Brevet FR2146974A1 — publié le 19730309

La présente invention a pour objet un assemblage de combustible nucléaire du type couramment utilisé dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis par circulation de sodium fondu, comprenant au moins un faisceau d'aiguilles allongées de combustible gainé disposées parallèlement les unes aux autres suivant un réseau régulier et une enveloppe destinée à être parcourue par le réfrigérant du réacteur et à contenir le faisceau. Toutes les aiguilles constituant le même faisceau sont retenues au même niveau dans l'assemblage par des moyens qui peuvent être une grille fixée d l'enveloppe, portant des rails sur lesquels sont enfilés les bouchons terminaux des aiguilles. L'écartement minimum des aiguilles les unes par rapport aux autres est déterminé par des entretoises enroulées en hélice à grand pas sur les aiguilles. En général l'enveloppe est à section droite hexagonale et les aiguilles d'un même faisceau sont disposées suivant un réseau triangulaire régulier. Les assemblages de combustible du type ci-dessus défini destinés à atteindre les taux de combustion élevés, de l'ordre de 100 000 MWj/t, prévus pour des réacteurs actuellement en construction ou en projet, doivent tenir compte du gonflement sous irradiation des matériaux de structure et notamment des matériaux constitutifs de l'enveloppe et de la gaine des aiguilles. En effet, tous les matériaux pratiquement utilisables, en particulier l'acier inoxydable, gonflent d'une façon notable lorsque la fluence dépasse une valeur qui est largement atteinte dans ces réacteurs. Le gonflement des aiguilles et le gonflement différentiel de l'enveloppe et des gaines d'aiguilles ont des conséquences très gênantes: en particulier le gonflement des aiguilles tend, une fois les aiguilles en contact par leurs entretoises, à dilater radialement le faisceau.Sauf si l'enveloppe se dilate de façon correspondante, des contraintes mécaniques risquent d'apparaître du fait de l'appui du faisceau contre l'enveloppe, appui qui est nécessaire pour éviter, avant gonflement, des vibrations des aiguilles et le court-circuit des sous-canaux de circulation du réfrigérant par le jeu compris entre les aiguilles périphériques-et l'enveloppe. Un tel court-circuit tend à refroidir les aiguilles périphériques de façon excessive et à leur donner une déformation en arc. La présente invention vise à fournir un assemblage de combustible nucléaire qui élimine ou du moins réduit dans une large mesure les inconvénients ci-dessus. L'assemblage de combustible nucléaire suivant l'invention, du type cidessus défini, est caractérisé notamment en ce qu'il comprend des tubes déformables interposés entre les aiguilles périphériques, dépourvues d'entretoises, et l'enveloppe, fixant l'écartement minimum entre ces aiguilles et l'enveloppe: sous la pression des aiguilles la section droite de ces tubes se déforme et les contraintes correspondantes doivent rester inférieures à la limite de rupture du matériau constitutif. Ce résultat est plus facilement atteint en donnant aux tubes une section droite allongée ou elliptique, le grand axe de la section pouvant être placé parallèlement à la paroi de l'enveloppe avec laquelle il coopère ou perpendiculairement à celle-ci.Les tubes sont avantageusement munis de perforations régulièrement réparties qui évitent l'écrasement dû à la pression du sodium. Ces perforations peuvent même, le long d'une génératrice, être jointives et constituer une fente. Le terme "tube" doit évidemment être interprété de façon large et comme couvrant en particulier une pièce allongée et non pleine dont les génératrices ne sont pas rectilignes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un assemblage de combustible pour réacteur à neutrons rapides et d'une variante 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 très schématiquement l'assemblage en coupe partielle suivant un plan perpendiculaire à l'axe de l'assemblage, - les figures 2 et 3 montrent schématiquement, en élévation, des tubes utilisables dans l'assemblage de la figure 1, - la figure 4, similaire à la figure 1, montre une variante d'exécution. L'asseXhlage de combustible nucléaire dont la section droite est illustrée schématiquement en figure 1 présente une constitution générale classique. I1 comprend un faisceau d'aiguilles 10 de combustible nucléaire oxyde d'uranium et/ou de plutonium en général) revêtu d'une gaine en acier inoxydable. Les aiguilles 10 sont disposées suivant un réseau triangulaire régulier dans une enveloppe 12 à section droite hexagonale qui délimite un conduit de circulation du réfrigérant (sodium fondu en général). Les aiguilles 10 sont portées par une grille support (non visible sur la figure 1) fixée à l'enveloppe 12.L'écartement minimum des aiguilles du faisceau entre elles est déterminé par un dispositif d'entretoisement qui comporte, sur chacune des aiguilles 10, exception faite des aiguilles périphériques, une entretoise 14 constituée par un fil enroulé en héice. Chaque fil 14 est fixé aux bouchons des aiguilles (non visible sur la figure 1) et l'écartement minimum entre deux aiguilles adjacentes correspond à la venue en contact du fil 14 de l'aiguille avec l'aiguille voisine. Entre les aiguilles périphériques du faisceau démunies de fils 14, et l'enveloppe 12-sont interposés des tubes d'appui 16. Chacun des tubes 16 prend appui à la fois sur la paroi de l'enveloppe 12 et sur deux aiguilles périphériques adjacentes 10. Ces tubes- sont constitués en un matériau qui conserve sous irradiation une élasticité suffisante pour ne pas se briser lorsqu'il est écrasé entre l'enveloppe 12 et les aiguilles 10 par suite du gonflement différentiel sous irradiation. Ces tubes maintiennent les aiguilles sur toute leur longueur et évitent ainsi leur vibration. Les tubes 16 sont avantageusement prévus pour que les sous-canaux de circulation du réfrigérant qui subsistent entre l'enveloppe et les aiguilles périphériques soient de section droite proportionnée au flux thermique que fournissent au réfrigérant qui y circule, les aiguilles adjacentes: pour atteindre ce résultat, on donne aux tubes 16 une section droite non pas circulaire, mais allongée ou elliptique, le grand axe de l'ellipse étant disposé parallèlement à la paroi de l'enveloppe 12 dans le cas de la figure 1. On réduit ainsi l'écartement entre les aiguilles latérales et l'enveloppe tout en maintenant un périmètre suffisant pour que les tubes puissent se déformer sans se rompre. Les tubes 16 sont ouverts à leurs- deux extrémités pour autoriser la circulation de sodium. Une de leurs extrémités est avantageusement fixée à la grille qui supporte les aiguilles par des moyens quelconques, l'autre extrémité restant libre pour que les tubes puissent se dilater. Des orifices sont avantageusement répartis le long de chaque tube 16 suivant au moins une génératrice. Ces orifices 18 peuvent être régulièrement répartis, comme le montre la figure 2. Ils peuvent également être jointifs de façon à constituer une fente 20 (fig. 3) qui augmente encore l'élasticité du tube. A titre d'exemple, on a donné aux tubes 16 destinés à un faisceau d'aiguilles présentant un diamètre de 7,1 mm et répartis au sommet d'un réseau triangulaire de 8,263mm de pas, une section présentant un grand axe de 5,5 mm et un petit axe de 3,4 mm Les tubes étaient en acier inoxydable et leur épaisseur était de 0,3 mm environ. Un assemblage de combustible ainsi réalisé peut supporter un gonflement différentiel sans dommage: si le faisceau d'aiguilles tend à s'enfler, les tubes 16 s'écrasent sans autre dommage qu'une légère diminution de la section droite de passage. L'échauffement du réfrigérant circulant dans les divers canaux est alors mieux équilibré en fin de vie que dans le cas d'un faisceau comprenant des fils hélicordaux sur les aiguilles périphériques car les canaux périphériques sont surrefroidis dans ce dernier cas. L'assemblage illustré à titre de variante en figure 4 comporte des tubes 16a qui sont encore de forme elliptique, mais le grand axe de la section droite est- disposé perpendiculairement à la face correspondante de l'enveloppe 12a. Pour des dimensions convenables de la section droite, on arrive encore à équilibrer approximativement les débits en tenant compte des flux thermiques transmis aux divers sous-canaux par les aiguilles 10a. Avec la disposition- illustrée en figure 4, on peut prévoir deux rangées d'orifices disposées suivant le petit axe et éventuellement une autre rangée d'orifices alignés suivant le grand axe de l'ellipse vers l'intérieur de l'assemblage, de façon à favoriser les échanges. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples; et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 10) Assemblage de combustible nucléaire comprenant au moins un faisceau d'aiguilles de combustibles gainé disposées suivant un réseau régulier dans une enveloppe délimitant un conduit parcouru par un fluide-réfrigérant, l'écar- tement minimum entre chaque aiguille et les aiguilles adjacentes étant fixé par une entretoise en hélice portée par des aiguilles sur la majeure partie au moins de leur longueur, caractérisé en ce qu'il comprend des tubes déformables interposés entre les aiguilles périphériques, dépourvues d'entretoises, et l'enveloppe, fixant l'écartement minimum entre ces aiguilles et l'enveloppe. 20) Assemblage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les aiguilles d'un même faisceau et les tubes déformables associés au faisceau sont retenus par une grille fixée à l'enveloppe. 30) Assemblage suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les tubes ont une section droite allongée ou elliptique, le grand axe de la section étant parallèle ou perpendiculaire à la paroi de l'enveloppe sur laquelle ils s'appuient. 40) Assemblage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes sont munis de perforations régulièrement réparties le long d'une génératrice au moins. 50) Assemblage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes sont fendus suivant une génératrice.