Brevet FR2495368A1 — publié le 19820604

L'invention concerne les réacteurs nucléaires de puissance, et plus particulièrement des assemblages de com bustible nucléaire. Dans des réacteurs de puissance classiques à eau sous pression, un grand nombre d'assemblages allongé de combustible nucléaire sont disposés parallèlement les uns aux autres, en un ensemble vertical qui est placé dans le caisson du réacteur de manière qu'un courant d'eau sous pression arrivant pénètre dans les extrémités inférieures des assemblages et, après s'être écoulé sur ces derniers, soit dirigé vers un échangeur de chaleur extérieur au réacteur. Chaque assemblage combustible comporte générale ment un raccord extrême inférieur qui repose sur la plaque de support du coeur, plusieurs tubes longitudinaux de sup port et un raccord extrême supérieur.Sur les tubes de sup port sont généralement fixées plusieurs grilles orientées transversalement et espacées longitudinalement, portant des moyens élastiques destinés à assurer l'espacement et le maintien d'un grand nombre de longues barres de combustible. L'assemblage doit assumer plusieurs fonctions dans le coeur du réacteur, la plus importante étant le maintien et l'écartement des barres de combustible distinctes. En second lieu, les tubes de support servent également de tubes de guidage dans lesquels des barres de commande peuvent être introduites télescopiquement pour commander l'intensité de la réaction nucléaire en chaîne et, par conséquent, le niveau et la distribution de la puissance à l'intérieur du coeur. Outre les fonctions de sécurité précédentes, l'assem blage combustible présente d'importantes conséquences écono miques.Les deux éléments principaux des conséquences écono miques sont les coûts des matériaux et de fabrication de l'assemblage, et la mesure dans laquelle la structure de l'assemblage combustible abaisse le rendement de la réaction nucléaire en chaîne par suite de l'effet "d'empoisonnement" associé à l'absorption de neutrons dans le coeur du réacteur. Une autre caractéristique des assemblages combustibles modernes est l'aptitude à la reconstitution, qui permet à un raccord d'extrémité d'être démonté et à des barres de combustible individuelles d'être remplacées afin qu'il soit possible de continuer à utiliser l'assemblage même après l'endommagement ou la détérioration imprévue de quelques barres de combustible distinctes. Un modèle antérieur d'assemblage combustible qui a constitué, avec succès, un assemblage combustible très robuste et efficace du point de vue neutronique est cons titué entièrement d'éléments en "Zircaloy" entre les raccords extrêmes supérieurs et inférieurs. Un tel assemblage comprend géneralement cinq tubes de guidage en "Zircaloy" reliés, par leurs extrémités, aux raccords extrêmes, et plusieurs grilles entièrement en "Zircaloy", soudées sur eux. Bien que le "Zircaloy" soit beaucoup plus coûteux que, par exemple, l'acier inoxydable, il présente des propriétés neutroniques supérieures et, par conséquent, le rendement de fonctionnement compense les inconvénients..du cout initial le plus élevé.Les assemblages combustibles entièrement en "Zircaloy" comportent généralement des raccords d'extrémité qui sont en acier inoxydable afin de réduire le coût des matériaux. Cependant, lorsque l'on souhaite en particulier une bonne aptitude à la reconstitution, le raccordement entre les éléments en acier inoxydable et les éléments en "Zircaloy" pose souvent des problèmes de conception exigeant d'apporter un soin extrême à l'assemblage ou de faire appel à des techniques de raccordement très sophistiquées. Ceci est dû à une aptitude au soudage de l'acier inoxydable sur le "Zircaloy" et aux différences de coefficients de dilatation thermique et de dilatation due à l'irradiation des deux matières. L'invention a pour objet d'améliorer la conception d'assemblages combustibles entièrement en "Zircaloy" afin de réduire le coût des matériaux et de simplifier la liaison entre raccord d'extrémité supérieure et les tubes de guidage en "Zircaloy". Un autre avantage résultant de la présente invention est le renforcement global de l'assemblage combustible ainsi qu'une plus grande protection du tube de guidage contre le risque de détérioration par usure résultant de la vibration de l'extrémité de la barre de commande. L'invention consiste à remplacer les tiges de guidage classiques, en acier inoxydable, des raccords extrêmes supérieurs par de longs tubes d'acier inoxydable descendant au-dessous de l'extrémité supérieure du combustible, et de préférence au-dessous du niveau de la grille la plus haute, et à établir un joint mécanique entre les longs tubes d'acier inoxydable et des tubes de guidage classiques, raccourcis, en "Zircaloy". Ce perfectionnement réduit la dimension linéaire de tube de "Zircaloy" demandée pour fabriquer un assemblage, ce qui entraîne une diminution de coût considérable, et il permet de simplifier le raccord extrême supérieur. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, la grille la plus haute en "Zircaloy" peut être remplacée par une grille en "Inconel" ou en acier inoxydable, qui est moins coûteux que le "Zircaloy" et qui peut être soudé directement sur les longues tiges d'acier inoxydable. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une élévation, avec coupe partielle, d'un assemblage combustible entièrement en "Zircaloy" de l'art antérieur; la figure 2 est une coupe longitudinale partielle d'un détail de la liaison entre les tiges d'acier inoxydable et le tube de guidage en "Zircaloy" de l'assemblage combustible de l'art antérieur de la figure 1; la figure 3 est une coupe longitudinale du raccord extrême supérieur perfectionné selon l'invention et de la liaison de la tige de guidage avec le tube deguidage;et la figure 4 est une élévation schématique montrant ltenlèvement du raccord extrême supérieur pendant la reconstitution de l'assemblage combustible. I1 semble préférable, pour la compréhension de l'invention, de la décrire immédiatement après une explication relativement détaillée de la pratique antérieure. Par conséquent, la figure 1 représente un assemblage combustible classique 10 de l'art antérieur, entièrement en "Zircaloy1', placé dans le coeurd'un réacteur nucléaire. L'assemblage comprend un raccord extrême inférieur 12 en acier inoxydable et plusieurs tubes 14 de guidage en "Zircaloy" reliés fixement au raccord extrême inférieur 12 et, s'élevant longitudinalement.Plusieurs grilles 16 entièrement en "Zircaloy", espacées longitudinalement, sont fixées aux tubes 14 de guidage, transversalement à ces derniers, et présentent un grand nombre d'ouvertures dans lesquelles le grand nombre de barres 18 de combustible sont supportées et maintenues écartées les unes des autres. La liaison particulière entre les grilles 16 et les tubes 14 de guidage, et le maintien réalisé entre les grilles et les barres 18 de combustible, n'entrent pas dans le cadre de la présente invention.L'extrémité inférieure de l'assemblage combustible 10 est alignée par rapport à la plaque perforée 20 de support du coeur et elle est conçue pour recevoir, de dessous la plaque 20 de support, un courant de fluide de refroidissement qui s'élève le long des barres 18 de combustible et des grilles 16, puis qui s 'élève dans une ouverture 22 de la plaque supérieure 24 du coeur et sort du caisson du réacteur vers un échangeur de chaleur, Le courant ascendant de fluide de refroidissement produit une poussée orientée vers le haut sur l'assemblage combustible 10 et, pour empêcher cet assemblage de "flotter", le raccord extrême supérieur 26 comporte des moyens maintenant l'assemblage vers le bas, contre la plaque inférieure 20. Le raccord extrême supérieur comporte des liaisons ou jonctions filetées 23 entre les tubes 14 de guidage en "Zircaloy" et des tiges 28 en acier inoxydable. Chaque liaison 23 sert également à maintenir rigidement une plaque perforée 30 d'écoulement qui est destinée à arrêter le mouvement ascendant des barres 18 de combustible dans le cas où elles se séparent, par rupture, des grilles 16.Une plaque 32 de maintien vers le bas est montée de manière à pouvoir coulisser sur les tiges'28 et s'étend transversalement au-delà du passage 22. Lorsque la plaque supérieure 24 du coeur est abaissée contre la plaque 23 de maintien et est fixée aux parois du caisson du réacteur (non représentées), la plaque 23 de maintien est repoussée vers le bas contre les ressorts hélicoïdaux 34 et cette poussée est transmise vers le bas, par la liaison 23 et les tubes 14 de guidage, de manière que le raccord extrême inférieur 12 soit maintenu appliqué vers le bas contre la plaque inférieure 20 du coeur. Les barres 18 de combustible fissile sont maintenues comme indiqué entre des niveaux A et B, la zone située au-dessus du niveau A présentant un espace pratiquement vide destiné à l'accumulation des produits gazeux de fission. Par conséquent, la grille la plus haute ou première grille 16' est généralement disposée à un niveau situé au-dessus du coeur actif et elle se trouve donc dans une zone à flux neutronique relativement faible. Les tubes 14 de guidage servent non seulement d'ossature structurelle pour l'assemblage 10, mais également de moyens de guidage grâce auxquels des barres 36 de commande peuvent être introduites télescopiquement dans la partie des assemblages contenant le combustible. En cours de fonctionnement à pleine puissance, les barres 36 de commande sont en général retirées de la partie active du coeur et ies extrémités des barres de commande sont généralement maintenues dans la partie supérieure des tubes 14 de guidage, à peu près au même niveau que la première grille 16'. La figure 2 montre plus en détail une liaison ou jonction de l'art antérieur entre le tube 14 de guidage en "Zircaloy" et la tige 28 en acier inoxydable. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 4 030 975 décrit en détail cette liaison ainsi que les raisons l'imposant. A titre d'information de contexte, la description qui suit est suffisante. Chaque trou 38 ménagé dans la plaque 30 d'écoulement traverse un bossage 40 orienté vers le haut et présente un alésage de faible diamètre, indiqué en 42. Un épaulement annulaire 44 tourné vers le bas est formé entre les deux tronçons de l'alésage. La tige 28 comporte un embout fileté 46 de diamètre réduit. Elle comporte également une bride 48 qui porte contre la surface supérieure du bossage 40 afin de limiter la pénétration de l'embout 46. L'extrémité supérieure 50 de chaque tube 14 de guidage est élargie à un diamètre qui est déterminé afin de réaliser un ajustement serré avec le trou 38 et l'épaulement 44. Pour démonter le raccord extrême supérieur 26 de l'art antérieur avant la reconstitution de l'assemblage 10, un outil convenable de manoeuvre à distance (non représenté) est enclenché avec le chapeau 52 d'extrémité afin de faire tourner l'embout 46. Le raccord 26 est ensuite retiré pour mettre à découvert les barres 18 de combustible. Comme représenté sur la figure 3, la présente invention réduit le coût et la complexité des tiges de guidage supérieures et du raccord extrême- supérieur de l'art antérieur par l'utilisation d'une longue tige 128 en acier inoxydable qui s'étend d'un point situe au-dessus de la plaque 132 de maintien vers le bas et qui descend jusqu'à un niveau situé au-dessous de celui de la première grille 116'.L'extrémité inférieure de la tige s'ajuste dans une partie élargie 150' du tube 114 de guidage et un certain nombre de liaisons serties 123 réalisent un joint serré entre elles. I1 est apparu possible de réaliser une liaison satisfaisante au moyen de deux "cercles" de chacun quatre points de sertissage espacés de 90". La tige 128 d'acier inoxydable présente une épaisseur sensiblement uniforme, sauf dans la zone du joint où cette épaisseur est légère- ment réduite. La tige est aisément réalisée à partir d'un tronçon de tube disponible dans le commerce, à la difference de la tige 28 de l'art antérieur qui est généralement usinée sur la totalité de ses surfaces interieure et extérieure. Une zone plus épaisse 139, de préférence formée par soudage d'une douille sur la tige, est prévue au niveau correspondant à celui de la plaque 130 d'écoulement. Cette zone surépaissie 139 assure un support inférieur ferme pour la plaque 130 d'écoulement et elle transmet au tube 114 de guidage la force exercée vers le bas par les ressorts héli coldaux 134. Contrairement à la liaison complexe de l'art antérieur, montrée sur la figure 2, on peut voir que la tige 128 traverse la plaque 130 d'écoulement de façon aisée et simple. La tige 128 s'élève à travers la plaque 132 de maintien vers le bas et porte à son extrémité supérieure un bouchon fileté 152 qui présente avantageusement plusieurs trous intérieurs 142 dans lesquels la partie supérieure des tiges peut être dilatée pour empêcher le bouchon de se dévisser en cours de fonctionnement. Dans la forme préférée de réalisation, la pre mière grille 116, qui est totalement et classiquement en "Zircaloy", peut-être remplacée par une grille en "Inconel" ou en acier inoxydable, qui est beaucoup moins coûteuse et qui peut être aisément soudée à la tige 128 d'acier inoxydable. Etant donné que la première grille se trouve audessus de la zone A du combustible actif, l'introduction d'un absorbeur puissant de neutrons tel que l'alliage "Inconel" ou l'acier inoxydable n'affecte pas l'efficacité neutronique du coeur. L'invention permet une diminution de coût accompagnant le raccourcissement des tubes de guidage en "Zircaloy", cette économie étant de l'ordre de plusieurs milliers de francs par assemblage combustible. En outre, une économie de plus de cinq mille francs résulte de la simplification de la liaison entre les tiges d'acier inoxydable et le tube de guidage en "Zircaloy" et de la substitution d'une grille en "Inconel" à une grille en "Zircaloy". Un autre avantage de la présente invention résulte de l'utilisation d'acier inoxydable, plus robuste et résistant à l'usure, au niveau où les extrémités des barres de commande sont généralement "au repos" pendant le fonctionnement en charge. Les extrémités tendent à vibrer et à provoquer une usure contre les tubes de guidage. Dans les conceptions antérieures, le "Zircaloy", qui est relativement tendre, est très sujet à l'usure. Par contre, selon l'invention, une surface d'usure en acier inoxydable est placée dans cette zone et, de plus, l'intérieur des tiges peut être revêtu d'une couche de chrome afin de mieux résister à l'usure résultant du frottement ou des chocs des extrémités des barres de commande. La figure 4 montre schématiquement la première opération d'une reconstitution de l'assemblage, opération au cours do laquelle un outil 141 saisit la plaque 132 de maintien vers le bas et la plaque 130 d'écoulement afin de comprimer les ressorts 134 pour que le chapeau 152 puisse être retiré sans que les ressorts et la plaque de maintien soient éjectés des tiges 128. Après que le chapeau a été retiré, la plaque de maintien et la plaque d'écoulement, entre lesquelles les ressorts sont retenus, peuvent être enlevées d'un seul bloc et placées de côté. On peut à présent reconstituer l'assemblage en retirant les barres de combustible des grilles et en les remplaçant par des barres neuves. La plaque de maintien, les ressorts et la plaque d'écoulement sont ensuite abaissés sur les tiges, le bouchon est vissé en position et la plaque de l'outil est dégagée afin d'achever la reconstitution. I1 convient de noter que la présente invention assure la même efficacité de maintien que l'art antérieur, à l'aide d'un raccord extrême supérieur considérablement simplifié. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'assemblage décrit et representé sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Assemblage de combustible nucléaire, carac térisé en ce qu'il comporte un raccord extrême inférieur, un tube (114) de guidage en "Zircaloy" qui s'élève du raccord extrême inférieur, plusieurs barres de combustible disposées parallèlement autour du tube de guidage et s'élevant au-dessus de lui, plusieurs grilles (116) fixées au tube de guidage et espacées le long de ce dernier, afin de supporter les barres de combustible, une tige cylindrique (128) en matière autre que le "Zircaloy", reliée à l'extré- mité supérieure du tube de guidage et s'élevant au-dessus des barres de combustible, de manière que la liaison de la tige avec le tube de guidage soit située au-dessous des extrémités supérieures des barres de combustible. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une grille supérieure (116') fixée à ladite tige, cette dernière et ladite grille supérieure pouvant notamment être réalisées en acier inoxydable. 3. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les barres de combustible comprennent un espace sensiblement vide à leurs extrémités supérieures, la grille supérieure étant située au meme niveau que ledit espace et ladite liaison pouvant notamment être située au même niveau que cet espace, cette liaison pouvant notamment être un joint serti mécaniquement (123). 4. Assemblage de combustible nucléaire destiné à un réacteur à eau sous pression, caractérisé en ce qu'il comporte un raccord extrême inférieur, un tube de guidage (114) en "Zircaloy" qui s'élève du raccord extrême inférieur, plusieurs barres de combustible disposées parallèlement autour du tube de guidage et s'élevant au-dessus de lui, plusieurs grilles (116) fixées au tube de guidage et espacées le long de ce dernier afin de supporter les barres de combustible, un raccord extrême supérieur qui comprend une tige cylindrique (128) en matière autre que le "Zircaloy", reliée au tube de guidage et s'élevant au-dessus des barres de combustible, une plaque (132) de maintien vers le bas qui peut coulisser sur les tiges, des ressorts (1'4) qui peuvent être comprimés sous la plaque de maintien vers le bas, et des moyens supportés par les tiges et destinés à transmettre la force de maintien vers le bas des ressorts comprimés au tube de guidage, la liaison entre la tige et le tube de guidage étant située au-dessous des moyens transmettant la force des ressorts. 5. Assemblage selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il comporte une plaque d'écoulenent (13C) qui s 'étend transversalement au-dessus des barres de combustible et qui est montée de manière à pouvoir coulisser sur les tiges, entre les ressorts et les moyens de transmission de la force de maintien vers le bas, l'assemblage pouvant également comprendre, en particulier, un chapeau amovible (152) destiné à l'extrémité supérieure de chaque tige. 6. Assemblage de combustible nucléaire destiné à un réacteur à eau sous pression, cet assemblage comprenant un tube de guidage (114) en "Zircaloy" qui s'étend entre un raccord extrême inférieur et un raccord extrême supérieur en acier inoxydable, plusieurs grilles (116) en "Zircaloy" espacées longitudinalement, fixées au tube de guidage et s'étendant transversalement à ce dernier, afin de maintenir écartées et de supporter plusieurs barres de combustible nucléaire disposées parallèlement les unes aux autres, chaque barre de combustible traversant toutes les grilles et contenant un combustible fissile uniquement à des niveaux situés au-dessous de la grille (116') la plus haute, le raccord extrême supérieur comportant une plaque (130) d'écoulement située au-dessus de la grille ia plus haute, une plaque (132) de maintien vers le bas située audessus de la plaque d'écoulement, et des ressorts (134) qui travaillent entre les deux plaques, l'assemi:'lage étant caractérisé en ce que des tiges (128) de guidage, en acier inoxydable, descendent à travers la plaque d'écoulement jusqu 'à un-niveau situé au-dessus du combustIble fissile et auquel les tiges sont reliées aux tubes de guidage par un joint (123) à serrage mécanique. 7. Assemblage selon la revendication 6, caractérise en ce que chaque tige est épaissie (139) au niveau de la plaque d'écoulement afin de constituer un support inférieur pour cette plaque. 8. Assemblage selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure des tiges est reliée par un filetage à un chapeau (152) de retenue qui imite la course ascendante de la plaque de maintien vers le bas. 9. Assemblage selon la revendication 8, caractérisé en ce que le joint à serrage mécanique entre les tiges et les tubes de guidage est situé au-dessous de la grille la plus haute. 10. Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que la grille la plus haute est réalisée en une matière qui peut être soudée à l'acier inoxydable.