Brevet FR2286475A1 — publié le 19760423

Dans un type connu de réacteur nucléaire, le coeur du réacteur est du type hétérogène. A savoir, le coeur se compose d'un ensemble d'assemblages combustibles ou faisceaux de combustible disposés verticalement de manière à former un réseau espacé. Ce coeur du réacteur nucléaire, assure une réaction de fission nucléaire auto-entretenue. Le coeur est contenu dans une cuve sous pression dans laquelle il est immergé dans un fluide de travail, tel que de l'eau légère, qui sert à la fois de réfrigérant et de modérateur de neutrons. On peut, sélectivement, insérer un ensemble de barres de commande parmi les faisceaux de combustible afin de régler la réactivité du coeur. Le brevet des Etats Unis nO 3.382.153 décrit en détails un réacteur de ce type. Chaque faisceau de combustible se compose d'un canal d'écoulement tubulaire renfermant un réseau d'éléments de combustible, gainés, allongés ou barreaux de combustible maintenus entre des plaques de support inférieure et supérieure. Les faisceaux de combustible sont maintenus dans la cuve sous pression , entre une grille supérieure et une plaque de support inférieure. La plaque de support inférieure de chaque faisceau de combustible comporte un nez qui vient se placer dans une ouverture de la plaque de support du coeur. Le nez comporte des orifices par lesquels passe le réfrigérant sous pression pour s'écouler vers le haut dans les canaux d'écoulement des faisceaux de combustible afin d'absorber de la chaleur des éléments de combustible. Le brevet des Etats Unis nO 3.431.170 décrit un faisceau de combustible de ce type. Du fait desintervalles entre les faisceaux, de la répartition et de la position des barres de commande, et d'autres facteurs, le flux de neutrons et par suite la densité d'énergie n'est pas uniforme dans un coeur de combustible nucléaire hétérogène, ni même dans un faisceau de combustible. En pratique, la puissance de sortie d'un réacteur nucléaire est limitée par les limites de température des barreaux de combustible au point de puissance maximum dans le coeur.Pour rendre maximale la puissance de sortie du coeur (et de chaque faisceau de combustible), il est souhaitable de réduire le rapport de la puissance maximale sur la puissance moyenne, c'est-à-dire, qu'il est souhaitable d'aplanir les varia +ions de la densité de puissance. (Ce problème est étudié en détails dane le brevet des Etats Unis nO 3.147.191). On a proposé plusieurs dispositifs pour effectuer cet aplanissement de la puissance dans un faisceau de combustible. Un procédé bien connu consiste à faire varier de façon appropriée l'enrichissement du combustible initial dans le faisceau de combustible. En pratique, ceci s'effectue en remplissant chaque barreau de combustible avec des pastilles de combustible ayant un enrichissement approprié à la position de ce barreau dans le faisceau de combustible. Le fonctionnement des réacteurs nucléaires connus, se base sur le concept du cycle de fonctionnement. En d'autres termes, on interrompt périodiquement le fonctionnement du réacteur pour recharger le réacteur en combustible afin d'obtenir à nouveau la réactivité nécessaire. Du point de vue de la recharge en combustible du coeur du réacteur, le faisceau de combustible amovible se trouve être la structure de base remplaçable du coeur du réacteur. Selon des schémas de rechargement connus, on remplace à chaque rechargement en combustible, seulement une fraction, par exemple 20 à 30 %, des faisceaux de combustible. Ainsi a tout instant, le coeur du réacteur renferme des faisceaux de combustible ayant diverses périodes d'appauvrissement du combustible. Le degré d'appauvrisssement du combustible pour chaque faisceau dépend de son temps de séjour dans le réacteur. Ainsi l'enrichissement requis pour le combustible de rechargement dépend non seulement de la position prévue pour le faisceau de combustible dans le coeur, mais également de l'enrichissement total à ajouter au coeur pour obtenir à nouveau la réactivité voulue De façon idéale, on concevra le combustible de rechargement sur la base de données de fonctionnement du coeur à l'instant de l'arrêt du réacteur en vue du rechargement.En pratique, ceci est impossible en raison du temps nécessaire à la fabrication des faisceaux de combustible et du fait que l'arrêt pour le rechargement doit être aussi court que possible. Par conséquent, il est extrêmement souhaitable de réduire le temps de fabrication des faisceaux de combustible et d'avoir une grande souplesse dans le choix de l'enrichissement des barreaux de combustible afin de mieux adapter les caractéristiques du combustible de rechargement aux exigences du coeur. Afin d'empêcher une mauvaise mise en place des barreaux de combustible fortement enrichi dans le faisceau de combustible, on prévoit des dispositifs pour empêcher l'insertion des barreaux de combustible à fort enrichissement aux emplacements des barreaux à faible enrichissement du faisceau de combustible. Selon une'disposition connue, les tiges des bouchons d'extrémité des barreaux de combustible à fort enrichissement de même que les trous de réception correspondants dans la plaque de support du faisceau sont de plus grand diamètre. Ceci empêche la mise en place des barreaux de combustible à fort enrichissement dans les trous de réception de plus petit diamètre des barreaux de combustible à faible enrichissement. On a trouvé que ce réseau fixe de trous de réception dans la plaque de support du faisceau de combustible était un obstacle majeur à la réduction du temps de fabrication des faisceaux de combustible et à la souplesse voulue de choix d'enrichissements particuliers de barreaux de combustible au dernier moment possible, compatible avec la disponibilité des faisceaux de combustible montés au moment de l'arrêt du réacteur pour son rechargement. Selon la présente invention on perce tous les trous de réception des barreaux de combustible dans la plaque de support avec un même diamètre unique prédéterminé. Lors de 1' assemblage du faisceau de combustible on ajuste le diamètre des trous en y plaçant des manchons de diamètre intérieur choisi selon un motif approprié au schéma d'enrichissement voulu. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue de dessus schématique d'une cellule à quatre faisceaux dun coeur de réacteur nucléaire, Figure 2, une vue en élévation partiellement en coupe longitudinale d'un faisceau de combustible nucléaire, Figure 3, une vue en élévation, partiellement en coupe, de la plaque de support supérieure du faisceau de combustible de la figure 2, Figure 4A une vue en coupe transversale fait suivant la ligne 4-4 de la figure 3, et Figures 5A, 5B et 5C, des vues en perspective d'autres formes des cavités de la plaque de support et des manchons. Dans un coeur de réacteur nucléaire connu (tel que décrit dans le brevet des Etats Unis nO 3.382.153) sont disposés des groupes de cellules de quatre faisceaux de combustible amovibles et écartés les uns des autres de manière à entourer chaque barre de commande cruciforme, ces cellules étant elles-mêmes disposées selon un cylindre droit pour former le coeur du réacteur. La figure 1, représente une cellule de ce type qui comporte quatre faisceaux de combustible 20 entourant une barre de commande 11, les coins 12 des faisceaux de combustible se trouvant à proximité de la barre de commande 11. La figure 2, représente un assemblage combustible (ou faisceau de combustible) classique 20. Cet assemblage combustible 20 comprend un ensemble d'éléments ou barreaux de combustible 21 maintenus entre une plaque de support supérieure 22 et une plaque de support inférieure 23. Les barreaux de combustible 21 traversent un ensemble de pièces d'écartement 24 qui assure un support intermédiaire afin de maintenir l'écartement entre les barreaux et restreindre la vibration latérale de ces barreaux. Chacun des barreaux de combustible 21 se compose d'un tube allongé renfermant du combustible fissile ou d'autres matériaux tels que du combustible fertile, du poison consommable, des matériaux inertes, etc., fermé à -chaque Selon la présente invention, chacune des cavités de la plaque de support supérieure 22 (exceptée celle destinée au passage du tube à eau mentionnée ci-dessous) a un diamètre surdimensionné, prédéterminé et chaque cavité reçoit un manchon 32 dont le diamètre intérieur est adapté au diamètre d'une tige 30 d'un barreau de combustible d'un enrichissement approprié pour cette position de barreau de combustible. Afin de fournir une modération supplémentaire dans la partie centrale du faisceau de combustible, le faisceau de combus tible représenté 21, comporte en son centre, un tube à eau 41 en remplacement d'un barreau de combustible. Le tube à eau 41 comporte des bouchons d'extrémité et est monté dans le faisceau de la même manière qu'un barreau de combustible, mais il ne contient pas de combustible et il presente des orifices pour permettre l'écoulement d'eau (modérateur-réfrigérant) à l'intérieur. En outre, le tube à eau 41 comporte des pattes 45 ou autres organes d'emprisonnement des pièces d'écartement pour limiter le déplacement axial des pièces d'écartement 24. Le brevet des Etats Unis n" 3.802.995 décrit en détails ce tube à eau. Plusieurs des cavités 29 de la plaque de support inférieure 23 (par exemple deux de chaque coté) sont taraudées pour recevoir des barreaux de combustible dont la tige inférieure 28' est filetée. Les tiges supérieures 30' des mêmes barreaux de combustible ont une longueur telle qu'elles traversent et dépassent de leurs cavités de support dans la plaque de support supérieure 22 et présentent une partie filetée destinée à recevoir un écrou de bloquage 33. Sur chaque tige 30 des barreaux, entre l'extrémité supérieure des barreaux de combustible et la surface inférieure de la plaque de support supérieure 22, se trouve un ressort hélicoïdal 34. Ainsi, les plaques de support inferieure et supérieure et les barreaux forment une structure unitaire. L'assemblage combustible 20 comporte en outre un canal d'écoulement tubulaire 35 à paroi mince, de section droite carré et de dimension appropriée pour s'adapter par glissement au-dessus des plaques de support supérieure et inférieure 22 et 23 et des pièces d'écartement 24 afin de pouvoir être facilement mis en place et retiré .. Un patte 36 fixée à l'extrémité supérieure du canal d'écoulement 35, en même temps qu'un dispositif de butée élastique 37 permettent de fixer le canal au moyen d'un boulon 39 à un montant 38 de la plaque de support supérieure 22. Un étrier 42, fixé à la plaque de support supérieure 22, permet de manipuler le faisceau de combustible. La plaque de support inférieure 23 comporte un nez 43 agencé pour supporter l'assemblage combustible 20 dans un receptacle d'un dispositif.de support du coeur (non représenté) dans une cuve sous pression de réacteur. L'extrémité de ce nez comporte des orifices 44 destinés à recevoir du réfrigérant sous pression et à le diriger vers le haut entre les barreaux de combustible 21. La figure 3 est une vue partiellement en coupe de la plaque de support supérieure 22 qui met mieux en évidence les cavités ou trous 31 et les manchons 32. La figure 4A est une coupe transversale faite selon la ligne 4-4 de la figure 3 de la plaque de support supérieure 22, tandis que le tableau I indique la répartition des enrichissements et les diamètres correspondants des tiges 30 et des manchons 32. On a repéré par le numéro 12 sur la figure 1, le coin de la plaque de support supérieur adjacente à la barre de commande 11. Comme indiqué précédemment, la répartition transversale du flux de neutrons à travers les faisceaux de combustible est influencée par la barre de commande, et la largeur des passages entre les faisceaux de combustible, et on choisit la répartition d'enrichissement de façon à aplanir le flux de neutrons et par suite réduire le pic de puissance dans le faisceau de combustible. Dans l'exemple illustré par la figure 4A et le tableau I, on a utilisé quatre enrichissements différents et il faut noter que les diamètres des tiges 30 s'échelonnent des diamètres de tige les plus grands pour le combustible le plus enrichi (emplacements A) aux diamètres de tige les plus faibles pour le combustible le moins enrichi (emplacements D). Ainsi, cette disposition empêche la mise en place des barreaux contenant le combustible le plus enrichi aux emplacements destinés aux barreaux contenant le combustible le moins enrichi et par conséquent, empêche la possibilité d'un pic de puissance excessif qui pourrait apparaitre pour une disposition erronée des barreaux de combustible. (Toutefois, cette disposition n'empêche pas la mise en place de barreaux de combustible à faible enrichissement aux emplacements destinés aux barreaux de combustible à fort enrichissement. Cependant, cette erreur de mise en place n'entrainerait qu'une reduction de la puissance de sortie du faisceau). I1 faut noter qu'un manchon n'est pas nécessaire pour l'emplacement W du tube à eau car on peut normaliser cet emplacement dans le faisceau de combustible. On peut introduire dans les cavités 31 des manchons 32 de formes diverses dont on a représenté des exemples sur les figures 5A à 5C. Sur la figure 51 le manchon 321 de forme annulaire s'appuie contre un épaulement 51 formé dans une cavité 311. Ce manchon 31 peut être retenu dans la cavité 311 par exemple, par emmanchement à force, par collage en 52 ou par refoulement du bord inférieur de la cavité 311 contre le bord extérieur inférieur (de préférence chanfreiné) du manchon 321 comme indiqué en 33. Sur la figure 5B, le manchon 322 et la cavité 312 comprennent des filetages correspondants. Sur la figure 5C, le manchon 323 comporte un épaulement 54 et est aj usté dans une cavité de diamètre constant 313. Le manchon 323 peut être maintenu en place par ajustage serré ou collage. (Il faut noter qu'après assemblage du faisceau de combustible, les ressorts 34 (fig.2) s'appuient contre les manchons 32 et empêchent ces derniers de sortie de leurs logements). TABLEAU I. EMPLACEMENT Enrichissement DIAMETRES DES BARREAUX (pourcentage en poids Tiges 30 Manchons 32 de matière fissile) (cm) (cm) A 2,7 0,787 0,800 B 2,0 0,703 0,716 C 1,8 0,630 0,642 D 1,4 0,546 0,559 W O diamètre des cavités 31 : 1 cm environ. REVENDICATIONS 1 - Faisceau de combustible destiné à être utilisé avec d'autres faisceaux de combustible dans un coeur de réacteur nucléaire caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de barreaux de combustible de forme allongée maintenus entre des plaques de support supérieure et inférieure écartées l'une de l'autre et pourvues d'organes destinés à maintenir les barreaux selon un réseau défini, l'extrémité supérieure de chaque barreau comportant une tige de diamètre inférieure au barreau et destinée à venir se placer dans un organe de maintien de la plaque de support supérieure, le diamètre de la tige de chacun des barreaux correspondant de façon unique à l'enrichissement du combustible contenu dans le barreau associé, les organes de maintien de la plaque de support supérieure comprenant des cavités de diamètre similaire, et des manchons de réduction de diamètre disposés dans chacune des cavités, les diamètres intérieurs respéctifs des manchons étant choisis pour recevoir des tiges de diamètre adapté pour ainsi assurer une répartition d'enrichissement voulue dés barreaux de combustible dans le faisceau de combustible. 2 - Faisceau de combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre de tiges de barreaux contenant du combustible d'un enrichissement donné, est plus grand que le diamètre de tiges de barreaux contenant du combustible d'enrichissement inférieur. 3 - Faisceau de combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une tige comprend un tube continu creux pourvu d'orifices permettant l'écoulement de réfrigérant à l'intérieur de cette tige. 4 - Faisceau de combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce a d'écartement disposée entre les plaques de support pour assurer un maintien latéral des barreaux et un élément d'emprisonnement de la pièce d'écartement fixé au tube creux. 5 - Faisceau de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 , caractérisé en ce que les manchons sont de forme annulaire et s'appuient contre des épaulements ménagés dans les cavités. 6 - Faisceau de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les manchons comportent des épaulements venant en contact avec une surface inférieure de la plaque de support supérieure. 7 - Faisceau de combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les manchons et les cavités sont pourvues de filetages appariés.