même jeu 30 étant parallèles au même niveau et entaillant chacune un au moins des dièdres de l'enveloppe. 7°) Assemblage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les fentes d'un même jeu ont une inclinaison sur l'axe opposée à celle des fentes d'un jeu 35 adjacent. 8°) Assemblage suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'enveloppe est découpée en tronçons par des fentes perpendiculaires à l'axe et s'étendant sur toute la section droite de l'enveloppe. B 4093-3 JF 71 16633 8 2136901 9°/ Assexrfolage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, destiné à un réacteur refroidi par circulation de sodium fondu, caractérisé en ce que l'enveloppe et la chemise sont en acier inoxydable austé-nitique.