Brevet FR2225814A1 — publié le 19741108

La présente invention, due à la collaborstion de Messisurs R. BUJAS et n. TSAVERNE du Commissariet à l'Energie Atomique et de Monsieur R. FOREL du Bureau diEtudes diCrsays est relative à une structure de grille, notamment pour cartouche combustible de réacteur rapide à haute température, cvest-à-dire pour réacteur dans lequel la matière combustible se présente habituellement sous la forme de particules réfractaires diun corps fissile ou fertile, le refrvidissement du coeur et l'extraction des calories étant obtenus par la circulation d'un gaz, généralEment de l'hélium, porté à très haute température, de l'ordre de 700 à BOD C, sous une pression élevée d'environ 100 barso Dans le cadre d'un réacteur de ce genreS la solution ia plus simple consisterait à constituer le coeur par un volume de telles particules disposées en vrac dans une enceinte de confinement externe limitée par exemple dans ses fonds inférieur et supérieurS par des grilles dont le maillage serait suffisamment serré pour empêcher ltécoulement de ces particules, tout en autorisant le passage du gaz de refroidissementO Toutefois, une telle solution conduirait à ltexistence de pertes de charge prohibitives sur la pression de ce gaz, surtout pour des dimensions du coeur impor- tantes, dépassant le mètre de hauteur, le gaz circulant vertica liement. Une autre solution déjà connueS consiste alors à réaliser le coeur au moyen d'une charpente métallique de support dans laquelle le matériau combustible se trouve subdivisé en volumes séparés ou non, de plus faibles épaisseurs, facilitant de ce fait la traversée du gaz qui ne rencontre que des pertes de charge plus limitées, puisque proportionnelles à chaque fois à l'épaisseur de combustible traversée. De manière plus particulières on a déjà prévu de réaliser le coeur au moyen d'enceintes séparées, présen- tant chacune une telle structure de support, cette dernière étant elle-même subdivisée en une série de compartments alvéolaires de dimensions limitées dans chacun desquels est engagée une car touche de combustible, analogue dans sa conception générale à une cartouche de filtre, avez une masse déterminée relativement réduite de particules combustibles, enfermée dans un botter clos, celui-ci étant délimité par une virole cylindrique ou, le cas échéant, par un espace annulaire compris entre deux viroles coaxiales, réunies par des grilles transversales ajourées.Le gaz provenant de la région centrale dans la virole interne, après traversée de fentes appropriées ou d'un espace libre séparant deux cartouches successives, pénètre dans celles-ci par les grilles en regard de celles-ci, traverse le combustible des cartouches puis sort de ces dernières par les grilles opposées avant de s' évacuer hors de ltenceinte par des fentes ou espaces prévus dans la virole externe, en suivant ainsi de l'entrée à la sortie un trajet en chicane, l'obligeant à traverser le combustible de chaque cartouche avec une perte de charge totale parfaitement acceptable Dans une réalisation de ce genre, les grilles fermant les cartouches combustibles sont généralement réalisées au moven de plaques de tôles métalliques, à travers lesquelles sont ménagées de multiples perforations de faibles dimensions pour permettre le passage du gaz, en évitant la fuite des particules combustibles des cartouches, ces perforations pouvant etre obtenues par tout procédé classique, notamment par estampage ou emhoutissage avec formation de crevés régulièrement répartis dans l'ensemble de la surface des tôles.Si ce procédé permet dès lors d'obtenir une distribution satisfaisante des ouvertures dans chaque plaque, il introduit un grave inconvénient en ce qu'il provoque une limitation très importante de la résistance mécanique de la toise, à la flexion et au cisaillement Or, dans le cadre plus spécialement envisagé où les cartouches utilisées sont destinées à être mises en oeuvre dans un réacteur nucléaire à haute température, sous une pression de gaz élevée et en outre, sous des flux de neutrons intenses, les déformations inévitables du métal des tôles métalliques constituant les grilles d'extrémités des cartouches et la présence dans ces grilles d'hétérogénéités de température, constituent un inconvénient majeur pour la fabrication de cartouches suffisamment sûres, dans les conditions d'emploi ainsi rappelées. La présente invention concerne une structure de grille pour cartouche combustible de réacteur nucléaire rapide à haute température qui pallie ces inconvénients, grâce à une conception nouvelle où la grille présente à la fois une résistance mécanique élevée avec une épaisseur de métal suffisante et une section de passage du gaz aperésiable, tout en empêchant inversement l'éccu lement des partaules sommustibles cortenues dans la carfocahe A cet effet, la structure considérde se caractérise e ce qu elle est porstituée au moyen d Séléments métalliques allengés, disposésd cété à céte et entretoisés tursellement pour laisser libre entre ex un espace en forme ce fente oe faible épaisseur, les éléments de la grilla étant assemblés entre eux pour réaliser une surface régulièrement ajourée. Selon le cas, as éléments métalliques sont solidarises directement entre aux eu par l'intermédiaire d'erganes de rai dissement s'étendant radielement par resport à bes éléments. En variante, les deux solutions peuvent etc mises en oeuvre simal- tariément Selon un premier mode de réalisation de l'anvention, les éléments métalliques se présentent sous C orme de fi,s à section rectangulaire. disposés parallèlement entre aux Ces fils peuvent être solidarisés les uns des autres pal des soudures mécaniques spacées s'étendant redialement, sensiblement pent perpendiculairement à la direction de ces fils.Bien entendu, il va de soi que l'orier tation relative des fils et de leurs soudures de liaison, par moletage ou autres procédés, peut être quelconque et adaptée à a fnrme de la grille à réaliser, cette dernière pouvant être rectangulaire, carrée, circulaire, annulaire ou autre. Dans une première variante de ce mode de réslisation, ou la grille présente un profil externe circulaire, , les ils sont crientés selon des volutes ou spirales décalées drun fil au suivant de la largeur de la fente ménagée entre ces fils, Dans d'autres variantes, les fils sont orientés selon des cercles concentriques successifs, ou selon une spirale unique continue. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les fils métalliques sont disposés entre deux plaques métalliques parallèles de revenvrement, s'étendant perpendiculairement au champ des fils rectangulaires, ces plaques comportant une pluralité d'orifices pour le passage du gaz à travers les fentes ménagés entre les file. Selon une caractéristique particulière de l'invention, a grille réalisée est montée dans un cadre de support Périphérique, coulé ou usiné, ou bien réalisé par assemblage de pièces élément tares solidarisées par soudure ou autre moyen de fixetion, ce cadre de support comportant les organes de raidissement des éléments ,permettant le mottage de la grille sur une virole ou autre paroi de la cartouche combustible. Dans une autre variante, les éléments métalliques sont constitués par des rubans plats parallèles. Selon une caractéris tique particulière, les rubans peuvent être séparés deux à de par une couche mince d'un matériau apte à s'éliminer après solidarisation des rubans et des organes de raidIssement. p2r traitement chimique approprié pour délimiter les fentes de séps- ration entre ces rubans, De préférence, la grille formée de rubans plats, comporte des alésages ménagés radialement à travers l'épaisseur des rubans pour autoriser le passage du gaz dans ia grille, Selon une autre variante enfin, les éléments compeltant des bossages latéraux, ménagés à intervalles réguliers suivant la longueur de ces éléments pour les entretoiser métuellement. D'autres caractéristiques d'une grille pour cartouche combustible, établie selon l'invention, apparaîtront encore à travers la description qui suit de plusieurs exemples de réalisa tion, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence a dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en demi-coupe jer ticale partielle d'une structure de support pour cartouches combustibles de réacteur nucléaire rapide à haute température, - la Fig, 2 est une vue de détail à plus faible échelle d'un ensemble de structures du genre de celles illustrées sur la Fig, t, associées entre elles dans le coeur d'un réacteur nucléaire - la Fig, 3 est une vue de dessus d'une grille d'extré- mité d'une cartouche combustible établie conformément à l'invention, illustrant deux variantes de réalisation de cette grille9 respéc- tivement représentées sur les parties gauche et droite de la. figure, - la Fig. 4 est une vue en perspective et en coupe partielle d'une structure de support pour cartouches combustibles munies de grilles d'extrémité selon une autre variante de réalisation de l'invention, - ia Fig 5 illustre une ariante oe la Fig 4. - la Fig. 6 illustre une autre sarlante. - la Fig 7 est ans vue de détail à pls grande échelie d'une autre variante de réalisation, - la Fig. a est une vue an p ive partielle dur autre mode de réalisation d'une cartouche combustible selon l'invention Sur la Fig. 1, on a représenté, désignée dans son ensemble Far la référence 1, une structure de support pour cortou- ches combustibles de réacteur nucléaire rapide à haute température Cette structure comporte une virole interne cylindrique 2 et une virole externe 3, coaxiale à la première, ces deux viroles déilmi- tant entre elles un espace annulaIre dans lequel sont disposees des cartouches combustibles de forme annulaire 4, délimitées par deux parois latérales respectivement b et 5 fermées à leurs extré- mités par des fonds 7 et a, parallèles l'an à i autre. ces arted- ches enfermant une masse 9 d'un matériau combustible approprié, se présentant généralement sous la fore de particules ou petites sphères d'un produit réfractaire fissile ou fertile Us montage des cartouches 4 entre les viroles 2 et 3 s effectue par tout moyen de fixation approprié en même temps que les fonds 7 et 8 sont raidis par rapport aux viroles auk moyen de voilles transversaux 10, s'étendant radialement à partir des viroles en étant rendus solidaires des tonds correspondants.Le gaz de refroidrsse ment, destiné à traverser les cartouches contenant la matériau combustible et à extraire, en fonctionnement, les calories dégagées par la fission, s'écoule selon le sens de la flèche il dans j'axe de la virole interne 2 et s:échappe de cette dernière par l'inter médiaire de fentes 12 de manière à venir pénétrer à travers chacune des cartouches 5 selon le sens des flèches 13. an traversant le fond supérieur 7 puis à la sortie de la cartouche en s'échappant de cette dernière selon le sens de la flèche 14 après travers du fond inférieur 8. Grace à ces dispositions, le gaz traverse dans chacune des cartouches une épaisseur relativemenl faible de matériau combustible, avec une perte de charge réduite et au total accaptacie. Sur la Fig. 2, on voit comment dans le coeur d'un réacteur nucléaire rapide à haute température et selon une disposition en elle-même classique, peuvent être disposées plusieurs structures de support du genre de celle illustrée sur la Fig. 1, ces structures partieilement représentées et désignées sous les références 15, 16 et 17, comportant chacune un espace interne 15a, 16a ou 17a réservé à l'admission du gaz de refroidissement, ce dernier après traversée des cartouches portées par les structures se recueillant dans un collecteur extérieur commun 18. Chacune des grilles d'extrémité des cartouches doit dans les conditions d'utilisation du réacteur, présenter une résistance mécanique importante, compte tenu du flux de neutrons intense auquel elle se trouve soumise, de la pression et des températures élevées mises en jeu qui ne sont pas homogènes en tous points. A cet effet et selon l'invention, chaque grille est constituée au moyen d'éléments métalliques séparés, présentant une épaisseur suffisante pour précisément lui conférer les propriétés mécaniques nécessaires sans introduire néanmoins une perte de charge prohibitive. Dans ce but et comme illustré sur la Fig. 3, chaque grille 20 est réalisée au moyen d'un assemblage de fils métalliques 21, généralement en .acier inoxydable ou acier réfractaire, présentant de préférence une section droite rectangulaire, ces fils s'étant dant à travers la surface de la grille selon un trajet déterminé, adapté aux conditions de réalisation et de fonctionnement.Dans la partie gauche de la Fig. 3, les fils 21 sont orientés selon des volutes ou spirales parallèles, partant sensiblement du centre de chacune des grilles et s'étendant vers sa périphérie entre les deux contours circulaires des viroles ou parois de la cartouche qui la délimitent Chaque fil 21 d'une spirale est séparé des fils adjacents par une fente 22, permettant le passage du gaz de refroidissement de la manière explicitée précédemment, la liaison entre l'ensemble des fils dans la grille 20 étant obtenue par des soudures effectuées sur des rai isseurs 23 stetendant sensiblement perpendiculairement aux spirales des fils 21. Par ailleurs, l'entretoisement entre les fils 21 dans les fentes 22 peut hêtre réalisé, simultanément ou non avec la fixation sur les raidisseurs 23, par des bossages 21a réalisés sur les fils 21 avant montage dans la grille par tout procédé mécanique approprié, notamment par estampage ou autre ia partIe droite de ia même Fig. 3 se réfère à une autre variante où les fils 25 de la grille 24 sont séparés par des fentes 26 et s'étendent à travers le grille 24, selon des cercles, les raidisseurs 27 présentant une orientation sensiblement radiale Les fils 25 peuvent également comporter des bossages 25o d'entretoisement. Dans la variante illustrée sur la Fig. 4, la structure de support représentée, comporte à nouveau deux viroles coaxiales - et 31 pour le montage des cartouches 32 contenant le matériau combustible, chacune de ces cartouches étant délimitée par des fonds 33, supportés par des cornières 34 et 35 fixées contre les surfaces en regard des deux viroles Chacun de ces fonds 33 est réalisé, selon l'invention, au moyen de fils métalliques 36, présentant une section sensiblement rectangulaire et séparés par des fentes 37, ces fils étant immobilisés les uns par rapport aux autres en position par entretoisement, comme dans l'exemple précédent.De plus ces fils sont montes entre deux plaques de recouvrement parallèles 38 et 39, présentant chacune de larges ouvertures 40, régulièrement réparties à travers la surface de ces plaques, ce qui améliore la tenue mécanique de ensemble de la grille ainsi constituée sans limiter la circulation du gaz dans les cartouches. Dans une autre variante illustrée sur la Fig. 5, on retrouve une structure de support formée de deux viroles 50 cet 51 pour le montage des cartouches 52 fermées par des grilles d'extrémité 53, ces dernières étant constituées, selon un mode de mise en oeuvre particulier de l'inventions par l'assemblage de rubans plats 54, séparés par des espaces 55, ces rubans étant eux-mêmes montés entre des plaques de recouvrement 56 et 57 comportant, comme dans l'exemple précédent, des ouvertures de passage 58. Avantageusement, les ruban 54 comportent depuis l'intérieur de la virole 50, des alésages radiaux 59, ménagés dans l'épaisseur de ces rubans et facilitant le cheminement du gaz. Avantageusement et selon un mode de réalisation particulier, les rubans 54 sont réalisés par colaminage avec des plaquettes de faible épaisseur O un matériau tel que de l'aiuminium, ces rubans étant ensuite soumis, après montage entre les plaques de recouvrement 56 et 57, sur lesquels ces rubans sont préalablement soudés, à un traitement chimique, par exemple à l'acide nitrique,-qui dissout l'aluminium et réalise entre ces rubans les espaces 55 nécessaires à la traversée des grilles par le gaz pénétrant dans les cartouches. Dans une autre variante, illustrée sur la Fig. 6, les viroles 60 et 61 de la structure de support des cartouches combustibles comportent des grilles d'extrémité 62 formées, comme dans les précédents exemples, au moyen de fils ou rubans 63, délimitant entre eux des fentes de passage 64, ces grilles étant supportées par un cadre porteur 65, obtenu par moulage ou usinage et comportant une couronna périphérique 66 et des bras radiaux 67 assurant à l'ensemble une rigidité appréciable. Dans le cas de la Fig. 7, le cadre porteur 7B des rubans 71 est agencé de telle sorte qu'entre chacun des bras radiaux 72 du cadre les rubans présentent une certaine flèche, améliorant encore la résistance mécanique vis-a-vis des effets du gaz à la traversée de la grille. Enfin dans la variante représentée sur la Fig. 8, la cartouche est constituée par deux ensembles 80 et 81 cylindriques, allongés et coaxiaux, formés chacun par énroulement d'un fil 82, chaque tour de fil délimitant avec les fils voisins une fente 83; la structure ainsi réalisée étant raidie intérieurement par des tiges parallèles 84 régulièrement réparties- sur la périphérie du cylindre. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas aux exemples plus spécialement décrits et représentés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIOn 1 . Structure de gril e pour cartouche combustible notamment pour réacteur rapide à hante température2 caractérisée en ce qu'elle est constituée au moyen d'éléments métalliques allongés, disposés cote à cote et entretoisés mutuellement pour laisser libre entre eux un espace en forte de fente de faible épais- seur, les éléments de la grille etant assemblés entre eux pour réaliser une surface régulièrement ajourée 2. Structure de grille pour cartouche combustible selon la revendication 1 , caractérisea an ce que les éiéments métalliques sont solidarisés directement entre eux et/ou par 12 intermédiaire d'organes de raidissement s7étendant radialement par rapport à ces éléments. 3. Structure de grille selon la revendication 1 , cerec térisée en ce que les éléments métalliques se présentent sous la forme de fils à section rectangaleire, , disposés parallèlement entre eux. 4. Structure de grille selon la revendication 3, carac tériséeén ce que les fils sont solidarisés les uns des autres par des soudures mécaniques espacées s'étendant radialement, sensible ment perpendiculairement à la direction de ces fils. 5. Structure de grille selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fils sont orientés selon des spirales décalées d'un fil au suivant de la largeur de la fente ménagée entre ces fils. 6. Structure de grille selon la revendication 3, carat térisée en ce que les fils sont orientés selon des cercles concentriques successifs, ou selon une spirale unique continua. 7. Structure de grille selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fils métalliques sont disposés entre deux plaques métalliques parallèles de recouvrement2 s , étendant perpendiculairement au camp des fils rectangulaires, ces plaques comportant une pluralité d'orifices pour le passage du gaz à travers les fentes ménagées entre les fils 8. Structure de grille selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle est montée dans un cadre de support périphérique, coulé ou usine, ou réalisé par assemblage de pièces élémentaires solidarisées par soudure ou autre moyen de fixation 9 ce cadre comportant les organes de raidissement des éléments. 9. Structure de grille selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les éléments métalliques sont constitués par des rubans plats parallèles. 10. Structure de grille selon la revendication 9, caractérisée en ce que les rubans sont séparés deux à deux par une couche mince d'un matériau apte à s'éliminer après solidarisation des rubans et des organes de raidissement,par un traitement chimique approprié pour délimiter les fentes de séparation entre ces élé- ments. 11. Structure de grille selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'telle comporte des alésages ménagés radialement à travers ltépaisseur des rubans. 12. Structure de grille selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments comportent des bossages latéraux, ménagés à intervalles réguliers suivant la longueur de ces éléments pour les entretoiser mutuellement.