Brevet FR2233258A1 — publié le 19750110

La présente invention concerne d'une façon générale une machine pour empiler des pastilles cylindriques et plus particulièrement pour empiler des pastilles de combustible nucléaire devant etre chargées dans des éléments ou des barreaux combustibles pour un réacteur nucléaire. - Le cotir prodsisant de la chaleur d'un réacteur nucléaire d'un type connu comporte des enCse,,,hIes multiples de combustible ayant un total d'environ 21 000 barseaux comesstibles. Chaque barreau combustible contient 240 pastilles de cDmbusts le utilisé pour engendrer de la chaleur pendant le processus de fission dans le réacteur. I1 apparait ainsi que plus de cinq millions de pastilles doivent être chargées dans les barreaux combustibles pendant la fabrication.Q 1leqle-soit la dimension du réacteur, le travail pour charger les barreaux aver une quantité aussi considérables de pastilles constitue un facteur important du prix et du temps de construction nécessaires pour construire un réacteur complet. Par les procédés actuels, les pastilles sont introduites manuellement dans les gaines des barreaux combustibles en utilisant différentes formes de postes et de tables qui supportent les barreaux dans des positions fixes prédéterminées par rapport à un plateau contenant environ 25 colonnes de pastilles de combustible. Chaque colonne est alignée avec précision axialement sur une extrémité ouverte du barreau correspondant et I'opérateur pousse ensuite manuellement 4 ou 5 colonnes de pastilles simultanéseut dans les barreaux prêts jusqu'à ce que le plateau soit vide. Le plateau est ensuite remplacé par un nouveau plateau de pastilles et l'opération est répétée environ cinq fois jusqu a ce que chaque barreau soit plein.Des bouchons sont ensuite soudés aux deux extrémités de chaque barreau pour retenir les pastilles. Le principal inconvénient de ce procédé est le manque de rendement inhérent et le prix du travail important qui résulte de l'effort pour l'introduction manuellement des pastilles de combustible. Les pastilles ainsi que les barreaux sont fabriquées avec des tolérances rigoureuses ce qui nécessite que Les colonnes de pastilles soient alignées avec précision à la fois dans Les plans X et Y de chaque barreau pendant l'opération d'introduction. En cas dili défaut d'alignement, l'opération complète doit être arrêtée jusqu'à ce que le défaut soit corrigé.Le mauvais rendement est particulièrement évident quand les pastilles basculent et que par suite elles se coincent dans l'alésage du barreau pendant l'introduction. Dans ce cas l'eperateur ne peut pas exercer une force suffisante sur l'extrémité de la colonne de pastilles pour supprimer le coincement et permettre une introduction supplémentaire. Pour supprimer le coincement, le- barreau doit être élevé et être vibré manuellement avec un maillet ou d'une façon équivalente pour desserrer les pastilles afin de les décoincer. Quand les pastilles ont été rendues libres le barreau doit être replacé dans la rainure appropriée et le plateau doit être remis en place pour continuer le chargement.Comme toutes les opérations de chargement doivent être commandées manuellement, le temps nécessaire pour remplir par exemple 20 000 barreaux pour un réacteur se traduit par un prix de revient du travail disproportionnellement élevé par rapport aux autres frais du cycle de fabrication. Une innovation récente, décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0262 377 du 13 juin 1972 concerne un dispositif rendant mécanique une partie appréciable de la fabrication des barreaux combustibles. La machine comporte un ratelier incliné monté sur une base et ayant des rainures parallèles espacées à sa surface supérieure pour supporter les barreaux combustible. Un plateau de pastille-s de combustible est adapté pour être placé sur une table espacée du atelier, et il est prévu pour porter des colonnes de pastilles de combustible dans l'alignement des extrémités ouvertes des gaines des barreaux combustibles placées dans les rainures des rateliers. Une plaque de transition est montée entre le ratelier à barreaux et le plateau à pastilles pour recevoir et guider les pastilles vers les extrémités ouvertes des barreaux. Les pastilles sont poussées dans les gaines par un certain nombre de doigts mécaniques montés sur un bloc actionné par un moteur et qui est déplacé le long du plateau à pastilles par une vis d'entratnement entrainée par le moteur, Pour faciliter le mouvement des pastilles dans les barreaux, le ratelier est monté sur un certain nombre -de vibrateurs espacés qui font vibrer les barreaux pendant l'introduction des pastilles. Un dispositif détecteur de pastilles, mobile dans une extrémité de chaque barreau,indique à un opérateur à quel moment chaque barreau a été chargé du nombre correct de pastilles. Bien que la machine considérée ci-dessus ait fait progresser appréciablement la fabrication des barreaux combustibles pour réacteurs nucléaires, ii subsiste le besoin de rendre mécanique la mise en place des pastilles de façon à obtenir un remplissage étroit et en même temps à éliminer toute poussière ou corps étranger de la surface des pastilles. Cela est particulièrement important dans la fabrication du combustible surgénérateur à neutrons rapides pour les réacteurs récents dans lesquels est utilisé un combustible en oxydes mélangés hautement radioactif qui nécessite un minimum d'exposition du personnel. L'invention a pour objet une machine supprimant les incon- vénients des techniques antérieures et comportant un dispositif empileur de pastilles cylindriques comportant une paire d'arbres cylindriques longs rotatifs espacés commandés individuellement pour tourner autour de leurs axes longitudinaux. L'espace compris entre les arbres est calibre pour définir un chemin longitudinal ayant les dimensions voulues pour supporter et positionner la surface cylindrique des pastilles et pour guider le déplacement des pastilles le long de ce chemin ou piste. Un dispositif envoie les pastilles en colonne sur la piste de façon que l'axe de la colonne cylindrique de pastilles soit pratiquement parallèle àla longueur de la piste afin que les pastilles avancent Te long de la piste avec une formation en colonne. Suivant un mode de réalisation plus particulier, la piste est supportée inclinée en s'éloignant du distributeur de pastilles suivant un angle par rapport à l'horizontale pour permettre à une composante de la pesanteur d'aider aù mouvement des pastilles . Les pastilles sont empilées contre une barrière amovible le long de la piste à une distance prédéterminée du distributeur pour aider au tassement de la colonne La barrière peut être déplacée pour permettre un mouvement supplémentaire de la colonne quand la longueur voulue est atteinte. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulierement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels ; - la figure 1 est une vue en perspective du dispositif d'empilage des pastilles selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une vue en élévation latérale d'une machine selon un mode de mise en oeuvre de 1'invention, - la figure 3 est une coupe suivant une ligne III-III de la figure 2, - la figure est une vue en plan et partiellement en coupe du dispositif de La figure 3, - la figure 5 est une vue en élévation à plus grande échelle d'une partie de la machine de la figure 2, - la figure 6 est une vue en plan de -la partie représentée sur la figure 5, - la figure 7 est une vue en élévation d'une autre partie de la machine de la figure 2, - - la figure 8 est ùne vue en plan de la partie représentée sur la figure 2. - la figure 9 est une coupe suivant la ligne IX-IX de la figure 7, - la figure 10 est une coupe suivant la ligne X-X de la figure 5, et - la figure 11 représente schématiquement une variante du mécanisme d'entrainement des arbres de la machine de la figure 1. La figure 1 représente en perspective un dispositif d'empilage 10 pour des pastilles cylindriques,pour empiler et tasser étroitement un certain nombre de pastilles disposées les unes à la suite des autres en colonne. La machine selon l'invention comporte d'une façon générale deux arbres cylindriques longs espacés et entraînés en rotation pour que les arbres tournent autour de leurs axes, l'-entraÊnement étant assuré par un ensemble à moteur et engrenages 32. Suivant le mode de réalisation représenté, l'ensemble à engrenages est combiné pour provoquer la rotation des arbres dans des sens inverses, bien que comme il est expliqué ci-après la vitesse et les sens de rotation ainsi que les diamètres des arbres puissent être choisis pour chaque application particulière.La piste longitudinale 14,formée par l'espace compris entre les arbres 12, a des dimensions convenables pour positionner et supporter la surface cylindrique des pastilles 16 qui doivent être empilées, de façon à permettre le déplacement des pastilles le long de la piste avec une formation en colonne. -Un distributeur de pastilles représenté par up conduit 26 est supporté dans l'alignement d'une extrémité de la piste 14 et il est positionné pour envoyer les pastilles de façon qu'elles soient pratiquement parallèles aux axes des arbres 12.Suivant cet exemple, l'ensemble des arbres est maintenu incliné d'un certain angle par rapport à l'horizontale pour que la pesanteur aide au mouvement de pastilles le long de la-piste a partirdudistrbuteur La p;P V se termine par une butée 24 qui forme une barrière mécanique sur le trajet des pastilles. Par suite, des pastilles arrivent du distributeur à travers le conduit 26 vers la piste 14 qui guide les pastilles qui se -déplacent en étant aidées par le mouvement de-rotation des arbres et par la composante de la pesanteur résultant de l'inclinaison de la piste Le déplacement des pastilles est arrêté contre la butée mécanique 24 pendant que la rotation des pastilles continue ce qui forme une série de pastilles étroitement resserrées en colonne derrière la butée. La machine selon le mode de mise en oeuvre préféré représenté sur la figure 2 permet d'adapter le dispositif d'empilage de pastilles décrit ci-dessus pour le remplissage des barreaux combustibles devant être utilisés dans des réacteurs nucléaires. Les axes de ces arbres sont parallèles et les extrémités des arbres sont supportées par des paliers 44 et 46. La rotation dans des sens inverses résulte du système d'engrenages 34 monté aux extrémités supérieures des arbres de la façon représentée sur les figuresl et 5. L'engrenege de l'un des arbres est entraîné par un engrenage 36 qui fait partie ingégrante du mécanisme à moteur et engrenages désigné d'une façon générale par la référence 32.La rotation du moteur à vitesse variable 42 est transmise à 900 par dispositif à vis sans fin contenu dans un réducteur 38 qui constitue le dispositif d'entraînement pour l'engrenage 36. L'ensemble des engrenages et des paliers supérieurs est enfermé dans une boite 46 montée sur une table 48 supportée par un support en équerre 50. Les extrémités inférieures des arbres sont supportées de façon similaire par un support 52. La table 48.est maintenue inclinée par des pieds 22 et 20. Suivant ce mode de réalisation, le support 20 est fixé en un point d'articulation 54 pour permettre de régler l'inclinaison de la table par rotation d'une came 56 faisant partie du support 22.La rotation de la came en utilisant le levier 58 modifie ainsi l'angle d'inclinaison de la table et par suite la composante de la pesanteur aidant au mouvement des pastilles le long de la piste 14. Les pastilles sont envoyées sur la piste formée par les arbres par un mécanisme d'alimentation Syntron 18 connu qui comporte un bol vibrant 27 qui constitue le réservoir à pastilles. Le mouvement de vibration orbital du bol refoule les pastilles vers le pourtour du bol et provoque le passage des pastilles efficacement jusqu'à la piste à travers le conduit 26. Les pastilles sont distribuées au bol 27 par un compteur 28 qui fournit le nombre voulu de pastilles pour former une colonne. L'ensemble du distributeur est monté sur un support 60 qui est fixé dans l'alignement longitudinal de l'extrémité supérieure de la table 48. Une barre de maintien vers le bas 62 est placée au-dessus de la piste 14 pour une partie substantielle du trajet de circulation des pastilles La barre de maintien 62 est montée sur un fer cornière 64 qui est fixé par des bras 68 à un arbre tournant 66 de la façon montrée en plan sur les figures 6 et 8 et en coupe sur la figure 10. L'arbre 66 est monté sur deux pieds 72 et 74 montés sur la table 40. Quand la barre de maintien 62 est en position inférieure elle est supportée juste au-dessus de la piste et sert à empêcher le mouvement vertical des pastilles qui autrement pourraient provoquer le flambage de la colonne. Un levier à main 70 permet de faire pivoter la barre de maintien autour de l'axe de son arbre 66 pour permettre l'accès à la colonne de pastilles pour l'inspection. Un second arbre 76 aligné sur l'arbre de maintien 66 est supporté pour pouvoir tourner sur le support intérieur 72 de la façon représentée sur les figures 7, 8 et 9. Un support en équerre 78 servant à supporter la butée mécanique 24 est fixée à l'arbre 73 et quand ce support est en position inférieure-il empêche tout mouvement supplémentaire des pastilles le long de la piste 14, la butée constituant le point de référence pour régler la longueur de la colonne de la façon décrite ci-après. Comme le montre la figure 9, la butée 24 peut être basculée pour être sortie du trajet des pastilles afin de permettre le déplacement de la colonne le long de la piste 14. A l'extrémité supérieure de l'arbre de maintien 66 est monté un second arbre 80 monté sur le support supérieur 74 et l'arbre 80 porte un bras 84 et un indicateur à cadran 82 (figures 5 et 6). Quand l'indicateur à cadran 82 est en position inférieure il est maintenu au-dessus de la piste 14 et il comporte une lame s'étendant vers le bas 86 pouvant être placée derrière la colonne de pastilles comme le montre la figure 2. L'indicateur à cadran 82 est mobile dans la direction longitudinale sur un rail fixe 88, et dans l'alignement de l'axe de la piste 14. Par suite, quand l'arbre 80 de l'indicateur à cadran est tourné pour placer la lame indicatrice 86 juste au-dessus de la piste 14, l'indicateur 82 peut être déplacé le long du rail 88 pour appliquer la lame 86 fermement contre L'extrémité arrière de la colonne de pastilles. Le déplacement de l'indicateur 82 le long du rail 88 est étalonné sur la face du cadran pour donner une mesure de la longueur exacte de la colonne de pastilles. Pendant le processus d'empilage, l'indicateur est écarté du trajet des pastilles pour ouvrir le passage. -Un second rail 90 est supporté en dessous de la piste 14 par les pieds 72 et 74, ce rail s'étendant longitudinalement dans la direction des axes des arbres 12 à peu près sur la-longueur des arbres. Un curseur 92 est monté sur le rail 90 et comporte un poussoir mécanique 94 monté sur un-arbre 93. L'arbre 93 comporte un bouton 96 permettant de faire pivoter le poussoir jusqu'à une position dans laquelle il se trouve entre les arbres sur le trajet des pastilles de la façon représentée sur les figures 2, 3, 4 et 10. Pendant le fonctionnement le poussoir est normalement maintenu hors du trajet des pastilles pour permettre le mouvement de celles-ci. Quand cela est désiré, le curseur 92 est déplacé le long de son axe en étant stabilisé par des galets de guidage 91 jusqu'à la partie arrière de la colonne de pastilles. Le poussoir peut ensuite être basculé pour qu'il se trouve dans le trajet des pastilles et être ensuite appuyé contre la dernière pastille de la colonne pour servir comme poussoir mécanique pour aider au mouvement de la colonne.Le déplacement longitudinal du poussoir est effectué en utilisant un bras de commande 95 dépassant latéralement du curseur 90. Avec la construction décrite ci-dessus, la colonne de pastilles est formée en distribuant d'abord une quantité prédéterminée de pastilles à partir du compteur 28 au dispositif d'alimentation 18. Si désiré, un dispositif d'alimentation vibrant et une balance électronique peuvent être utilisées pour remplacer le compteur 28. Le dispositif d'alimentation Syntron aligne les pastilles et l-es envoie à travers le conduit 26 sur les arbres parallèles 12 tournànt dans des sens inverses et entraînés par le moteur à vitesse variable 40. La pente des arbres à partir du dispositif d'alimentation est approximativement de 100 Les pastilles descendent ainsi le long des arbres et s'empilent contre la butée amovible 24 située à ltextrémité opposée des arbres. Quand la colonne complète est formée, la rotation des arbres est arretée et l'appareil empileur est ramené à la position horizontale en élevant l'extrémité avant au moyen du mécanisme à came -56. La colonne de pastilles est ainsi placée dans l'alignement d'un entonnoir de chargement 96 fixé au tube 98 constituant la gaine du barreau combustible.Les pastilles sont insp,ectées, le cadran indicateur 82 est tourné pour être sorti du trajet de la colonne, des pastilles d'isolement sont ajoutées à chaquè extrémité de la colonne, et la colonne est poussée dans la gaine 98 à travers l'entonnoir 96, en utilisant le poussoir 94. La barre de maintien 62 est positionnée juste au-dessus de la colonne de pastilles pendant que celle-ci est poussée à travers ltentonnoir 96 pour éviter le flambage de la colonne de pastilles, et les arbres sont en même temps tournés pour réduire les frottements.Quand la colonne de pastilles 9 été introduite, l'extrémité avant de la machine d'empilage est abaissée pour dégager l'entrée de la gaine du barreau combustible pour permettre l'introduction dans la gaine d'une sonde pour vérifier le positionnement correct dé la colonne de pastilles de combustible dans la gaine. Bien qu'une machine complète de chargement de combustible ait été décrite ci-dessus > il est facile de voir que l'appareil d'empilage peut être utilisé avec une machine de chargement mécanique du type detcrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0262 377 précitée et peut servir à remplacer le plateau à pastilles de cette machine. Une machine selon l'invention réduit ainsi de façon appréciable l'exposition du personnel aux radiations en rendant les opérations d'empilage des pastilles complètement mécanique. De plus le temps nécessaire pour empiler les pastilles et introduire une colonne de pastilles de combustible est réduit d'environ 65%. La rotation de pastilles par l'appareil empileur tend à éliminer les particules et la poussière qui tombe entre les arbres, de sorte que le-risque d'introduction de corps étrangers indésirables dans les gaines des barreaux combustibles est appréciablement réduit. De plus, les arbres tournant en faisant rouler les pastilles appliquent les pastilles les unes contre les autres de la façon la plus compacte de sorte qu'une colonne serrée sans jeux entre les pastilles est obtenue.Les sens de rotation, les diamètres et les vitesses des arbres peuvent etre choisis pour permettre l'empilage de la plupart des pièces à surface cylindrique. Dans le cas d'un combustible nucléaire il est désirable de provoquer la rotation des arbres dans des sens inverses de façon à provoquer un vecteur de force vers le haut sur les pastilles-. Le mouvement ascendant des surfaces des arbres de-part et d'autre de la piste 14 sert à maintenir les pastilles à l'état flottant au-dessus de la piste et tend à réduire les frottements le long du trajet formé par la piste. Cependant il doit être compris que le sens et l'amplitude de la force exercée sur les pastilles par les arbres peuvent être modifiés pour répondre à peu près à n'importe quelle application.Par exemple, les-arbres 12 peuvent avoir des diamètres différents et autre entraînés par une courroie commune 100 et un système de poulies 102 de la façon représentée sur la figure 1 pour que les arbres tournent dans le même sens à des vitesses périphériques différentes. En variante, la rotation dans des sens inverses peut etre provoquée de façon à établir un vecteur de force vers le bas sur les pastilles pour maintenir les pastilles fermement appliquées dans la piste 14. D'autres dispositions peuvent être obtenues avec des combinaisons différentes pour répondre à n'importe quelle condition désirée. I1 doit par suite être compris que n'importe quels objets cylindriques peuvent être utilisés et que le terme "pastille" est utilisé-pour englober n'importe quel objet ayant au moins une partie cylindrique longue. Bien entendu la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIOsS I. Machine pour empiler des pastilles cylindriques sous la forme d'une colonne, caractérisée par deux arbres cylindriques longs espacés et entraînés en rotation individuellement pour tourner autour de leurs axes longitudinaux, un espace entre les arbres pour former une piste longitudinale ayant les dimensions voulues pour supporter la surface cylindrique des pastilles, et un dispositif pour envoyer les pastilles sur la piste pour former une colonne de pastilles se suivant, l'axe de la colonne cylindrique de pastilles étant pratiquement parallèle à l'axe de la paire d'arbres de façon que les pastilles avancent longitudinalement le long de la piste sous la forme d'une colonne. 2. Machine selon la revendication 1 caractérisée par un dispositif pour bloquer le mouvement longitudinal des pastilles en un point prédéterminé le long de la piste. 3. Machine selon la revendication 2, caractérisde en ce que le dispositif de blocage forme une butée empêchant dans la position prédéterminée le mouvement des pastilles le long de la piste, le dispositif de blocage pouvant être écarté du trajet des pastilles pour permettre un mouvement supplémentaire des pastilles le long de la piste. 4. Machine selon ltune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par un dispositif pour supporter les arbres de façon que leurs axes soient inclinés par rapport à l'horizontale afin que l'action de la pesanteur aide le mouvement des pastilles longitudinalement le long de la piste. 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif supportant les arbres peut être réglé pour modifier l'angle d'inclinaison des axes longitudinaux des arbres. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par un dispositif pour mesurer la longueur de la colonne de pastilles se trouvant le long de la piste. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le dispositif d'alimentation en pastilles est commandé pour envoyer une quantité prédéterminée de pastilles sur la piste. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par un dispositif pour guider les pastilles dans la piste pour empêcher le flambage de la colonne des pastilles pendant le mouvement des pastilles le long de la piste. 9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de guidage comporte un élément formant un écran long de maintien vers le bas supporté longitudinalement le long de la piste au-dessus de la colonne de pastilles et positionné pour empêcher un déplacement vertical appréciable des pastilles individuelles par rapport à l'axe de la colonne. 10. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par un poussoir mécanique normalement placé hors du trajet des pastilles le long de la piste et pouvant être placé sur le trajet des pastilles entre le dispositif d'alimentation en pastilles et la colonne de pastilles pour être déplacé longitudinalement le long de la piste dans le sens du mouvement des pastilles pour pousser les pastilles le long de la piste. 11. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée par un élément tubulaire cylindrique long formant une gaine ayant un diamètre intérieur adapté pour recevoir les pastilles, cette gaine étant positionnée en alignement longitudinal avec la piste en aval de la colonne de pastilles, et un dispositif pour pousser la colonne de pastilles vers l'intérieur de la gaine. 12. Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle est destinée à charger des pastilles de combustible dans des gaines de barreaux combustibles devant entre utilisés dans un r8acteur nucléaire, les pastilles étant fabriquées en matière fissile et la gaine ayant les dimensions voulues pour recevoir les pastilles à travers l'ouverture de ltextrémité de la gaine pour former une colonne de pastilles disposées les unes à la suite des autres en étant étroitement empilées. 13. Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'une entrée en entonnoir est fixée à l'extrémité d'entrée de la gaine entre la piste et la gaine, cet-entonnoir ayant une ouverture plus grande que les pastilles pour diriger les pastilles vers l'intérieur de la gaine. 14. Machine selon l'une quelconque des revendications 1- à 13, caractérisée en ce que les arbres sont entraînés pour qu'ils tournent dans des sens opposés l'un par rapport à l'autre. 15. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les arbres sont entraînés pour qu'ils tournent dans le même sens. 16. Machine selon llune quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que les arbres ont des diametres différents. li. Machine selon l'une queltonque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que les arbres sont entraidés en rotation à deux vitesses périphériques différentes. 18. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que les arbres sont parallèles l'un à l'autre.