Brevet FR2426311A1 — publié le 19791214

La présente invention concerne des sous-assemblages destinés à des réacteurs nucléaires surrégénérateurs à neutrons rapides refroidis par un métal liquide. Un sous-assemblage combustible destiné à un tel réacteur nucléaire surrégénérateur rapide refroidi par un métal liquide comprend un faisceau d'aiguilles de combustible espacées dans une gaine ou enveloope tubulaire dans laquelle un métal liquide caloporteur peut circuler en relation d'échange de chaleur avec les aiguilles de combustible. Ces dernières peuvent être espacées par une série de grilles cellulaires fixées à la gaine, chaque aiguille occupant une cellule individuelle de chaque grille et la gaine présente à une extrémité un prolongement en forme de broche (appelé ci-après extrémité inférieure) permettant de positionner le sous-assemblage dans une structure de support et de l'agencer avec d'autres sous-assemblages, de façon qu'il s'élève côte à côte avec ces derniers, de façon à former un assemblage combustible. L'extrémité supérieure de la gaine est prolongée par un écran neutronique tubulaire en acier massif.Après irradiation d'un sous-assemblage de surrégénérateur à neutrons rapides, il est nécessaire de le retraiter pour récupérer la matière fissile non utilisée et pour séparer des résidus le plutonium nouvellement formé, mais à cause de la fraqilisation des aiguilles sous l'effet de l'irradiation, le délainage du sous-assemblage est difficile. Antérieurement à la présente invention, la technique utilisée pour le dégainage d'un sous-assemblage combustible consistait à enlever de la gaine la broche de prolongement de l'extrémité inférieure et la grille extrême de butée, puis à extraire minutieusement les aiguilles de combustible une à une pour les retraiter, mais, étant donné que l'opération doit être effectuée par commande à distance à cause de la radioactivité, elle constitue un mode opératoire long et coûteux. La présente invention a pour objet un sous-assemblage combustible pour un réacteur nucléaire surrégénérateur rapide refroidi par un métal liquide, qui est construit de façon à faciliter son dégainage à des fins de retraitement, ainsi qu'un procédé perfectionné de dégainage d'un sous-assemblage combustible. Selon la présente invention, un sous-assemblage combustible destiné à un réacteur surrégénérateur rapide refroidi par un métal liquide comprend un faisceau d'aiguilles de combustible dans une gaine tubulaire, lesdites aiguilles étant espacées par une série de grilles cellulaires souples de renforcement (comme défini ci-après), chaque aiguille occupant une cellule distincte de chaque grille, la gaine présentant à son extrémité inférieure une broche de prolongement et à son extrémité supérieure un écran neutronique tubulaire de prolongement, chacune des aiguilles étant retenue à une extrémité par une grille cellulaire de maintien qui est fixée à une région extrême de la gaine tubulaire. Cemmodémentp les aiguilles peuvent être retenues à leurs extrémités inférieures par une grille cellulaire de maintien qui est fixée à la région de l'extrémité inférieure de la gaine tubulaire. Par l'expression "grille cellulaire souple de renforcement", on entend une grille en nid d'abeilles, dans laquelle chaque cellule comporte des tampons de contact élastiques pour guider une aiquille de combustible, lesdits tampons formant un premier groupe qui entoure normalement l'aiguille coaxialement dans sa cellule et un second groupe qui, bien qu'il soit normalement à ltécart des aiguilles, constitue un second renforcement en cas de décalaqe excessif des tampons du premier groupe. Par l'expression grille cellulaire de maintien", on entend une grille comportant un moyen destiné à retenir les extrémités des aiguilles, de manière à empêcher leur extraction des cellules pendant le fonctionnement normal du réacteur nucléaire. Dans une forme de réalisation préférée d'un sous assemblage selon l'invention, l'extrémité inférieure de chaque aiguille présente une saillie radiale destinée à venir buter contre le cOté inférieur de la grille de maintien. Un sous-assemblage combustible selon l'invention peut être facilement dégainé en sectionnant les régions ex trêmes de la gaine, immédiatement au-dessous de l'écran neutronique tubulaire, et immédiatement au-dessus de la broche de prolongement, puis en sectionnant la gaine immédiatement audessus de la grille de maintien, de façon que cette dernière puisse être retirée avec un fragment de la gaine et le faisceau complet des aiguilles de combustible du reste de la gaine. La nature souple des grilles facilite l'extraction des aiguilles des diverses grilles de renforcement et diminue ainsi le risque de rupture des aiguilles fragilisées. En conséquence, l'invention concerne également un procédé de dégainage d'un sous-assemblage combustible, comprenant un faisceau d'aiguilles de combustible contenues dans une gaine tubulaire et espacées par une série de grilles cellulaires souples de renforcement, la gaine comportant une broche de prolongement à l'extrémité inférieure et un écran neutronique tubulaire de prolongement à l'extrémité supérieure et dans lequel les aiguilles sont retenues à leurs extrémités inférieures par une grille cellulaire de maintien fixée à la région de l'extrémité inférieure de la gaine tubulaire, ledit procédé consistant à sectionner les régions des extrémités supérieure et inferieure de la gaine pour séparer l'écran neutronique tubulaire et la broche de la gaine, à sectionner la gaine immédiatement au-dessus de la grille cellulaire de maintien et à extraire l'ensemble constitué par la grille de maintien et le faisceau des aiguilles de combustible de l'ensemble constitué par la gaine et une série de grilles de renforcement. Dans une forme de réalisation préférée d'un sousassemblage combustible selon l'inventitn, les aiguilles sont retenues à leurs-extrémités ipférieures par deux grilles de maintien superposées qui sont fixées à la région inférieure de la gaine tubulaire et le faisceau des aiguilles est divisé en sous-faisceaux interne et externe, les aiguilles du sous-faisceau interne étant retenues par la plus basse des grilles de maintien superposées, tandis que les aiguilles du sous-faisceau externe sont retenues par la plus haute desdites grilles superposées. Les régions inférieures des aiguilles de combustible peuvent présenter chacune une ceinture et les cellules des grilles de maintien peuvent comporter des saillies élastiques se pro longeant radialement à radialement à l'intérieur pour venir au contact des cein- tures, de façon à empêcher un mouvement axial des aiguilles par rapport aux grilles de maintien pendant le fonctionnement du réacteur. I1 est possible de déqainer facilement un sousassemblage combustible selon le mode de réalisation préféré, en séctionnant les régions extrêmes de la gaine, immédiatement au-dessous de l'écran neutronique tubulaire, et immédiatement audessus de la broche de prolongement, puis en sectionnant-la gaine immédiatement au-dessus de la grille inférieure de maintien, de façon que celle-ci puisse être extraite avec un fragment de la gaine et le sous-faisceau interne complet des aiguilles du reste de la gaine et des grilles souples, et ensuite en sectionnant la gaine immédiatement au-dessus de la grille supérieure de maintien, de façon que cette dernière puisse etre extraite avec un fragment de la gaine et le sous-faisceau externe complet des aiguilles du reste de la gaine et des grilles souples.En enlevant le faisceau des aiguilles de combutible de la gaine et des grilles souples en deux étapes, on envisage de réduire dans une large mesure la force nécessaire pour l'extraction lorsque les aiguilles de combustible ont subi un gonflement et une fragilisation importante par suite de ltirradiation, ce qui facilite le dégainage et les opérations ultérieures de retraitement du sous-assemblage combustible. En conséquence, l'invention concerne aussi un pro-. cédé de dégainage d'un sous-assemblage combustible comprenant un faisceau d'aiguilles de combustible enfermées dans une gaine tubulaire et espacées par une série de grilles cellulaires souples de renforcement, la gaine présentant une broche de prolongement à l'extrémité inférieure et un écran neutronique tubulaire à l'extrémité supérieure, et dans lequel les aiguilles sont retenues à leurs extrémités inférieures par deux grilles cellulaires de maintien superposées qui sont fixées à la région inférieure de la gaine, ledit procédé consistant à sectionner les régions supérieure et inférieure de la gaine pour séparer l'écran neutronique tubulaire et la broche de ladite gaine, à sectionner cette dernière immédiatement au-dessus de la grille de maintien la plus basse et à extraire l'ensemble comprenant la grille inférieure de maintien et le sous-faisceau des aiguilles de combustible de l'ensemble constitué de la gaine et des grilles de renforcement, puis à extraire successivement le sous-faisceau restant des aiguilles de combustible en sectionnant la gaine immédiatement au-dessus de la grille de maintien la plus élevée. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe schématique d'un sousassemblage combustible représentatif la figure 2 est une vue en plan d'une grille de maintien ; la figure 3 est une coupe partielle d'un mode de réalisation selon l'invention la figure 4 est une coupe partielle suivant la ligne IV-IS de la figure 3 la figure 5 est une coupe partielle d'un autre mode de réalisation d'un sous assemblage combustible ; la figure 6 montre schématiquement une autre particularité d'un sous-assemblage combustible, généralement analogue à ceux représentés sur les figures 3 et 5 ; la figure 7 est une vue en perspective d'une cellule individuelle d'une grille cellulaire souple ; la figure 8 représente un détail d'une variante d'un sous-assemblage combustible ;; la figure 9 est une vue partielle de coté à plus grande échelle d'une seule cellule de la grille de maintien représentée sur la figure 2 la figure 10 est une vue en plan de la cellule représentée sur la figure 9 ; et la figure 11 est une coupe schématique d'un réacteur nucléaire surrégénérateur à neutrons rapides refroidi par un métal liquide. Un sous-assemblage combustible destiné à un réacteur nucléaire surrégénérateur rapide refroidi par un métal liquide, comme celui représenté sur la figure 1, comprend une section centrale de combustible 1, une section de positionnement 2 à l'extrémité inférieure et une section supérieure 3 constituée d'un écran neutronique. La section de combustible comprend un faisceau de 325 longues aiguilles de combustible 4 enfermées dans une gaine tubulaire 5 de section hexagonale et espacées par une série de grilles cellulaires souples de renforcement 6 (figure 2), chaque aiguille occupant une cellule individuelle de chaque grille. Les grilles cellulaires 6 sont soudées à la gaine 5 et les aiguilles 4 sont supportées dans cette dernière à leurs extrémités inférieures par une grille de butée 7.Les aiguilles 4 sont retenues à leurs extrémités inférieures par une grille cellulaire de maintien 7a fixée à la région inférieure de la gaine 5. La section de positionnement à l'extrémité inférieure comprend une broche de prolongement 8 destinée à s'engager dans un logement d'une structure 9 de support de l'assemblage combustible et présente des orifices 10 par lesquels le fluide caloporteur peut circuler à partir de l'intérieur de la grille La section supérieure 3 est en acier massif et constitue un élément tubulaire ll présentant un prolongement 12 comportant une lèvre interne 13 destinée à venir en prise avec un dispositif de levage. En examinant maintenant les figures 3 et 4, chaque aiguille de combustible comprend une pile de pastilles de combustible enfermée dans un tube 14 en acier inoxydable,qui est fermé d'une façon étancha à chaque extrémité par des bouchons 15 et chaque aiguille comporte un capuchon 16 à l'extrémité inférieure qui s'engage dans une cellule de la grille de maintien 7a. Le capuchon 16 est centré dans la cellule par trois tampons 17 périphériquement équidistants, de façon à laisser un passage autour du capuchon pour la circulation ascendante du métal liquide caloporteur. Le capuchon supporte un crochet qui constitue un prolongement radial 18 situé entre la grille de maintien 7a et la grille 7 de support des extrémités inférieures. Pendant le transport du sous-assemblage combustible, les aiguilles sont soutenues à leurs extrémités inférieures par la grille 7 et, pendant le fonctionnement du réacteur, les aiguilles sont empêchées d'être soulevées par la circulation ascendante du fluide caloporteur par les crochets 18 qui viennent buter contre la face inférieure de la grille 7a. Chacune des grilles 6 présente un pourtour en forme d'hexagone droit et comporte 325 cellules disposées en nid d'abeilles, ces dernières ayant généralement une forme hexagonale, comme on le voit sur les figures 2 et 7. Chaque cellule individuelle est formée par une matière en bande et trois cotés présentent une fenetre rectangulaire 33, tandis que les trois autres côtés présentent chacun un bossage allongé 34 formant individuellement un tampon de guidage d'une aiguille de com bustible. Deux bossages 35 de plus petites dimensions sont disposés chacun au-delà de chaque extrémité des bossages allon gés et forment des tampons ou appuis supplémentaires pour une aiguille dans le cas où cette dernière subit un cintrage pen dant l'irradiation du sous-assemblage combustible.Les paires de côtés en contact des cellules sont fixées ensemble par deux soudures par points appliquées aux régions extrêmes opposées des côtés. Une grille souple de ce genre permet un guidage coulissant des aiguilles avec un minimum de portée, tandis que les tampons d'appui 35 exercént une force convenable pour s'op poser au cintrage des aiguilles sous l'effet de l'irradiation. - Aux fins de retraitement après irradiation du sous-assemblage combustible, la gaine est séparée de la section inférieure de positionnement 2 et de la section supérieure 3 comprenant l'écran neutronique en sectionnant les régions supérieure et inférieure de la gaine,qui est ensuite découpée de nouveau immédiatement au-dessus de la grille de maintien 7a. Tout l'ensemble comprenant le faisceau des aiguilles de combustible et les grilles de main tien peut être alors extrait de l'ensemble comprenant la gaine 5 et les grilles de bute 7 ep une seule opération, llextrac- tion étant rendue possible par la nature souple des grilles cellulaires 7a. Dans la variante représentée sur la figure 5, la saillie radiale 18 a la forme d'un oeillet, tandis que dans la forme de réalisation représentée sur la figure 6, la saillie radiale 18 est constituée par une bride ayant généralement une forme triangulaire. Dans chacune de ces formes de réalisation, la saillie radiale a une forme qui établit un faible étranglement des passages de circulation du fluide caloporteur à travers la grille 7a. Dans une variante du sous-assemblage combustible, les aiguilles 4 sont retenues à leurs extrémités inférieures par deux grilles cellulaires de maintien superposées 7a qui sont fixées à la région inférieure de la gaine tubulaire 5. Le faisceau comprenant 325 aiguilles de combustible est divisé en deux sous-faisceaux coaxiaux, le faisceau externe étant formé des trois rangées extérieures dtaiguilles et ces dernières sont retenues par un groupe externe de cellules de la grille supé rieure de maintien désiqnée par sur la figure 2. Les cellules de la région interne de la grille supérieure ont simplement pour fonction d'assurer la rigidité de la grille. Le sous-faisceau des aiguilles internes est retenu par la grille inférieure dont les cellules ne viennent en prise qu'avec les bouchons 15 des aiguilles internes. Les bouchons extrêmes 15 comportent une ré gion terminale présentant un filetage 36 qui est destiné à fa ciliter le montage, comme on le décrira plus loin. Ainsi qu'on le voit sur les figures 9 et 10, chaque cellule des grilles de maintien présente une forme hexagonale et les cellules de retenue des aiguilles (qui constituent le groupe interne des cellules de la grille inférieure et le groupe externe des cellules de la grille supérieure) sont fendues sur trois côtés à la fois verticalement et horizontalement pour former trois paires de saillies élastiques 37 orientées radia lement vers l'intérieur, chaque bouchon extrême 15 présentant un resserrement ou ceinture 38 destiné i venir en prise avec ces saillies. Au cours du fonctionnement d'un réacteur nucléaire, les aiguilles des sous-assemblages combustibles sont retenues par le contact des saillies avec les resserrements à l'encontre d'un mouvement axial, comme celui qui pourrait être provoqué par la circulation ascendante du fluide caloporteur. Lors de la construction du sous-assemblage, la série des grilles cellulaires souples de renforcement 6 qui sont espacées axialement, est soudée tout d'abord à la gaine 5 et les trois rangées externes des aiguilles de combustible 4 sont enfilées par l'extrémité inférieure de ladite gaine à travers les cellules complémentaires des grilles,jusqu0à ce que leurs capuchons inférieurs se trouvent juste au-dessus de la position de la grille supérieure 7a.Ensuite, la grille supé rieure de maintien est soudée en position dans la gaine et un outil de chargement des aiguilles, qui est représenté en poin tillé et désigné par T sur la figure 8, est introduit par l'ex- trémité inférieure de la gaine, successivement dans chacune des cellules de la grille de maintien, est mis en prise avec la région filetée 36 des aiguilles et ces dernières sont tirées -successivement dans les cellules pour mettre les rétrécissements 38 en contact avec les saillies 37. Les aiguilles du sous-faisceau interne et la orille inférieure de maintien 7a sont ensuite assemblées d'une façon analogue. Après irradiation du sous-assemblaoe dans un réacteur nucléaire, il est possible de le dépouiller pour le retraiter, en sectionnant périphériquement les régions supérieure et inférieure de la gaine pour enlever la section supérieure 3 constituée par l'écran neutronique et la section de positionnement inférieur 2, en sectionnant périphériquement la région inférieure de la partie restante de la gaine entre les grilles de maintien, afin de libérer la grille inférieure qui peut être ensuite enlevée en extrayant de la gaine et des grilles souples le sous-faisceau interne des aiguilles. La gaine peut être ensuite sectionnée à nouveau immédiatement au-dessus de la grille supérieure et le sous-faisceau externe des aiguilles peut être extrait d'une façon analogue. L'extraction du faisceau des aiguilles de combustible en deux étapes a pour effet de réduire dans une large mesure l'effort d'extraction, ce qui diminue le risque d'endommagement des aiguilles gonflées et fragilisées par irradiation. Le mode de construction décrit a l'avantage supplémentaire que le système de retenue des aiguilles est simple, et bien que les capuchons de deux longueurs différentes soient nécessaires, ils sont relativement simples à réaliser, imposent un étranglement relativement faible à la circulation du fluide caloporteur dans les cellules hexagonales et la grille inférieure de support des extrémités des aiguilles qui est habituellement prévue dans les sous-assemblages combustibles classiques, est supprimée. Les sous-assemblages combustibles décrits sont utilisés dans un réacteur surrégénérateur rapide refroidi par un métal liquide du type piscine représenté sur la figure 11. Ce dernier comprend un assemblage combustible 21 immergé dans une masse 22 de sodium liquide caloporteur, contenue dans une enceinte primaire 23. Cette dernière est suspendue à la voûte de la fosse de confinement 24, et il est prévu plusieurs pompes 25 à fluide caloporteur et plusieurs échangeurs de chaleur 26, une seule pompe et un seul échangeur de chaleur étant représentés. L'assemblage combustible 21 monté sur un élément de support 27 est logé avec des échangeurs de chaleur dans un caisson 28, tandis que les pompes 25 qui refoulent le fluide caloporteur vers l'élément de support sont disposées à l'extérieur du caisson. Des barres de commande 29 et des instruments 30 traversent la voûte de la fosse. En fonctionnement, le fluide caloporteur relativement froid est aspiré de la masse située à laextérieur du caisson 28 renfermant le coeur et monte à travers ltassemblaoe combustible en passant par l'élément de support 27, puis circule dans I'éehangeur de chaleur 26 en relation d'échange de chaleur avec un fluide caloporteur secondaire qui passe dans une installation génératrice de vapeur d eau disposée à lextérieur de la fosse. Le fluide caloporteur principal est ramené de l'échangeur de chaleur à la région externe de la masse de métal liquide. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au sous-assemblage et au procédé décrits, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Sous-assemblage combustible, destiné à un réacteur nucléaire surrégénérateur à neutrons rapides refroidi par un métal liquide, comprenant un faisceau d'aiguilles de combustible enfermées dans une gaine tubulaire et espacées par une série de grilles cellulaires de renforcement, chaque aiguille occupant une cellule distincte de chaque grille, la gaine présentant à son extrémité inférieure une broche de prolongement et à son extrémité supérieure un écran neutronique, sous-assemblage caractérisé en ce que chaque cellule des grilles de renforcement comporte des tampons élastiques de contact destinés à guider le mouvement glissant d'une aiguille de combustible, les tampons formant un premier jeu qui soutiens normalement l'aiguille coaxialement dans sa cellule et un second jeu normalement à l'écart des aiguilles, mais établissant un second soutien en cas de déplacement excessif des tampons du premier groupe, et en ce que chacune des aiguilles est retenue à une extrémité par une grille cellulaire de maintien fixée à une région extrême de la gaine. 2. Sous-assemblage combustible, selon la revendi cation, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure de chaque aiguille présente une saillie radiale destinée à venir buter contre la face inférieure d'une grille'inférieure de maintien. 3. Sous-assemblage combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les aiguilles sont retenues à leurs extrémités inférieures par deux grilles de maintien superposées fixées à la région inférieure de la gaine et en ce que le faisceau des aiguilles est divisé en sous-faisceaux interne et externe, les aiguilles du sous-faisceau interne étant retenues par la plus basse des grilles superposées, tandis que celles du sous-faisceau externe sont retenues par la plus haute desdites grilles superposées. 4. Sous-assemblage combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que les régions inférieures des aiguilles de combustible présentent chacune un resserrement et en ce que les cellules des grilles de maintien comportent des saillies élastiques se prolongeant radialement vers l'intérieur pour venir en prise avec les resserrement, afin. d'empêcher l'aiguille de se mouvoir axialement par rapport aux grilles de maintien pendant le fonctionnement du réacteur. 5. Procédé de dégainage d'un sous-assemblage combustible comprenant un faisceau dleiguilles de combustible enfermées dans une gaine tubulaire et espacées par une série de grilles cellulaires souples de renforcement, la gaine présentant une broche de prolongement à son extrémité inférieure et un écran neutronique tubulaire à son extrémité supérieure, sous-assemblage dans lequel les aiguilles sont retenues à leurs extrémités inférieures par une grille cellulaire de maintien fixée à la région inférieure de la gaine, procédé caract6- risé en ce qu'il consiste à sectionner lus régions extrêmes supérieure et inférieure de la gaine pour en séparer llderan neutronique tubulaire et la broche ;; à sectionner la gaine iwmé- diatement au-dessus de la grille cellulaire de maintien et à extraire de l'ensemble formé par la gaine et une série de grilles de renforcement l'ensemble que constituent la grille de maintien et le faisceau des aiguilles de combustible. 6. Procédé de dégainage d'un sous-assemblage combustible comprenant un faisceau daiguilles de combustible enfermées dans une gaine tubulaire et espaches par une série de grilles cellulaires souples de renforcement, la gaine ayant à son extrémité inférieure une broche et à son extrémité supé- rieure un écran neutronique tubulaire, sous-assemblage dans lequel les aiguilles sont retenues à leurs extrémités inférieures par deux grilles cellulaires de maintien superposées qui sont fixées à la région inférieure de la gaine, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à sectionner les régions extrêmes supérieure et inférieure de la gaine pour en séparer l'écran neutronique tubulaire et la broche ; à sectionner la gaine immédiatement au-dessus de la grille de maintien la plus basse et à extraire de l'ensemble formé par la gaine et les grilles de renforcement l'ensemble que constituent la grille inférieure de maintien et un sous-faisceau des aiguilles de combustible ; puis successivement à extraire le sous-faisceau restant des aiguilles de combustible en sectionnant la gaine immédiatement au-dessus de la grille supérieure de maintien.