Brevet FR2128842A1 — publié le 19721020

la présente invention concerne le domaine des réacteurs nucléaires qui utilisent plusieurs assemblages combustibles groupés en une disposition géométrique. Plus spécialement, l'invention concerne un dispositif destiné à écarter et maintenir individuel-5 lement en position de fonctionnement plusieurs aiguilles de combustible qui sont placées sous forme de cartouches de combustible dans un réacteur nucléaire. Des cartouches de combustible contenant plusieurs aiguilles qui contiennent à leur tour un combustible nucléaire actif sont 10 bien connues et utilisées pour la réalisation de réacteurs nucléaires. Normalement, un agent de refroidissement gazeux ou liquide traverse la cartouche et passe autour des diverses aiguilles pour extraire la chaleur dégagée pendant le fonctionnement. "l'utilisation de cartouches de combustible comprenant des ai-15 guilles est particulièrement intéressante dans des réacteurs nucléaires refroidis par un liquide tels que les réacteurs surrégénérateurs refroidis par un métal liquide, lorsqu'un métal liquide est utilisé comme fluide de refroidissement, la conception des aiguilles de combustible est d'une très grande importance. 20 les aiguilles doivent être conçues de manière -à réduire le plus possible la résistance à l'écoulement du fluide de refroidissement et en même temps, elles doivent conserver leur intégrité et être exemptes de vibrations excessives, l'écarte-ment des aiguilles a également une très grande importance, l'entre-25 choquement des aiguilles pourrait être la cause d'une perte localisée du fluide de refroidissement, ce qui aurait pour résultat un surchauffage et un arrêt du réacteur. En outre, il faut prévoir un moyen permettant aux aiguilles de combustible de se dilater pendant le fonctionnement par suite des forces thermiques 30 et nucléaires, la réalisation des matériaux des aiguilles de combustible, leur forme et le type des matériaux de gainage et d'écartement ont fait l'objet d'une étude approfondie. Toutefois, jusqu'à présent, on a encore besoin en pratique d'un dispositif simple mais robuste permettant de maintenir la partie inférieure 35 des aiguilles de combustible dans la cartouche et d'assurer un écartement correct sans créer une chute de pression excessive dans le courant du fluide de refroidissement. 72 08479 2 2128842 le mode classique de support d'un réseau d'aiguilles de combustible dans une cartouche est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'.Amérique ÏP 3 505 170. Chaque aiguille comporte un raccord qui est fendu sur son diamètre. Les aiguilles sont alignées de 5 manière que les' fentes soient orientées dans une même direction et sont ajustées sur des rangées parallèles de bandes d'écarte-ment et soudées à ces dernières. les bandes d'écartement sont ajustées dans des fentes d'une plaque d'adaptation qui est maintenue dans la cartouche de com-10 bustible par des barres de support, l'intégrité est un problème majeur avec des aiguilles de combustible fendues au centre qui sont soudées à des bandes d'écartement car, pour supporter une soudure convenable, la bande d'écartement doit être relativement épaisse, ce qui signifie qu'une partie épaisse de métal doit 15 être enlevée du centre de l'aiguille de combustible pour ne laisser qu'une mince partie marginale pour la supporter. Cela pose un problème grave dans les réacteurs sur-régénérateurs à neutrons rapides refroidis par un métal liquide dans lesquels les aiguilles de combustible ont un petit diamètre de 1'ordre de 5 à 7 mm 20 environ, l'écartement précis des aiguilles individuelles le long des bandes d'écartement pendant le soudage exige un outillage supplémentaire et constitue un processus de production compliqué. Un ensemble de maintien fendu non soudé est -décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 3 150 057. Dans ce cas, les 25 parties inférieures de liaison des aiguilles de combustible comportent des fentes en T. les aiguilles sont disposées par rangées parallèles de manière que leurs fentes soient orientées dans une même direction, les rangées parallèles des bandes de maintien en T sont calées dans les fentes des aiguilles de combustible, 30 en utilisant une barre d'écartement en T pour chaque rangée d1aiguilles. Comme l'ensemble soudé, cet ensemble de maintien présente la même difficulté, à savoir l'obtention d'un espacement pendant la fabrication et le maintien de l'intégrité d'un raccord dont 35 la partie centrale est découpée. En outre, des raccords de maintien en forme de T sont sujets aux vibrations et à une fatigue provoquée par les vibrations lorsqu'ils sont placés dans un 72 08479 3 2128842 courant de liquide de refroidissement. En conséquence, les raccords de maintien en T ne conviennent pas très "bien pour des réacteurs sur-régénérateurs à neutrons rapides refroidis par des métaux liquides et qui utilisent normalement des aiguilles de petit 5 diamètre. Un troisième type de dispositif de maintien.décrit dans le "brevet des Etats-Unis d'Amérique ÎÎQ -3 303 099 utilise des aiguilles comportant des tétons ou des rivets faisant saillie axialement à partir de leur extrémité inférieure, ces tétons ou 10 rivets étant fixés à une plaque de support horizontale préalablement percée. Le perçage préalable de la plaque de.support évite les difficultés d'écartement au cours de la fabrication. Cependant, la plaque de support horizontale empêche d'utiliser cette disposition dans des installations dans lesquelles il est souhaitable 15 que le fluide de refroidissement s'écoule à partir d'une région située au-dessous des aiguilles. En outre, il faut utiliser des aiguilles de plus grand diamètre dans cette disposition afin de former des tétons suffisamment robustes, les conditions de sécurité exigées dans de nombreuses installations de réacteurs impose-20 raient également des limitations à l'utilisation d'un ensemble de rivetage vertical à cause de la force de maintien insuffisante et de sa sensibilité à une fatigue due aux vibrations. A cause des problèmes posés par les dispositifs antérieurs de maintien des aiguilles de combustible et de l'importance 25 d'un tel dispositif dans le fonctionnement des réacteurs- de puissance, actuels, on a un urgent besoin en pratique d'un dispositif de maintien perfectionné. Selon ses particularités essentielles, la présente invention concerne un dispositif de maintien et d'écartement des aiguilles 30 de combustible, facile à fabriquer, qui est destiné à être utilisé dans des réacteurs nucléaires. les aiguilles de combustible comportent une partie encochée à leur extrémité inférieure ayant au moins deux goujons de fixation en saillie, les goujons sont ensuite ajustés dans une plaque 35 d'écartement qui comporte des trous complémentaires destinés à loger les goujons de fixation des aiguilles. Des tirants et des entretoises sont utilisés pour réunir les plaques d'écartement 72 08479 4 2128842 individuelles et les maintenir en position serrée et parallèle dans la cartouche de combustible. La présente invention offre de nombreux avantages tels qu'une construction facile, une résistance mécanique, une durabilité, l'absence de défaillance et un état 5 exempt de vibrations excessives. En conséquence, la présente invention a principalement pour-objet un dispositif perfectionné de maintien des aiguilles de combustible d'un réacteur nucléaire qui est facile à fabriquer, en particulier pour des réacteurs nucléaires refroidis par un liqui-10 de,et qui a également pour fonction d'écarter les aiguilles de combustible. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressor-tiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement 15 limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 est une coupe horizontale d'un réseau d'aiguilles de combustible espacées et maintenues selon la présente invention dans une cartouche de combustible ; 20 la figure 2 est une coupe verticale suivant la ligne 2-2 de la> figure 1 ; la figure 3 est une coupe verticale suivant la ligne 3-3 de la figure 1 ; la figure 4 est une vue éclatée, en partie en arrachement, 25 montrant en détail la liaison entre les aiguilles de combustible et les plaques de maintien ou entretoises ; la figure 5 représente schématiquement le côté plaque de la liaison d'une plaque de maintien d'aiguilles ; et la figure 6 montre schématiquement une vue latérale de la 30 liaison représentée sur la figure 5. En se référant maintenant aux dessins, la figure 1 représente une coupe transversale d'une seale cartouche de combustible 10 d'un réacteur nucléaire. Cette cartouche comporte une gaine 12 contenant sur toute sa longueur un réseau 14 d'aiguilles'de 35 combustible 16 chargées d'un combustible nucléaire 18. Normalement, la cartouche 10 a une forme hexagonale, comme représenté, de manière à pouvoir grouper et serrer plusieurs cartouches pour 72 08479 5 2128842 former un coeur. En conséquence, le faisceau des aiguilles de combustible a également une forme hexagonale et comprend des rangées d'aiguilles dans trois directions parallèles aux côtés opposés de la gaine 12. Des éléments'parallèles 20 remplissant les 5 fonctions combinées d'écartement et de support des aiguilles de combustible sont associés à une rangée adjacente d'aiguilles 16. Les éléments 20 sont espacés et supportés à leur tour par des tirants 22 et des entretoises 23, comme on l'expliquera plus loin. La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2-2 10 de la figure 1 et montre une rangée d'aiguilles 16 dont chacune est fixée en deux points 24 à un élément de support et d'écartement 20. la figure 2 montre également une forme préférée des éléments d'écartement 20 dont la partie inférieure est plus étroite. Les "tirants 22 entourés par des entretoises 23 traversent le 15 support 20. la coopération entre ces éléments est clairement représentée sur la figure 3 qui est une coupe transversale partiel le avec arrachement suivant la ligne 3-3 de la figure 1, montrant plus en détail la liaison entre les aiguilles 16 et les éléments d'écartement 20. On voit que les aiguilles 16 présentent une 20 partie inférieure 26 qui est évidée d'un côté. A titre illustratif seule une partie des aiguilles 16 est représentée, la partie inférieure évidée 26 des aiguilles 16 est formée de manière à pouvoir être fixée aux éléments de support 20. les aiguilles peuvent être initialement usinées de manière à comporter des parties 28 qui 25 font saillie à partir de la surface dégagée de la partie 26. Ces parties en forme de goujon sont normalement percées de manière que l'extrémité ^u goujon soit creuse, ce qui facilite le sertissage mécanique, la figure 4 représente le processus de construction. les aiguilles 16 sont placées de façon que les goujons 28 30 puissent être introduits dans des trous 30 qui sont préalablement percés dans les éléments 20. les extrémités des goujons 28 sont ensuite déformées mécaniquement pour former une liaison rigide entre les aiguilles 16 et les éléments de support 20. En revenant maintenant aux figures 2 et 3, les tirants 22 qui maintiennent 35 les plaques de support 20 sont représentés comme étant fixés à un épaulement 32 d'une partie 34 de la gaine de la cartouche de combustible qui est elle-même reliée à une partie 12 de ladite gaine. Normalement, la liaison entre le tirant et 1'épaulement 72 0847? 6 2128842 est effectuée en soudant les diverses pièces ensemble, les entretoises 23 sont placées autour du tirant 22 et entre chaque élément 20. les figures 5 et 6 représentent en outre le support des aiguil-5 les de combustible de la présente invention, la figure 5 montre en détail un petit nombre d'aiguilles 16 fixées à des éléments de support 20. la figure 6 montre une vue différente du même groupe d'aiguilles. le mécanisme de maintien et d'écartement offre plusieurs 10 avantages importants par rapport aux dispositifs utilisés précédemment. Sa construction peu compliquée rend les opérations de fabrication sures et économiques. Contrairement aux montages à fente au centre, la .position des plaques de support 20 le long d'un côté de la partie affouillée 26 des aiguilles 16 laisse une 15 grande partie de l'aiguille pour assurer la stabilité mécanique. Egalement, la fixation des aiguilles 16 aux plaques de support 20 à deux endroits 24 produit une forte liaison exempte de vibrations. En outre, l'utilisation d'une double fixation assure un support suffisant en cas de rupture d'un seul goujon. 20 Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. Par exemple, bien que l'invention ait été décrite principalement en se référant à des réacteurs sur-régénérateurs 25 à neutrons rapides refroidis par un métal liquide, il est évident que l'invention s'applique également à d'autres formes de réacteurs nucléaires. 72 08479 7 2128842 RE7EHDIC ATIONS 1. Cartouche de combustible pour réacteurs nucléaires, caractérisée en ce qu'elle comporte une gaine métallique hexagonale allongée, un faisceau de barreaux de combustibles cylindriques 5 allongés de forme triangulaire dans la gaine et comprenant des rangées parallèles de barreaux orientés dans une première direction, chacun des barreaux de combustible ayant à son extrémité inférieure une partie massive partiellement évidée pour former une surface verticale, des bandes d'écartement orientées le long des rangées 10 et fixées à chacun des barreaux desdites rangées à plusieurs endroits le long de la surface verticale, un dispositif pour maintenir les bandes à un écartement prédéterminé dans une direction perpendiculaire auxdites rangées et un dispositif pour maintenir les bandes dans une position prédéterminée le long de la gaine. 15 2. Cartouche de combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif destiné à maintenir les bandes dans une position prédéterminée le long de la gaine comporte plusieurs tirants qui traversent les bandes dans une direction perpendiculaire à ces dernières et qui sont fixés à la gaine par 20 leurs extrémités. 3. Cartouche de combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce que les tirants sont entourés de plusieurs entretoises disposées individuellement- de.manière qu'elles butent contre les bandes afin que chaque bande présente une entretoise 25 de chaque côté. 4. Cartouche de combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des barreaux de combustible comporte plusieurs goujons espacés le long de la surface verticale faisant saillie à partir de cette dernière et en ce que chacun des 30 goujons est destiné à être introduit dans des trous correspondants des bandes d'écartement. 5o Cartouche de combustible selon la revendication 4, caractérisée en ce que les goujons sont creux à leurs extrémités en saillie qui traversent les trous des bandes d'écartement et 35 en ce qu'ils sont déformés à leurs extrémités pour réaliser une fixation rigide entre les barreaux ou aiguilles de combustible et ladite bande. 72 08479 8 2128842 6. Cartouche de combustible selon la revendication 4, caractérisée en ce que cha'cune des aiguilles comporte deux goujons. 7. Aiguille de combustible perfectionnée pour une cartouche de combustible selon l'une quelconque des revendications précé- 5 dentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une partie cylindrique creuse allongée prolongée par une partie cylindrique massive inférieure présentant une encoche verticale laissant une surface verticale à découvert. 8. Aiguille de combustible selon la revendication 7, caracté- 10 risée en ce qu'elle comporte en outre plusieurs goujons en saillie espacés le long de la surface verticale à laquelle ils sont assujettis. 9. Aiguille de combustible selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte deux goujons. 15 10. Aiguille de combustible selon la revendication 9, caracté risée en ce que les extrémités en saillie des goujons sont creuses.