Brevet FR2218619A1 — publié le 19740913

La présente invention est relative à un faisceau d'aiguilles de combustible pour réacteur nucléaire de puissance élevée, notamment pour réacteur à neutrons rapides où le refroidissement du coeur s'effectue par la circulation d'un métal fondu, habituellement du sodium, ce coeur étant constitué par la juxtaposition d'assemblages combustibles, formés chacun par un boîtier ou une enveloppe de section polygonale, ouverte à son extrémité supérieure et présentant à son extrémité inférieure un pied de positionnement de l'assemblage, maintenu verticalement dans un sommier ou grille de support; chaque boîtier contient un faisceau d'aiguilles gainées de forme allongée, enfermant les matériaux fissile et fertile nécessaires au fonctionnement du réacteur.Ces aiguilles sont normalement disposées selon un réseau régulier, en général hexagonal, l'écartement des aiguilles dans chaque faisceau étant réalisé par un fil de section constante formant entretoise, enroulé en hélice à grand pas sur la surface externe de la gaine de chaque aiguille et venant porter contre les aiguilles voisines. Dans les solutions connues de ce genre, les fils entretoises délimitent entre les aiguilles du faisceau d'une part et entre ces aiguilles et la paroi du boîtier de l'assemblage d'autre part, des canaux de faible section, réservés à la circulation du sodium de refroidissement. Or, certains problèmes se posent, surtout lorsque les aiguilles de combustible sont destinées à être utilisées avec des taux de combustion très élevés, de l'ordre de 100.000 MWJ/T, dûs à l'apparition d'un gonflement notable de ces aiguilles et en particulier de leur matériau de gainage, généralement constitué par de acier. I1 en résulte une diminution de la section utile des canaux d'écoulement du sodium entre les aiguilles, associée à un écrasement de celles-ci ce qui peut conduire, par suite soit du défaut de refroidissement qui en découle, soit d'un comportement anormal du combustible dans des gaines ovalisées, à des ruptures de ces gaines,susceptibles d'entraîner elles-mêmes des accidents plus graves. La présente invention a pour objet un faisceau d'aiguilles de combustible qui permet de tolérer mieux que les faisceaux actuellement connus, les effets des phénomènes de gonflement de la gaine de ces aiguilles, tout en assurant un écartement convenable entre chaque aiguille et celles qui l'entourent dans lé faisceau de chaque assemblage. A cet effet, le faisceau d'aiguilles considéré comportant sur chaque aiguille un organe d'entretoisement externe enroulé én hélice à grand pas sur la surface externe de l'aiguille et solidarisé de bouchons fermant les extrémités de cette aiguille, se caractérise en ce que cet organe est constitué par un fil métallique, présentant dans ses parties d'extrémité un diamètre plus important que dans sa partie intermédiaire. Les aiguilles combustibles du genre en question sont généralement formées par un empilage interne de pastilles en matériaux fissile et/ou fertile; avantageusement cet empilage est agencé de façon telle que la partie centrale de chaque aiguille contienne la matière fissile, tandis que les parties supérieure et inférieure enferment la matière fertile, cette dernière étant en fonctionnement soumise à un flux de neutrons moins intense et présentant un effet de gonflement moins accentué-. Les dispositions de l'invention permettent dès lors de maintenir le contact initial entre aiguilles voisines aux extrémités de celles-ci, dans les zones où les fils entretoises présentent le plus grand diamètre et de laisser libre et sans contact entre les fils, les zones intermédiaires, créant entre ces fils un jeu permettant d'accomoder le gonflement des aiguilles. De préférence, le fil métallique ést gainé à ses extrémités par un élément de tube externe. En variante, le fil métallique présente dans sa partie intermédiaire un diamètre limité par étirage préalable. D'autres caractéristiques d'un faisceau d'aiguilles de combustible pour réacteur nucléaire établi conformément a l'invention, apparaîtront encore a travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence à la figure unique du dessin annexé qui illustre schématiquement une vue en coupe partielle et en élévation d'un assemblage combustible comportant un tel faisceau d'aiguilles. Comme on le voit sur cette figure, l'assemblage représenté comporte principalement un boîtier métallique externe vertical, à l'intérieur duquel sont disposées des aiguilles combustibles 2 revêtues d'un gainage en acier inoxydable type 316, d'un diamètre extérieur de 8,65mm, réparties dans ce boîtier en un faisceau formant un réseau hexagonal régulier.Chaque aiguille 2 se présente sous la forme d'un élément cylindrique .allongé,- dont la gaine métallique enferme le matériau combustible proprement dit, constitué, comme il est classique dans les aiguilles de ce genre adaptées à être utilisées dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides, par un empilage de pastilles (non représentées) en matériaux fertile et fissile, le matériau fertile étant disposé dans les parties supérieure et inférieure de l'aiguille et le matériau fissile dans sa partie centrale. la gaine 2 est fermée à ses extrémités par des bouchons 3 et 4, également en acier inoxydable 316, les aiguilles étant enfilées par l'intermédiaire de leur bouchon inférieur 3 sur des rails verticaux 5. Conformément à l'invention, l'écartement entre les aiguilles 2 dans le faisceau d ! aiguilles du boîtier 1 est réalisé par un organe d'entretoisement 6, comportant un fil métallique 7, en acier inoxydable 316, enroulé en hélice à grand pas, par exemple 200mm, sur la surface externe de chaque aiguille, ce fil étant recouvert à ses extrémités et sur une partie de sa longueur par un tube métallique 8, également en acier inoxydable 316, de diamètre extérieur notablement plus important que le fil. Par exemple, pour un fil 7 ayant un diamètre externe de 0,95mm, on choisira un tube 8 ayant un diamètre externe de 1,40mm avec un diamètre interne de 0,98mm.Avantageusement, le fil 7 sans tube externe 8 s'détend sur une hauteur de deux à trois pas qui correspond approximativement-à une partie de la zone fissile comprenant les régions centrale et haute de ladite zone, ces régions étant soumises du fait de l'irradiation à une augmentation diamétrale importante. De part et d'autre de cette partie de la zone fissile, le fil 7 est recouvert d'une portion de tube 8 qui stétend jusqu'à chaque extrémité de l'aiguille. L'organe d'entretoisement 6 ainsi constitué est ensuite immobilisé par- rapport à la gaine de chaque aiguille 2 au niveau des bouchons d'extrémité 3 et 4 par tout-procédé connu, tel que encastrement d'une tête matricée ou électrofondue, sertissage ou soudure. En particulier et comme représenté sur le dessin, le fil 7 peut présenter en bout une tête 9, matricée ou électrofondue, engagée dans un logement 10 prévu dans le bouchon supérieur, l'immobilisation du fil étant réalisée sur le bouchon inférieur par sertissage ou par soudure, suivant les dispositions décrites dans la demande: brevet français nO 69 20 597 du 19 juin 1969 au nom du Commissariat à llEnergie Atomique pour procédé de mise en place d'un fil sur un élément combustible cylindrique suivant un tracé hélicoldal". On assure ainsi un écartement initia' donné'entre les aiguilles 2 du faisceau contenu dans le boîtier 1 de 1!assemblage, grâce au tube 8 entourant le fil 7, cet écartement étant fixé aux niveaux des extrémités des aiguilles, tandis que dans la partie centrale contenant la matière fissile, on laisse libre entre ces mêmes aiguilles un jeu suffisant pour autoriser le gonflement de leur gaine sous irradiation, dans une région où celui-ci est le plus intense.Par ailleurs, on peut envisager d'associer dans un assemblage combustible le faisceau d'aiguilles conforme à la présente invention avec des dispositions destinées à réduire la section des sous-canaux périphériques en munissant le boîtier de l'assemblage soit de renflements longitudinaux internes, du genre de ceux envisagés dans la demande du premier certificat d'addition nO EN 70 41793 du 20 novembre 1970 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique pour "Assemblage de combustible nucléaire", soit d'évidements tels que décrits dans la demande d brevet français nO EN 71 21780 du 16 juin 1971 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique également pour Assemblage de combustible nucléaire. Bien entendu, il va de soi que la présente invention n'est nullement limitée à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit et représenté; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Notamment, le fil métallique pourrait présenter dans sa partie intermédiaire un diamètre inférieur à celui de ses extrémités, obtenu par étirage préalable. REVENDICATIONS 1. Faisceau d'aiguilles de combustible pour réacteur nucléaire comportant sur chaque aiguille un organe dtentretoi- sement externe enroulé en hélice à grand pas sur la surface externe de l'aiguille et solidarisé -de bouchons fermant les extrémités de cette aiguille, caractérisé en ce que cet organe est constitué par un fil métallique, présentant dans ses parties d'extrémité un diamètre plus important que dans sa partie intermédiaire. 2. Faisceau d'aiguilles de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil métallique est gainé à ses extrémités par un élément de tube externe. 3. Faisceau d'aiguilles de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil métallique présente dans sa partie intermédiaire un diamètre limité par étirage préalable. 4. Faisceau d'aiguilles de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison entre le fil métallique et les bouchons d'extrémité est réalisée par soudure, sertissage ou encastrement d'une tête matricée ou électrofondue. 5. Assemblage combustible comprenant un faisceau d'aiguilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, disposé dans un boîtier externe entourant le faisceau, caractérisé en ce que le boîtier comporte dans sa surface interne des renflements longitudinaux. 6. Assemblage combustible comprenant un faisceau d'aiguilles selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, disposé dans un boîtier externe entourant le faisceau, caractérisé en ce que le boîtier comporte dans sa surface interne des évidements longitudinaux.