Brevet FR2235464A1 — publié le 19750124

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de protection d'un assemblage combustible d'un réacteur nucléaire. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un procédé qui permet de provoquer la rupture de la gaine d'un élément de combustible lorsque celle-ci présente un gonflement anormal et un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé On sait, en effet que dans un réacteur nucléaire, le coeur est constitué par une pluralité d'assemblages combustibles, chaque assemblage étant lui-même constitué par une pluralité d'éléments combustibles de forme allongée. En général, la partie proprement combustible de l'élément (uranium, oxyde d'uranium...) est recouverte par une gaine métallique constituas une barrière d'étanchéité Cette gaine est en général en acier i h xydable ou plutôt en alliage a base de zirconium. Les éléments combustibles d'un même assemblage sont réunis entre eux par des grilles d'espacement telles que celle qui est décrite dans le brevet français nO 1 584 33-1 délivré au nom du Commissariat a l'Energie Atomique le 19 décembre 1969 pour "Grille d'espacement pour élément combustible de réacteur nucléaire", En cas de fonctionnement anormal du rédacteur, et par exemple en cas d'arrêt accidentel de circulation du fluide primaire, on-a un échauffement très important du barreau combustible qui provoque un gonflement de la gaine de protection de l'élément combustible. Ce gonflement peut provoquer l'obturation des orifices des grilles d'espacement.Ceci empêche la circulation du fluide réfrigérant injecté en secours au voisinage des gaines défectueuses. I1 est donc avantageux de provoquer la rupture de la gaine pour permettre à nouveau le passage du fluide caloporteur. I1 existe déjà des dispositifs de sécurité permettant de rompre la gaine de protection en cas d'elevation de température du barreau de combustible. Un de ces dispositifs est décrit dans le brevet français nO 1 303 828 demandé le 16 octobre 1961 par 1'U.K.A.E.A. pour "Cartouche de combustible pour réacteur nucléaire". Dans ce dispositif, on trouve à l'intérieur de la gaine une substance qui, à une température supérieure à la température normale de fonctionnement de la cartouche de combustible se dilate plus rapidement que l'élément combustible et que la gaine de façon à provoquer la rupture de ladite gaine. Ceci présente l'inconvénient de faire intervenir la fusion d'un corps auxiliaire.Par ailleurs, on sait que les échauffements peuvent être localisés, or le dispositif précédent n'intervient qu'en un point donné du barreau de combustible. En outre, il n'intervient pas directement au moment du gonflement de la gaine. La présente'invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif de protection d'assemblagescombustibles qui pallient les inconvénients cités ci-dessus en agissant directement sur le ronflement de la gaine de protection de 'élément combustible. Le procédé de protection d'un assemblage combustible constitué par une pluralité d'éléments combustibles de forme allongée et recouverts d'une gaine protectrice et associés entre eux par une structure rigide se caractérise en ce qu'on provoque la rupture de ladite gaine lorsque celle-ci présente un gonflement supérieur à un seuil donné. Selon une première variante, on obtient la rupture de la gaine en plaçant sur la structure rigide des ergots jouant le rôle de poinçons placés de telle façon qu'ils ne pénètrent dans la gaine de chaque-élément combustible que si celle-ci présente un gonflement supérieur à un seuil donné. Selon une deuxième variante, on obtint la rupture de la gaine en plaçant sur la gaine d'un élément combustible des ergots tournés vers l'extérieur dudit élément combustible, les ergots ayant une longueur telle qu'ils pénètrent dans la gaine d'un élément combustible voisin lorsque la gaine dudit élément combustible voisin présente un gonflement superieur à un seuil donné. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé caractérisé en ce que la structure rigide est constituée par une pluralité de grilles parallèles-entre elles percées d'orifices régulièrement répartis dans lesquels passent les éléments combustibles, chaque orifice étant muni d'au moins un ergot jouantle rôle de poinçon, ledit ergot étant tel qu'il pénètre dans la gaine de 1 'élément combustible dès que le diamètre de ladite gaine dépasse une valeur donnée. Selon une première variante, le dispositif se caractérise en ce que les orifices des grilles sont sensiblement carrés et en ce que chaque orifice est muni de deux ergots placés à deux sommets opposés. De toutes façons, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur là figure 1, une vue en coupe selon un plan radial d'un premier mode de réalisation du dispositif objet de l'invention dans laquelle le poinçon est obtenu par emboutissage, - sur la figure 2, une vue en perspective représentant le mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 1, - sur les figures 3, 4 et 5 on a represente des vues en perspective de trois variantes de réalisation de poinçons obtenus par pliage, - sur la figure 6, une vue en perspective d'une autre variante de réalisation dans laquelle les poinçons sont directement solidaires de 1 'élément combustible. Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 1 à 5, on a pris comme point de départ les grilles d'espacement décrites dans le brevet français nO 1 584 335, mais il va de soi que l'invention pourrait être appliquée à d'autres types de grilles d'espacement. Les grilles d'espacement destinées à maintenir les barreaux de matière fissile tels que 2 sont constitués par un quadrillage de telles 4' et 6 disposées à angle droit et délimitant des alvéoles tels que 8 à section sensiblement carrée.Un barreau de matière fissile 2 est ainsi placé dans chaque alvéole pour être maintenu par les parois de celui-ci.Les tôles 4 et 6 sont percées d'évidements tels que 10 régulièrement espacés et séparés par des bandes étroites telles que 12 et 14. les bandes 12 et 14 sont munies d'ondulations et constituent un ressort. Comme on le voit sur la figure 1, les crayons combustibles sont maintenus dans les alvéoles 8 grace aux ressorts constitués par les bandes 12 plaquant ledit crayon sur des points fixes 15 et 16 constitués par des bossages ménagés dans les tôles 4 et 6. La rupture de la gaine est obtenue dans le mode de realisation représenté sur les fig. 1 et 2 grâce à des poinçons tels que 18 et 20 réalisés par emboutissage des portions de tôles 4 et 6 limitant les évidements 10. Ces poinçons 18 et 20 sont placés sensiblement en regard des bossages 15 et 16. On a représenté en traits mixtes l'épaisseur e représentant 1a possibilité de gonflement de l'élément de combustible 2 avant qu'on ait perforation de la gaine par les poinçons 18 et 20. Sur la figure 3, les poinçons tels que 22 et 24 sont placés à- deux sommets opposés de l'alvéole 8 de forme sensiblement carrée. Ces poinçons ont-une longueur telle qu'ils sont en contact avec la gaine de l'élément combustible 2 lorsque celle-ci présente un gonflement donné. Les poinçons 22 et 24 sont obtenus par pliage de deux onglets (26 et 28 pour le poinçon 22), ces onglets étant ménagés dans les tôles 4 et 6, au moment du découpage desdites tôles. Sur la figure 4, on a représenté un autre mode de réalisation des poinçons. Les poinçons 26 et 28 sont également situés à deux sommets opposés de l'alvéole 8. Dans ce mode de réalisation, les tôles 6 et 4 comportent à leur partie supérieure des prolongements tels que 30 et 32 munis d'onglets représentés en pointillés 34. Avant l'assemblage des tôles 4 et 6 pour constituer la grille d'espacement, les onglets 34 sont repliés pour leur donner la position représentée sur la figure. La figure 5 illustre un troisième mode de réalisation des- poinçons par pliage. Les poinçons tels que 35 et 35-' sont placés au milieu de deux côtés consécutifs de l'alvéole 8. Ces poinçons sont placés sur une même verticale que le bossage correspondant. Ils ont bien sûr une longueur un peu supérieure. Sur la figure 6, on a représenté un autre mode de réalisation des poinçons servant à "crever" les gaines apres leur gonflement. Dans cette variante les poinçons ne sont plus solidaires des grilles d'espacement mais ils sont solidaires d'un Blément combustible, les poinçons agissant sur les éléments combustibles voisins. L'élément combustible 2 est muni d'un manchon circulaire 34 entourant ledit élément combustible 2. Ce manchon a un diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur de l'élément combustible. I1 est solidarisé avec l'élément combustible 2 grâce à une pluralité de pattes telles que 36. Ces pattes 36 ont une forme incurvée jouant le rôle de lames flexibles et prenant appui sur la surface extérieure de l'élémeit combustible 2. Le manchon 34 est muni d'une pluralité de poinçons éls que 38 faisant saillie à l'extérieur de ladite bague 34 ;, disposés selon des rayons dudit manchon. Sur la figure on trouve quatre poinçons régulièrement répartis et susceptibles d'agir sur les quatre éléments combustibles voisins de 1 'élément combustible considéré. I1 va de soi que chaque éIément combustible muni de poinçons peut comporter plusieurs manchons tels que 34 répartis sur toute la hauteur de l'élément combustible. Soit on munit chaque élément combustible du dispositif précédemment décrit, et dans ce cas tous les éléments combustibles peuvent être perforés lors du gonflement mais on a un système redondant. Soit on munit seulement certains éléments combustibles d'un tel dispositif. I1 faut noter qu'un des avantages de ce système réside dans le fait qu'on agit directement sur le gonflement de la gaine sans passer par l'intermédiaire dlautres paramètres tels que la température. Ceci confère au système une très grande fiabilité. REVENDICATIONS 1. Procédé de protection d'un assemblage combustible de réacteur nucléaire constitué par une pluralité d'éléments combustibles de forme allongée et recouverts a d'une gaine protectrice, associés entre eux par une structure rigide, caractérisé en ce qu'on provoque la perforation de ladite gaine lorsque celle-ci présente un gonflement supérieur à un seuil donné. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on obtient la perforation d'une gaine en munissant la structure rigide d'ergots jouant le rôle de poinçons et placés de telle façon qu'ils ne pénètrent dans la gaine d'un élément combustible que si celle-ci présente un gonflement supérieur à un seuil donné. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on obtient la perforation d'une gaine en munissait au moins une partie des éléments combustibles d'ergots jouant le rôle de poinçon faisant saillie à l'extérieur dudit élément et placés de telle façon qu'ils perforent la gaine d'un élément combustible immédiatement voisin, seulement si celle-ci présente un gonflement supérieur à un seuil donné. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications i et 2, caractérisé en ce que la structure rigide est constituée par une pluralité de grilles, parallèles entre elles, percées d'orifices réguliè- rement répartis dans lesquels passent les éléments combustibles, chaque orifice étant muni d'au moins un ergot ayant la forme d'un poinçon, ledit ergot étant tel qu'il pénètre dans la gaine de 1 'élément combustible des que le diamètre de la dite gaine dépasse une valeur donnée. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les orifices des grilles sont sensiblement carrés et en ce que chaque orifice est muni de deux ergots placés à deux sommets opposés. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les orifices des grilles sont sensiblement carrés et en ce que chaque orifice est muni de deux ergots placés au milieu de deux côtés consécutifs. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'une pluralité d'elements combustibles est munie dlau moins un ensemble de perforations, chaque ensemble de perforations étant constitué par un manchon entourant I'elément combustible considéré, ledit manchon étant solidaire dudit élément combustible ledit manchon comportant sur sa périphérie extérieure des ergots en forme de poinçon disposés selon des rayons dudit manchon et dirigés vers les éléments combustibles voisins de ltelement combustible considéré, chaque ergot ayant une longueur telle qutil perfore la gaine de l'élément combustible voisin vers lequel il est dirigé lorsqu'elle présente un diamètre supérieur à une valeur donnée.