Brevet FR2130409A1 — publié le 19721103

U94oo 3û4G Cette invention conc- .. • g ---^ixfcust.ibles d£ réacteurs nucléaires ; et en u.s .^2, assemblage qui comprend une série de barres allongées de combustible qvr" sont placées de façon à être à peu près êquidi^tantes et 5 parallèles dans une matrice (faisceau). Dans les assemblages combustibles qui comprennent une matrice de barres parallèles de combustible, les extrémités des barres et un certain nombre de points intermédiaires doivent être fixés dans l'espace à l'aide d'éléments d'espacement, ces éléments 10 servant à maintenir une séparation relativement constante le long des barres. Pendant le fonctionnement du réacteur, en particulier rJ'un réacteur dont les barres sont soumises au passage d'un fluide de fonctionnement (par exemple un fluide de refroidissement comme l'eau), les barres de combustible sont soumises 15 à des vibrations importantes et nuisibles dues à un certain nombre de causes ; donc leurs éléments d'espacement doivent comporter des parties rigides relativement résistantes. ! L'"usure" et l'abrasion similaire d'un gainage de barre au contact de l'élément d'espacement suivant une tangente peuvent 20 typiquement provenir d'une vibration excessive de la barre par rapport à ses éléments d'espacement. Pour éviter ceci, la présente invention fournit des moyens de contact à l'aide d'éléments d'espacement élastiques montés sur les parties adjacentes de bandes d'espacement d'un châssis. Ces bandes sont disposées en deux 2 5 séries orthogonales, que l'on désigne quelquefois comme un modèle en "boîte à oeufs". Il est évident que cette matrice de bandes peut, selon les modes de réalisation de la présente invention, définir des cellules d'espacement rectangulaires contenant les barres de combustibles respectives et que ces bandes portent 30 des ressorts de contact pour définir de façon élastique la position de la barre dans la cellule. Les systèmes d'espacement connus ne répondent pas exactement aux exigences des réacteurs actuels et sont tout à fait insatisfaisants à certains points de vue. 35 Les faisceaux de combustible connus actuellement dans la technique ne résolvent pas de façon satisfaisante certains problèmes de fonctionnement. Un de ces problèmes découle de la vibration de la barre de combustible ; par exemple celle induite par l'écoulement du fluide à grande vitesse (le long de 40 la barre). La conception des faisceaux de combustible entraîne un problème de vibration particulièrement importa..t en raison d. grand nombre de barres allonges de combustible peu espacé°r et empilées en parallèle, avec leur fin gainage protecteur (par exemple de Zircaloy). Pour avoir de bonnes performances du 5 réacteur et pour éviter un contact qui détruit les barres, la position des barres et l'espacement relatif doivent être très soigneusement réglés (gardés constants) d'une façon statique et également dynamique, c'est-à-dire pendant l'écoulement du fluide de refroidissement à grande vitesse et les autres conditions 10 extrêmes changeant rapidement dans le réacteur (comme les températures élevées de fonctionnement, le milieu ambiant corrosif, etc). Sans appui interne approprié, la fréquence fondamentale d'une telle barre longue de combustible est très faible (de l'ordre d'un cycle par seconde). Il est probable que Ixs 15 diverses composantes de la pression provenant du fluide en circulation et s'exerçant sur une barre ont une grande influença à de telles faibles fréquences (fréquences de réponse) et peuvent induire de grandes vibrations dans la barre à moins qu'il soit prévu un appui adéquat. De plus, une barre qui n'a pas d'appui est te11e-20 ment fleueihlo que de relativement faibles causes peuvent induire des vibrations de grande amplitude -par exemple, les déplacements peuvent être suffisamment importants pour que les barres se heurtent, avec bien sûr des conséquences catastrophiques pour le fonctionnement du réacteur. De plus encore, un déplacement 2 5 d'une barre,même faible,peut détruire la "géométrie critique" qui est très importante pour le fonctionnement du réacteur en toute sécurité. Les modes de réalisation préférés de la présente invention résolvent ce problème en fournissant des éléments d'espacement de barres améliorés et plus sûrs comprenant des 30 ressorts de contact (ressorts de sommier) dont les caractéristiques élastiques sont adaptées à la rigidité de la barre et sont choisies dans un domaine prescrit de rigidité : suffisamment rigides pour empêcher un mouvement relatif de la barre, ainsi que pour imposer la formation d'un "quasi-noeud" sur la barre pour 35 les vibrations induites par l'écoulement ; et encore suffisamment élastiques pour absorber les changements de dimension de la barre comme une dilatation axiale (comme indiqué ci-dessous) sans flambage de la barre. Un second problème est que les éléments d'espacement servant 40 d'appui doivent également pouvoir absorber les changements de 72 09466 3 213040V dimension des barres {Hcroissa:.*-« : ou ccm,jaction axiale et radiale) tels ceux qui peuvent être provoqués par la dilatation thermique, le fluage, l'irradiation, les variations de pression, etc, comme on le sait dans la technique. Donc, un système d'appui 5 approprié doit absorber une telle "croissance", tout en fournissant un appui et une stabilité lors des vibrations. En particulier, les ressorts d'appui doivent pouvoir suivre le mouvement de la barre (que l'on suppose ou non une "déformation permanente"), en fonctionnant de telle façon que toute déformation permanente 10 soit suffisamment faible pour empêcher la formation d'un jeu supérieur à un maximum prescrit - car ceci introduirait des jeux entre la barre et le ressort, ce qui conduit à des problèmes d'usure associés aux chocs du ressort, etc. Les modes de réalisation préférés de la présente invention résolvent ce problème en 15 fournissant ce système d'appui amélioré avec des ressorts de contact ayant une "réaction élastique" suffisance pour "suivre" tous ces changements de dimension. Un troisième problème concerne le flambage des barres de combustible dû à un effort axial excessif, typiquement 20 provoqué par les forces de frottement. Par example, l'allongement thermique-ou dû à 1 * irradiation^d'une barre pendant qu'elle est serrée dans ses supports peut comprimer les barres au-delà de leur limite de proportionnalité, les faisant alors flamber. En conséquence, la force de contact entre l'appui et la barre 25 doit avoir une limite supérieure telle que l'appui cède et perr.iet un mouvement axial de la barre avant d'atteindre la pression de flambage. De plus, un tel effort axial peut également être imposé par le système d'appui lui-même ; donc le système total doit être conçu pour une résistance verticale suffisante pour 30 supporter les poussées axiales sur le sommier. Un certain déplacement (mais faible) dû aux vibrations d'une barre étant inévitable, tout le système d'appui doit également être conçu pour suivre les déplacements de la barre,si grands soient-ils, de peur qu'il ne se produise des chocs provoquant des dété-3 5 riorations, une usure, etc. En d'autres termes, le système d'appui ne doit jamais "perdre le contact". Le ressort de sommier des modes de réalisation préférés de la présente invention répond à cette exigence car il est conçu pour avoir une élasticité supérieure aucdéplacements maximaux attendus de la barre, induits 40 par l'écoulement du fluide de refroidissement, les vibrations 72 09466 4 2130409 ou d'autres causes de déplacements,par exemple au cours de manipulations ou du transport. L'homme de l'art peut voir d'autres problèmes dans la conception de l'appui ; par exemple la nécessité de réduire au 5 minimum "l'impédance hydraulique"(perte de charge) pour un écoulement prévu de fluide de refroidissement,et d'avoir une faible consommation de neutrons (caractéristiques de faible absorption parasite de neutrons). Selon la présente invention, il est fourni un dispositif de 10 support pour combustible de réacteur nucléaire,comprenant un châssis et un sommier d'éléments d'espacement destinés à supporter des barres de combustible nucléaire dans une matrice avec l'espacement voulu, le sommier d'éléments d'espacement liant de façon élastique chaque barre au châssis et comprenant une 15 matrice de ressorts en cire double montés sur le châssis de façon à donner à chaque barre des contacts d'appui élastique dans le plan du châssis, les ressorts en arc double étant montés deux par deux sur ledit châssis. On décrit maintenant des modes de réalisation de l'invention, 20 par voie d'exemples, en se référant aux dessins ci-joints, dans lesquels : La Figure 1A est une vue en coupe d'un faisceau de combustible illustrant un mode de réalisation préféré des éléments d'espacement et appuis de l'invention ; 25 La Figure 1B est un agrandissement d'une partie de la Figure 1A ; La Figure 2 est une vue schématique du faisceau de la Figure 1 La Figure 3 est une vue partielle agrandie de la Figure 1 ; La Figure 4 est une partie d'une vue verticale en coupe 30 à travers un sommier simplifié, exagérée dans un but de clarté pour montrer le rôle des ressorts de contact, etc, dans le système d'appui représenté ? La Figure 5 est une vue partielle d'une partie du mode dé réalisation d'une bande d'appui utilisé avec le mode de 35 réalisation précédent ; La Figure 6 est une vue de côté partielle, de la même manière que la Figure 4, représentant les éléments élastiques associés avec les bandes connexes et les bandes transversales associées, le tout formant un mode de réalisation différent de celui de 40 la Figure 4 ; 72 0946o 3 'J **■ J La Fiçuve 7a r.-r. : •: d'une partis la Figure 6 ; La Figure 73 est une coup-j pal ui---Ils agr; ..ùie d'une _oi L .on du patin de contact d'un mode de réalisation La Figure 8 est une vue de dessus simplifiée en per,yoiotive, seulement partiellement complétée dans un but de clarté, au système d'appui des Figures 6 et 7 ; La Figure 9 est une vue de côté d'une bande de somraiar que 10 l'on peut utiliser dans les modes de réalisation de la Fioure 1 ? La Figure ÎO est une vue schématique agrandie d'un ressert, élément d'espacement d'après les modes de réalisation es la présente invention, représenté avec une barre de combustible dans les conditions de fonctionnement, 15 Un certain nombre de caractéristiques de conception sont, indiquées ici et on peut les résumer brièvement comme suit % (1) Les ressorts de contact doivent donner une "rigidité" minimale prescrite (constante de ressort), suffisants pour empêcher de façon efficace tous les déplacements 20 importants cie la barre dus aux vibrations - en brsf ou doit maintenir sur la barre une "force de rappel" -en gardant à l'esprit que, à moins û un mouvement û- la barre, aucune force -n'est nécessaire selon la pisse^-te invention ; 2 5 (2) Les ressorts de contact doivent également être conçus pour avoir une "réaction élastique" suffisante (c'est-à-dire une déformation en fonctionnement dans les limites de proportionnalité) de façon à suivre le déplacement de la barre sans perdre le contact et donc sans provoquer 30 d'usure ; ces ressorts étant posés avec une "déformation préalable" suffisante pour absorber le déplacement maximal prévu de la barre ; (2A) Une rigidité maximale du ressort est également prévue pour empêcher le flambage (correspondant à une "déforma- 3 5 tion préalable" prescrite), la "déformation préalable" étant entendue comme l'espacement initial entre le patin de contact et sa barre ; cette "déformation préalable" étant également prévue de façon à bloquer la barre suffisamment pour l'empêcher de glisser et 40 empêcher le frottement résultant ; (3) Le système d'appui est conçu pour préstn-r une impédance "hydraulique minimale vis-à-vis des fluides de refroidissement qui circulent, en particulier la partie du système très proche des barres ; tout en. permettant 5 encore un degré suffisant de brassage du liquide de refroidissement r (4) Le système d'appui est conçu pour avoir une masse minimale ; (5) Le système d'appui doit avoir des caractéristiques 10 d'absorption parasite faible ; (6) Le système de support comprend des matériaux facilement disponibles et des parties structurales relativement courantes pour réduire au minimum les coûts de fabrication et les problèmes associés ainsi que pour réduire au 15 minimum la masse et le volume ? (7) Le système d'appui doit être prévu avec une résistance verticale suffisante de façon à ne pas être tordu ou affaibli par la "croissance" des barres dans la direction axiale ; 20 (8) Le faisceau de combustible doit être prévu avec un nombre suffisant de systèmes d'appui (sommiers) dans sa longueur pour augmenter de façon adéquate sa fréquence fondamentale de réponse et la rigidité des barres. En général, les caractéristiques de l'invention décrite 25 concernent un système d'éléments d'espacement de type "élastique/ élastique" ou "en arc double" pour un faisceau de combustible de réacteurs nucléaires où la rigidité du système d'éléments d'espacement est précisé (dans un certain domaine) de façon à absorber une déviation maximale prescrite d'une barre (distance 30 minimale de déformation préalable comprise dans le domaine élastique des éléments d'appui). Plus particulièrement, le système d'appui, y compris les ressorts de contact élastique /élastique , doit être suffisamment élastique pour absorber la croissance de la barre sans la flamber et pour absorber l'effet de relaxation 35 de la barre provoquéepar l'irradiation • tout en étant encore suffisamment rigide pour permettre la formation d'un"quasi-noeud" dans les conditions prescrites de vibrations maximales, sans avoir une déviation importante de la barre, une perte de contact entre l'appui et la barre, etc. De plus, le nouveau système 40 d'appui est également conçu et. prévu pour travailler entièrement 72 09466 7 2iJU4UV dans son domaine élastique supérieur au déplacement maximal prévu de la barre (par exemple, supérieur à un déplacement d'environ 0,04 mm dans les modes de réalisation préférés) et sans déformation, permanente induite dans un ressort de contact (c'est-à-dire en-5 deçà de la "limite de réaction élastique") .Les modes de réalisation décrits fournissent quelques-uns ou tous les caractéristiques et avantages ci-dessus mentionnés dans les systèmes d'appui ayant la forme d'un châssis en "boîte à oeufs" où sont fixés des ressorts de contact ayant les caractéristiques indiquées dans une confi-10 guration préférée "dos à dos" et "en arc double". On a constaté que cet "arc double" présente une impédance mihircale vis-à-vis de l'écoulement du fluide tout en maintenant un brassage important ainsi qu'en présentant une surface de contact maximale avec la barre (donc une pression de contact inférieure et une usure 15 moindre), ainsi qu'une surface de contact relativement constante, à l'inverse des configurations desressorts de la technique antérieure qui présentent une surface de contact relativement faible. Comme on l'explique encore par la suite, on a également: v : que ce système de ressort présente une répartition des contraintes 20 relativement uniforme dans le sens de sa longueur, sans surface. de contrainte élevée ou discontinuités de contrainte. De plus-cette configuration de ressort fournit une "corapliance " (déplacement par unité de force appliquée) symétrique (dans la direction du déplacement de la barre) ; ne compliance seul/en couple (c'est-à-25 dire que chaque ressort de la paire peut être fléchi séparément, ou que l'on peut les fléchir ensemble comme un système unique), et une "surabondance" structurale, par laquelle les ressorts doubles sont de préférence fixés à leur appui par plusieurs points - réduisant donc au minimum les risques de cassure et de 30 déplacement d'une pièce de ressort, qui ont des effets néfastes bien connus pendant le fonctionnement du réacteur. On peut rendre cette configuration optimale en utilisant des patins de contact ayant une section droite "hydraulique" réduite. Les caractéristiques des modes de réalisation préférés et 35 les autres propriétés mécaniques de chaque système d'appui peuvent être résumées comme suit. La rigidité du système doit être prévue entre un minimum prescrit (c'est-à-dire la rigidité minimale nécessaire pour amortir le mouvement vibratoire de la barre) et un maximum prescrit (c'est-à-dire la rigidité 40 maximale qui peut exister avec les forces axiales prévues sur 72 09466 8 2130409 la barre sans flambage) ; par exemple entre environ 55 et environ 110 kg/cm pour les modes de réalisation décrits. Cette rigidité minimale doit être suffisante pour imposer la formation d'un "quasi-^noeud" dans la barre au contact du ressort pendant les 5 vibrations dues à l'écoulement (de préférence environ cinq fois la rigidité de la barre à mi-chemin entre les points d'appui), avec le déplacement prévu pour empêcher l'abrasion due au glissement. C'est-à-dire que l'on prévient l'abrasion en prévoyant une force de contact du ressort suffisante qui, avec la 10 résistance due au frottement, élimine le glissement sous l'influence de l'amplitude des vibrations possibles dans le système. Toutefois, la charge minimale tendant à flamber la barre doit être supérieure à la force de contact maximale résultante (composante axiale de frottement du produit de la rigidité du 15 ressort et du déplacement prévu du patin de contact - déterminée par le coefficient de frottement applicable. Le système fournit également des charges axiales induites sur une barre qui sont supérieures à la charge maximale attendue de contact de frottement au point de contact (dans les conditions 20 de température du réacteur en fonctionnement) et qui sont également inférieures à la charge limite du matériau modifiée pour tenir coiçte du fluage et de la relaxation induits par l'irradiation. Par exemple, dans un mode de réalisation où on prévoit des barres de Zircaloy de 3 mètres espacées par 7 systèmes d'appui selon la 2 5 présente invention, on trouve que la charge de contact de frottement est de l'ordre de plusieurs kilogrammes /produit de la constante prévue de ressort de 0,45, déplacement maximal de 0,04 mm, et un coefficient de frottement de 0,57 et qu'elle est inférieure à la charge de flambage de la barre. La charge de frottement au 30 contact de la barre est suffisamment faible pour que les barres puissent se dilater normalement. Il est évident, pour que les barres puissent se dilater normalement, en particulier en vue de l'exemple résumé ci-dessus, que le système d'appui doit être défini selon la présente invention dans des limites mécaniques 35 qui sont bien meilleures que celles définies jusqu'à présent. Dans la description suivante et les dessins associés des dispositifs d'appui (sommiers et éléments d'espacement), on voit que les systèmes sont particulièrement appropriés à un assemblage combustible de réacteurs nucléaires qui est du type "sans g?ine", 40 et que l'on peut utiliser avec d'autres assemblages similaires 72 09456 pour former le O Ot M.» '.i \À ' / 1. ^ _■ W1* Ji .1 - ■ -* , » bî 4. JÏÎ * — -v'. L- r dans un autre mode de réalisation, les sommiez précédente :.cn la présente invention peuvent également être aûàptés à un rSr à eau bouillante. Cette interchangeabilité des idées de i::; : tic 5 est tout à fait unique dans la technique et extrêmement intéressante, comme les experts le verront facilement. Donc il fauv. rendre/COm§ut les idées de conception du sommier seior. la pré sent-" invention ne sont pas seulement uniques et nouvelles par elles-mêmes, mais qu'elles sont, ce qui est unique, interchangeable, 10 entre un réacteur à eau sous pression et un réacteur à eau bouillante. Pratiquement parlant, il n'y a pas de syseème d'appui concurrent qui puisse avoir cette prétention. Il est entendu que le faisceau combustible est formé de barres de combustible placées parallèlement les unes aux aui ^-ss 15 dans une matrice de barres, chaque barre ayant la hauteur te.'- -.le du coeur et étant formée d'un empilement de boulettes de wafcériaiî lissile et de céramique ou autre enfermées dans un gainage ligue approprié, par exemple un alliage de zirconiuro. Dans Figures 1, 2 et 8 des dessins., un sommier d'espacement SG ^sep+: -20 d'entre eux sont indiqués pour le faisceau entier dans la est représenté selon la présente invention. Il est entendu quo le sommier SG maintient un faisceau de barres de combustible R en position latérale correcte, des moyens étant également prévus pour l'adaptation des extrémités inférieure et supérieure 2 5 (connus dans la technique).Le sommier SG a un châssis F extérieur généralement carré,constitué de quatre plaques ou bandes - limites, soudées ensemble aux coins, comme on le voit le mieux sur la Figure 1. Bien que seulement quelques barres soient représentées dans les Figures 1A et 1B, il est entendu qu'elles sont disposées 30 dans la matrice ci-dessus mentionnée (15 x 15). Les éléments du châssis conqprennent des bandes d'Inconel ou autres placées "de côté" par rapport à l'écoulement du fluide. Le châssis F a une longueur L et une largeur W, entourant la "boîte à oeufs" de cette matrice de points de repère (les centres des barres 35 extrêmes sont distants des longueurs L' et W). Les espacements P-R et P-C de la Figure 3 pour les rangées et les colonnes respectivement sont les mêmes, 1,330 cm pour le mode de réalisation dans un réacteur à eau sous pression (les barres R ont ici un diamètre de 1,072 cm). Le châssis F porte une série de bardes 40 d'appui B de même largeur placées en rangées (r) et en colonnes (c) 213040V orthogonales^ formant des bandes de rangées B-R et des bandes de colonnes B-C. Comme il est indiqué schématiquemenc appointe de croisement^ (Figure 8) toutes les bandes portent une entaille à mi-largeur (respectivement en haut ou en bas) de façon à se 5 correspondre 'ît s'entrecroiser en se coupant dans un plan commun de la manière connue en "boîte à oeufs", et sont fixées les unes aux autres dans ce plan par brasage au four. Un tel entaillage est représenté par les entailles n placées aœ points de repère (croisement) des bandes B, pratiquées à la base des bandes B-R et 10 aux bords supérieurs des bandes orthogonales B-C. Ces entailles n sont naturellement suffisamment larges (N-W) pour que la largeur de la bande y pénètre. Les extrémités des bandes B ont des pattes tb qiv-- l'on peut insérer dans les entailles du châssis F de façon à n'Gt! pas dépasser, et leur sont brasées au four. 15 Comme les éléments du châssis F, les bandes B sont en Inconel orientées de côté par rapport à l'écoulement du fluide dans le réacteur. Comme on le voit plus particulièrement sur les Figures 3 et 6 et spécialement sur les Figures 1 et 8, chaque bande B comprend 20 une poutrelle couvrant la dimension appropriée du sommier et comportant des saillies de ressort S en forme de doigt intégrées et placées auc points appropriés marqués A tout au long. (Voir une autre forme des ressorts S' sur les Figures 4 et 10). Par exemple, la bande de rangées B-R de la Figure 6 comprend les 25 doigts 1 et les entailles n placés sur toute sa longueur en formant une rangée particulière de sommier "r" du sommier SG. Les doigts 1 ont une hauteur totale S-R d'environ 3,8 cm, un espacement S-P d'environ 1,42 cm et une longueur SB-L inférieure à 2,5 cm, chaque doigt 1 ayant une longueur de saillie d'environ 2,5 cm. Comme il 30 est indiqué sur la Figure 4, on voit que ces ressorts alternés S' ont de préférence deux parties comprenant un doigt primaire 1 faisant partie intégrante de sa bande B, chaque doigt 1 étant soudé "dos à dos" à un doigt 1' secondaire associé. Bien qu'une quelconque série de rangées ou de colonnes 3 5 demande des doigts complémentaires séparés 1' et que l'on ne prévoit pas de les emboutir sur une seule bande comme le sont les doigts 1, ceci pourrait cependant être le cas. Les doigts 1' complémentaires sont soudés pré-courbés en relation dynamique avec les doigts primaires respectifs 1 comme indiqué 40 sur la Figure 4, chacun des doigts doubles soudés ayant ■ O G iO 72 09466 11 21304UV sensiblement la même forme de courbure et les mêmes dimensions (par exemple une hauteur libre de courbure S-S inférieure à 2,5 cm). Toutefois, seuls les doigts primaires sont de préférence emboutis en formant un seul tenant avec la bande de base 5 respective B. Le matériau formant les ressorts, particulièrement approprié pour ce milieu et ses contraintes, est un alliage de nickel ayant des propriétés élastiques supérieures à température élevée, l'Inconel N° 718 (ou des alliages équivalents). Une vue en perspective d'une grille similaire S-G comportant 10 d'autres ressorts Z et bandes do croisement B-R/B représentatifs est représentée par la Figure 3, qui est fragmentaire et très simplifiée pour plus de clarté. Il est évident pour l'homme de l'art que, bien que les ressorts dans ce mode de réalisation soient dirigés vers le haut, 15 on peut renverser cette orientation, ce qui permet de placer des de brapsage ailettes/Qirigées vers le haut sur les bandes de croxsement B-R/B-C. Les Figures 3,6, 7 et 8 représentent une autre forme des ressorts de contact Z (par rapport aux ressorts S1 décrits ci-20 dessus sur les Figures 4 et 10) où les ressorts sont, en termes généraux, les mêmes que ci-dessus sauf qu'ils ont une constracL.= c en "base évasée" ainsi qu'un "patin de contact" qui permet de réduire l'impédance vis-à-vis de l'écoulement. Cette autre construction de ressorts peut être préférable dans quelques 2 5 applications. La Figure 3 montre une vue plane de quatre tels ressorts associés Z placés en état de fonctionnement contre les barres associées R de combustible. Les ressorts Z comportent généralement des paires réunies" "dos à dos" de doigts de ressort en porte-à-faux comme ci-dessus, deux paires étant représentées 30 faisant saillie à partir des positions de repère respectives de la bande de colonne B-C et deux autres paires faisant saillie d'une manière semblable à partir de la bande de rangée adjacente B-R. Chaque ressort Z comprend un doigt primaire 12 faisant saillie sur sa bande associée B (et de préférence étant embouti de 3 5 façon à ne former qu'un tout avec cette bande) et sur lequel est soudé,à ses extrémités intérieure et extérieure,un doigt secondaire associé 12'. Pour la soudure, les ressorts appareillés sont pré-courbés symétriquement comme prescrit et placés généralement de façon à fonctionner ( comme ci-dessus) en formant 40 des contacts élastiques de positionnement avec les sections de 72 IW466 12 2130409 barre opposées, ces contacts étant prévus pour présenter les mêmes propriétés générales que les ressorts analogues SS1 ci-dessus décrits. Il est évident que la configuration précédente de doigt de 5 ressort à "base évasée" est quelque peu plus stable et plus économique en matériau ainsi que plus résistante; par exemple, elle résiste mieux aux forces de frottement et autres le long de l'axe de la barre. La largeur S-WW des doigts est définie selon la courbure de la circonférence de la barre R (contre laquelle 10 son patin de contact D doit porter) . La largeur évasée maximale des parties de base des doigts doit être ajustée de façon à obtenir des constantes appropriées de ressort tout en laissant un jeu approprié entre les bases adjacentes (pour les entailles n) et doit diminuer à partir du voisinage du patin (surface de 15 contact la plus extérieure de celui-ci). L'épaisseur S-T des doigts de ressort (et ici celle de la barre entière B) est également choisie pour donner la valeur de la rigidité définie à la lumière des autres contraintes définies comme la "déformation préalable", le déplacement maximal, la force maximale de contact, Il est évident que l'on peut se passer des parties D de patin de contact si l'on ne désire pas obtenir une section droite de contact réduite pour l'efficacité hydraulique et la stagnation minimale du courant descendant. Toutefois, cette forme est 2 5 généralement désirée et on voit qu'elle est relativement simple à réaliser^, en particulier pour les parties bânde- doigt qui sont préfabriquées et embouties comme un tout (Figures 6 et 9). Les surfaces de contact D-L, D-F du patin D sont prévues en fonction de considérations sur la répartition appropriée des 30 contraintes hertziennes et de la transmission de chaleur. En se référant particulièrement à la Figure 10 et à tous les modes de réalisation précédents, on va maintenant étudier les caractéristiques de conception (par exemple la rigidité) des ressorts d'espacement selon l'invention. La Figure 10 représente un exemple de ressort de contact 40 d'après le mode de réalisation des Figures 4, 6 et 9, comportant une paire de doigts de ressorts dos à dos 41, 41', soudés ensemble à leurs extrémités, faisant saillie et placés d'autre part comme indiqué ci-dessus. 20 etc. 3 5 très schématiquement et pour 72 0946ô i ^ n p c .j —: •- - £iS w"' L.iT;ci !.iX .. cl -La -Ce: >Ô£ / v base 45 et en fait saillie comme ci-dessus. I.:. est entendu qrs 1 ressort 40 n'est représenté que très schéma t. iouement dans r!" • conditions typiques de fonctionnement in situ.- où les eau.-: 5 de doigts 41 et 41' sont dans une position "armée" {ou corroriiiée? -étant insérées entre les barres respectives R de combustible ennuyant de façon élastique sur elles (en association a"ec Les doigts de ressorts associés appuyant sur les surfaces opposées de 3a barre - ceci étant considéré comme opérant,. 10 que» non indiqué ici). Il est entendu que 1 'en"»èvewer- c^uns >^rre R permet- i? relaxation et la "non-compression" d'un doigt de ressort, par exemple comme indiqué en pointillé le long du lieu de relaxation 43 pour le doigt 41 et 43' pour le doigt 'il'» On a décrit et considéré comme une caractéristique impo-.-tanca 15 de l'invention la ronstpnte de ressort K. ou rigidité, du sy-tëmr-d: appui. Il est indiqué généralement que l'on a trouvé s^lon 1 ' xnver.tiion que cette rigidité K doit être ; au minimum au suffisante pour empêcher tout déplacement important pré'""" des barres du aux vibrations. En se référant r* la Figure lO £~ particulier, on voit que ceci signifie qu'une ou toutes les surfaces de la barre R,à la hauteur particulière où .?.e fait 3s contact, doivent être maintenues en position constante penclan : une telle vibration. La surface de la barre R qui est tangente ?: plan V—V est considérée comme étant gardée relativement immobile 25 par le doigt de contact 41 et ses ressorts associés (sur la surface opposée de la barre et le long des autres sections axiales de la barre R comme décrit ci-dessus). De telles barres de combustible sont typiquement beaucoup trop flexibles pour garder un espacement et un alignement adéquats, quand elles ne sont pas 30 appuyées sur de grandes longueurs - étant portées à modifier leur "espacement" (jeu entre-barres) et même à venir heurter une barre adjacente sous l'influence de l'écoulement important à grande vitesse et des autres conditions de fonctionnement du réacteur. La fréquence naturelle fondamentale d'une b?rre type non 35 appuyée de combustible R à gainage d'acier inoxydable est d'environ 1 eps dans l'air et sa rigidité est seulement de f 0,18 kg/cm. Si le système d'appui impose la formation d'un "quasi-noeud" (déplacement presque nul) à l'endroit où il est en contact avec la barre, la fréquence naturelle fondamentale et la rigidité 40 sont alors considérablement augmentées. Pour les barres R r c a ï, 6 / Z. ^ ^ ^ 14 2130409 ir-5qvi'î-- r1-"-™ "«.a !*'7vr«? ?. la présence du sommier SG à cinq supporte internes -V7~\cntc 36 fois "* fréquence actnrelle fondaïaente?t» Comme l'espnee^nt entre deux barr"s R est général amer*: très 5 petit (de l'ordre de C,335 cr1, on ne peut pas s'attendre à ce que le système d1 App'ii reposela formation d'un noeud "absolu" (rde déplr.TTnryit d:-; tout) au point de contact sans nécessiter utî très rrrti-.cîe constante de ressort (et le matériau lourd qui lui est îrsoci^) nt. provoquer une trop jrande perte de charge au ps.-*- fo is. Pour réduire au minimum la rigidité nécessaire, il e~t important savoir quelle rigidité doit avoir le système d • ni. pour imposer suffisamment la formation d'un noeud au point de jonl-act de façon à cor server la plus grande partie de l'avantage appui do l'introduction dVin/interne. La rigidité d'appui nécessaire peut 15 être déterminé en considérant la vibration d'un support simple 5-is barres. Si les supports sont rigides, leur fréquence naturelle fondamentale w est la fréquence d'appui simple de la longueur entre deux appuis (par exemple les sommiers SG) que l'on trouve être : 20 v; = \/^r/Me ' où : K est la rigidité d'appui simple de la longueur (partie comprise entre deux appuis) (1) M est la masse effective e 25 Les appuis ne sont pas rigides mais ont une certaine rigidité Kc. On considère un modèle composé à un seul degré de liberté pour une longueur de barres vibrant sur des appuis rigides, qui a une fréquence naturelle w. Seulement la moitié de la rigidité de chaque appui est utilisée parce que chaque 30 appui agit sur deux longueurs. Tant/ le mouvement aux appuis est petit comparé au mouvement de la barre à mi-longueur, la masse effective pour ce mode de vibration est la même que pour les appuis rigides. La fréquence naturelle du modèle composé d'une longueur sur des appuis rigides est 35 w = (2) 72 09466 15 2 1 JU4U^ Le rapport des fréquences naturelles est alors w wo \/ 1 + K ° 1 ' r 2K s (3) Ce rapport ne doit pas être inférieur à RR (par exemple l'unité). Donc le support doit être au moins T fois aussi rigide que la rigidité d'appui simple de la barre entre les appuis, 10 c'est-à-dire Ks > mr (4) On considère deux types de barres ayant chacun un diamètre extérieur de 1,072 cm ; notamment une première barre R-I ayant un 6 2 15 gainage d'acier inoxydable, E = 2,03 x 10 kg/cm , avec une épaisseur de paroi de 420^U,et une seconda barre R-ll ayant un gainage en Zircaloy, E = 0,77 x 10® kg/cm2, avec une épaisseur de paroi de 610/il . Pour une longueur de 50,8 cm du gainage d'acier inoxydable 20 R-I ; Kr = 13,5 kg/cm Pour une longueur de 50,8 cm de tubage de Zircaloy R-II : Kr = 7,3 kg/cm Si le système d'appui est suffisamment rigide pour les deux 25 types de barres de combustible, K T (13,5) kg/cm S En raison des effets de variations de tengpérature et de l'irradiation, le système d'appui doit permettre un mouvement axial relatif entre les barres et le système d'appui. Ce mouvement 30 axial induit une force de résistance qui est une fonction de la force normale et du coefficient de frottement. Ces forces existent à chaque point de contact entre le système d'appui et la barre et peuvent entraîner une charge axiale de compression tendant à flamber la barre. 3 5 La charge de flambage dépend du nombre de sections que comporte la barre dans le système d'appui. Si l'on suppose que la barre flambe dans le mode d'appui simple, la force de flambage d'Euler est alors P = El (5) 40 (L/N)2 il 0v40b 16 2130409 ù L est la longueur totale de la barre et N le nombre de longueurs (parties comprises entre deux appuis). La charge de frottement qui doit être supportée par la longueur portant la plus grande charge est 5 F = 4/^NFg (6) oxlyLl es*- -*-e coefficient de frottement et Fg est la force élastique à chaque point de contact entre la barre et le système d'appui. Cette charge de frottement ne doit pas dépasser la charge de 10 flambage. Donc, Fs ^ ^ 2EI/(L/N)2 (7) 4/fcN pour le comportement élastique de la barre. Toutefois, pour 15 tenir compte de la croissance de la barre induite par l'irradiation, de du fluage de la barre et/la relaxation des contraintes du système d'appui, la charge effective est considérablement augmentée par un facteur K défini comme une "tolérance au fluage plastique" : 20 Fg K' JjSi (8) avec K1 = 4(1 + K) La force élastique F est déterminée par la rigidité K du S s système d'appui et la déformation préalable Dq, c'est-à-dire, 25 F = K D (9) s s o Pour une déformation préalable donnée, la charge résultante de flambage limite la rigidité du système d'appui : 30 K //^ 2EI/(L/N)2 s K'^M Dq titre Par hypothèse et à/ d'exemple seulement, on peut supposer qu'une barre de combustible en Zircaloy de 3 mètres est divisée 35 en six longueurs égales et on suppose qu'elle conserve un coefficient de frottement de 0,5. ici la force de contact maximale permise est : F *£= 4,08 kg S » -3 et la constante de ressort limite CRL correspondante est de l'ordre 40 de moins de 180 kg/cm. 72 09466 2130409 SijpOUX ÎBS t u: U qu'une rigidité minimale du systàate d i-ppai tst nëcessaiï» pour imposer un "quasi-noeud" dans la vibration, le système d'appui doit être conçu dans les limites pluù£_ étroites,J-i là 5 rigidité du ressort, c'est-à-diie, vu, bx un doit uciliser le même ressort pour les narres e-i 10 ac I «j. ii oxyuaijifc et err àircaioy, la rigidité est limitée a un domaine envoie plus étroit. i«* limite supérieure dcit fet prudemment choisie, en r^isor, du CiiOix du facteur de frortement et uu choix du modele à--charge de flambage ;ci. le mode "appui simple"). En rait.wj, Ja 15 frottement, le système d'appui applique à la carre un moment revLiictif qui tend à fixer la barre à ses appuis. La charge de riaiiibage dans le mode fixé - fixé est quatre fois celle dans i& mode appui simple, toutefois, les ressorts d'appui onL i.iw certaine souplesse, donc ce ne sont pas as vrais appuis simples» 20 Ceci tend à abaisser quelque peu la char y e de flambage, bien qizs la charge de flambage réelle dans cas conditions soit en fait €îLï© un facteur plusieurs fois plus grand que/le .uoas" "appui siisole" impliquerait. . Par exemple, on a observé que des ressorti? selon l'invention peuvent facilement supporter des forces 2 5 brutales de 6 à 8 g, sans détérioration importante. De tels ressorts sont restés intacts en face de forces suffisantespour briser la "matrice alvéolée". Une telle possibilité de "protection élastique" est originale dans cette technique. De plus, la possibilité élevée de rappel de ce système augmente les avantages 30 précédents. On voit que les avantages précédents en cours de fonctionnement sont très utiles, en particulier dans les cas où le réacteur est soumis à des contraintes extrêmes ; par exemple sous l'action de forces sismiques accélérées(qui peuvent présenter une charge 3 5 aussi élevée que 4 à 6 g). Un autre exemple d'applications utilisables est le cas d'une "purge" du fluide de refoidissement, où,à la suite d'une rupture accidentelle du système de refroidissement du réacteur (un cas reconnu extrême), une "purge" peut se produire au cours de laquelle le fluide de refroidissement 40 "jaillit" du coeur, on heurtant violemment les barres. Le système CRL kg/cm f 2 U 9 4 6 6 18 213040 e» de xCàborts en arc double soumis à un tel choc résultant d'une purge a une m-lileuii chance ûe survie r alors que l'on peut s'attendra à voir les ressorts de la technique antérieure s'écraser, offrant ainsi un meilleur isolement et une action élastique plus indépendante. Léo ressorts selon les modes de réalisation précédents sont de préférence en Inconel ou en un alliage élastique identique 15 nickel-fer-chrome, principalement en raison de sa résistance '"levée à la corrosion et de sa limite d'éiasticité élevée dans un éacteur ; toutefois, dans certains cas, on peut le remplacer par un alliage de Zirconium pour tirer avantage de sa section efficace aux neutrons inférieure. 20 II est évident pour l'homme de l'art qu'un système d'espacement "élastique/élastique" ou "en arc double" tel que ceux décrits ci-dessus peut être modifié pour donner au moins quelques-unes des possibilités indiquées et/ou qu'il peut être adapté à des différents milieux de sommiers de réacteurs différents (bien qu'analogues). 72 09466 19 z. i J'ui'u ? REVENDICATIONS 1. Dispositif de support pour combustible de réacteur nucléaire , comprenant un châssis et un sommier d'éléments d'espacement destiné à supporter des barres de combustible nucléaire dans une 5 matrice avec l'espacement voulu, caractérisé en ce que le sommier d'éléments d'espacement (SG) lie de façon élastique chaque barre au châssis et qu'il comprend une matrice de ressorts en arc double (S) montés sur le châssis F de façon à donner à chaque barre (R) des contacts d'appui élastique dans le plan du châssis, 10 les ressorts en arc double étant montés deux par deux sur ledit châssis. 2. Dispositif de support selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une série de châssis et de sommiers associés espacés le long des barres de la matrice de barres. 15 3. Dispositif de support selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rigidité des ressorts et l'espacement entre le châssis et le système à ressorts permettent la formation d'un noeud dans des conditions de vibration maximale prévue dans au moins un des systèmes de ressorts. 20 4. Dispositif de support selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que lesdits ressorts sont disposés de façon à s'opposer mutuellement en formant un système de contact élastique sans utiliser de contacts rigides de façon à donner une action élastique indépendante, chaque ressort 25 comportant un segment d'arc continu relativement régulier, placé en porte-à-faux sur l'appui, et étant destiné à donner et à maintenir une répartition uniforme des contraintes avec pratiquement pas de discontinuité des contraintes dans le sens de sa longueur. 5. Dispositif de support selon la revendication 4, caractérisé 30 en ce que ledit segment d'arc est disposé de façon à présenter une surface de contact sensiblement constante le long de la barre appropriée et à réduire au minimum 11"impédance hydraulique" vis-à-vis des fluides qui circulent. 6. Dispositif de support selon la revendication 3, caractérisé 35 en ce qu'une série de barres de combustible sont positionnées de façon élastique par au moins une matrice desdits sommiers à ressorts dans un premier plan transversal à l'axe longitudinal des barres, cette série étant contrainte et supportée dans au moins un autre plan; et que ladite matrice de ressorts et ledit premier 40 plan sont disposés, par rapport audit autre plan, de façon à ri U V 4 0 o 20 213040° permettre la formation d'un point nodal dans chaque barre pendant la vibration forcée de la barre dans ledit premier plan. 7. Dispositif de support selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ressorts de chaque arc double sont placés et ap- 5 pariés "dos à dos" de façon à présenter une compliance symétrique, une élasticité séparée et conjuguée, et une surabondance de structure. 8. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il est prévu un nombre suffisant desdits 10 sommiers à ressorts pour réduire la longueur des parties des barres comprises entre deux appuis de façon à augmenter la fréquence fondamentale de réponse et la rigidité des barres afin d'exclure des modes de vibration nuisibles.