Brevet FR2488435A1 — publié le 19820212

- 1 - Grille bi-métallique pour un assemblage combustible de réacteur nucléaire La présente invention concerne des assemblages combustibles pour réacteur nucléaire et elle a trait plus particulièrement à une grille d'assemblage combustible conçue pour améliorer les performances du réacteur et pour être fabriquée à un prix de revient inférieur à celui des grilles classiques. Les réacteurs nucléaires industriels utilisés pour engendrer de l'énergie électrique comprennent un coeur composé d'une multitude d'assemblages combustibles qui engendrent la chaleur utilisée à des fins de création d'énergie électrique. Chaque assemblage combustible comprend un arrangement de barres de combustible et de tubes de guidage de barres de commande maintenus espacés mutuellement par des grilles qui ont une configuration à claire- voie, c'est-à-dire cellulaire, et qui sont espacées le long de l'assemblage combustible. Les barres de combustible peuvent avoir un diamètre d'environ 1,25 cm et une longueur d'environ 4 m, de sorte qu'un grand nombre de grilles de support est nécessaire le long de ces barres. Chaque grille comprend des bandes imbriquées en Inconel ou en Zircaloy qui forment de multiples cellules, chaque cellule comportant des ressorts sur deux parois adjacentes et une paire de saillies ou empreintes sur chacune des deux autres parois formant une cellule. Les ressorts exercent latéralement des forces de résistance sur chaque barre de combustible de l'as- semblage. Bien que cette conception d'assemblage de combustible fonctionne exceptionnellement bien dans un réacteur nucléaire, un des inconvénients inhérents à la conception réside dans le fait qu'il arrive parfois que les ressorts et les empreintes faisant saillie vers l'intérieur entaillent ou éraflent la surface des barres combustibles pendant que l'on tire celles- ci dans les grilles de l'assemblage combustible. Pendant que l'on effectue cette opération de mise en place des barres de combustible, les grilles sont maintenues immobiles pendant qu'une tige d'acier longitudinale fixée à l'extrémité d'une barre de combustible tire celle- ci axialement à travers les ouvertures ou cellules alignées des grilles. Lorsque la barre de combustible rencontre les ressorts et les empreintes des cellules des grilles, les bords de ceux-ci attaquent la sur- face nue relativement tendre de la barre de combustible qui se déplace et, dans certains cas, ces bords éraflent cette sur- face sur une profondeur suffisante pour que la barre ne corres- ponde plus aux spécifications de surface établies pour les barre de combustible. De plus, le matériau qui constitue les bandes des grilles et dont sont formés les ressorts et les empreintes présente une section droite importante en ce qui concerne la capture des neutrons, particulièrement quand ce matériau est de l'Inconel. Bien que le Zircaloy recuit ne soit pas aussi nuisible, il diminue dans un certain degré la performance et le rendement du réacteur. La présente invention a pour objet principal une structure de grille simple pour un assemblage combustible de réacteur nucléaire, cette structure présentant une section droite relativement peu importante en ce qui concerne la cap- ture des neutrons mais de bonnes caractéristiques de support. Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans une structure de grille pour un assemblage combus- tible de réacteur nucléaire maintenant mutuellement espacées ces barres de combustible nucléaire et des tubes de guidage de barres de commande, cette structure de grille comprenant, d'une part, des bandes qui sont imbriquées perpendiculairement les unes aux autres de manière à former de multiples ouvertures de configuration carrée et qui comportent des empreintes ou saillies s'étendant vers l'intérieur dans chaque cellule depuis les parois de deux bandes adjacentes et, d'autre part, une bande périphérique entourant lesdites bandes imbriquées, les extré- mités desdites bandes imbriquées étant fixées à la bande -3- périphérique, la structure susvisée étant caractérisée par le fait que lesdites bandes imbriquées consistent en un premier et un second ensemble monté,l'un audessus de l'autre de telle sorte que les ouvertures de chacun desdits ensembles sont alignées axialement les unes avec les autres de manière à former de multiples cellules et que lesdites empreintes ou saillies sont formées dans les premier et second ensembles de bandes en formant ainsi deux ensembles d'empreintes alignées verticalement dans chaque cellule et, enfin, que des lamelles élastiques sont logées dans des encoches formées dans lesdites bandes à l'inter- face entre les deux ensembles et s'étendent au droit desdites cellules d'un côté à l'autre de la grille assemblée, lesdites lamelles élastiques comportant des segments disposés en regard desdites empreintes et adaptés pour pousser contre ces empreintes une barre de combustible s'étendant à travers une cellule. Les techniciens en la matière comprendront que la hauteur des grilles peut être réduite grâce à l'élimination des éléments élastiques qui se trouvaient jusqu'à présent au milieu de chaque bande de grille. La présente invention apparattra plus facilement dans la description ci-après d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur les- quels g - la figure l est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'un assemblage combustible illustrant la disposition des grilles de la présente invention par rapport aux autres éléments constitutifs de l'assemblage; - les figures 2 et 2B sont des vues en élévation de bandes de grille qui, lorsqu'elles sont enchevêtrées, forment une partie inférieure de la grille de la présente invention; - les figures 3 et 3B sont des vues en élévation des bandes de grille qui, lorsqu'elles sont enchevêtrées, forment la partie supérieure de la grille de la présente invention; - la figure 4 est une vue en élévation montrant la -4 _ surface extérieure d'une bande périphérique utilisée pour entourer les bandes de grille enchevêtrées des figures 2 et 3; - la figure 5 est une vue de la bande illustrée sur la figure 3, cette vue étant faite par V-V de la figure 4; - la figure 6 est une vue en plan d'une partie de la grille montrant la disposition relative des ressorts, des empreintes et des bandes utilisées pour maintenir des chaus- settes de guidage de barres de combustible dans une position déterminée; la figure 7 est une vue en élévation des ressorts représentés sur la figure 6; et - la figure 8 est une vue en plan des ressorts représentés sur la figure 7. En se référant maintenant à la figure 1, on voit que l'on y a représenté un assemblage combustible 10 pour réacteur nucléaire, cet assemblage comprenant un arrangement de barres de combustible maintenues espacées l'une de l'autre par des grilles 14 espacées le long de cet assemblage combustible. Chaque grille comprend des sections supérieure et inférieure 16, 18 et une bande périphérique ou collier 20. En se référant maintenant plus particulièrement à la grille 14 représentée sur les figures 2-6, on voit que chaque section supérieure et inférieure 16, 18 comprend des bandes multiples 22, 23 (figures 2-6),en Zircaloy, en Inconel ou en tout autre matériau approprié,assemblâs de façon imbriquée de manière former deux sections de grille ayant une configuration à claire-voie. Les ouvertures carrées 24 ainsi formées dans chaque section 16, 18 sont alignées verticalement de manière à former des cellules et ont des dimensions suffisantes pour loger des barres 12 de combustible ou bien des tubes 25 de guidage de barres de commande. La section inférieure 18 comprend un ensemble de bandes imbriquées 22, 23 comportant des fentes 25, 26 qui per- mettent d'imbriquer ces bandes perpendiculairement les unes aux autres d'une manière bien connue dans la technique. Des - 5 - saillies ou empreintes 27 s'étendent vers l'intérieur à partir des parois des bandes adjacentes dans chaque section, comme représenté, en formant ainsi une paire de protubérances ali- gnées verticalement dans chaque cellule. La différence par rapport aux conceptions classiques réside dans le fait que la paroi supérieure de chaque bande comprend des encoches 28, chaque cellule comportant au total deux encoches, en vue de loger un ressort comme on va le décrire de façon plus complète par la suite. La section supérieure 16 de grille 14 comprend, comme représenté sur les figures 3 et 3B, des bandes similai- res 29, 30 comportant des fentes 31, 32 pour en faciliter l'assemblage ainsi que des empreintes ou saillies 27 comme décrit ci-dessus. La paroi supérieure des bandes 29, 30 est pourvue d'ailettes 33 ayant une conception classique et des- tinées à guider un écoulement de réfrigérant. Quand les bandes 22, 23 de la section inférieure et les bandes 29, 30 de la section supérieure ont été assemblées séparément, elles forment la conception à claire-voie repré- sentée sur les figures 4-6. La section 16 de grille est placée sur la section supérieure 18, les bandes de la section 16 recouvrant directement les bandes de la section 18 de manière à former les cellules 24. Ces deux sections 16, 18 de grille sont maintenues assemblées par la bande périphérique 20 qui entoure les sections de grille juxtaposées. On obtient ce résultat à l'aide de courtes oreilles 36 qui font saillie longitudinalement vers l'extérieur depuis l'extrémité de chaque bande et qui s'em- bottent dans des ouvertures 38 formées par poinçonnage dans la bande périphérique. Quand les oreilles de chaque bande ont été placées dans leurs ouvertures correspondantes 38 de la bande périphérique et quand elles ont été soudées au corps de cette bande périphérique, il est évident que les sections de grille supérieure et inférieure 16, 18 se trouvent en contact l'une avec l'autre, c'est-à-dire qu'elles sont espacées verticalement - 6 - de façon précise d'une distance choisie et qu'elles ne peuvent plus se déplacer l'une par rapport à l'autre. Cette disposition réunit en fait les deux sections de grille 16, 18 sous la forme d'un seul corps de grille qui joue alors le r8le d'une seule grille. Quand on assemble un assemblage combustible, on positionne un arrangement de tubes 25 de guidage de barres de commande (figure 1), lequel comporte des barres de commande 40 adaptées pour coulisser longitudinalement dans ces tubes, de manière que lesdits tubes s'étendent axialement à travers des cellules choisies dans la grille et on soude ensuite ces tubes à des pattes des grilles, c'est-à-dire aux parois des bandes, de manière à former l'ossature d'assemblage combustible. Les extrémités opposées des tubes de guidage sont fixées aux buses supérieure et inférieure 42, 44 de la manière habituelle. En se référant à la vue en plan de la figure 6, on voit que celle-ci représente la disposition relative des barres de combustible et des tubes de guidage et, particulièrement, la façon selon laquelle les barres de combustible sont mainte- nues dans une position relativement fixe dans chaque grille. Chaque barre 12 de combustible est poussée par un ressort 46 de manière à porter contre les empreintes 27 qui sont formées sur les parois des bandes des grilles et qui, comme on peut le voir, font saillie vers l'intérieur dans chaque cellule 24. Cette disposition constructive sert à empêcher un déplacement axial des barres de combustible dans leurs grilles pendant que l'on déplace ou transfère l'assemblage combustible d'un endroit à un autre. Les empreintes sont formées à la fois dans les ban- des 22, 23, 29 et 30 de la structure à claire-voie et dans la bande périphérique 20 pendant l'opération d'emboutissage des bandes. Quand les bandes appropriées ont été assemblées sous la forme d'une grille, les empreintes font saillie dans chaque cellule, à l'exception de celles contenant les tubes de guidage de barres de commande, depuis deux parois adjacentes comme représenté. Les deux empreintes formées sur la section de -7 - grille inférieure sont alignées verticalement avec celles se trouvant immédiatement au-dessus sur la section de grille supérieure. Pour faciliter l'installation de plusieurs ressorts 46 diagonalement ns les grilles, le bord supérieur des bandes 22, 23 sont munis de plusieurs encoches 28 dans chacune des- quelles on enfile le ressort avant de mettre en place la section supérieure 1G. Le ressort est coudé de façon appropriée sur sa longueur de manière à être logé ou ajusté dans l'espace relati- vement limité de chaque cellule, cela de la manière représentée. Quand tous les ressorts se trouvent dans leurs fentes respecti- ves, on place la grille supérieure 16 sur le dessus de la grille inférieure 18, les ouvertures carrées de chaque grille étant alignées axialement de manière à former des cellules 24. On enroule ensuite la bande périphérique 20 autour des grilles, on introduit les oreilles 36 dans les ouvertures 38 de la bande périphérique puis on les soude. Cette opération sert non seule- ment à bloquer ou emprisonner chaque ressort dans chaque cel- lule mais elle a également pour but de fixer solidement les oreilles des bandes à la bande périphérique et de former ainsi la structure rigide voulue. En se référant aux figures 6 et 7, on voit que le segment 50 de ressort se trouvant dans chaque cellule porte contre la surface de la barre 12 de combustible et pousse celle- ci contre les saillies ou empreintes 27 de manière à contribuer au support de la barre de combustible dans sa position. Grâce à cette disposition, la barre de combustible est soumise à un support en cinq points. En effet, deux empreintes, présentes l'une au-dessus de l'autre sur les bandes adjacentes des sec- tions supérieure et inférieure, portent contre la barre de combustible à des intervalles de 900 de manière à former quatre points de support. L'autre point de support est assuré par le ressort qui porte contre la barre de combustible en un point intermédiaire aux empreintes supérieure et inférieure et situé au sommet d'un triangle dont la base s'étend entre deux empreintes disposées horizontalement. -8- Le ressort 34 comprend initialement une pièce plate et on le coude à la configuration représentée et avec une constante élastique suffisante pour qu'il soit toujours en contact avec la surface de la barre de combustible au moins en un point. Quand le ressort a été mis initialement en place et que l'on tire une barre de combustible dans une cellule 24, la section centrale 50 du ressort revient en contact initiale- ment avec cette barre de manière à la maintenir ainsi en place quand on transporte l'assemblage vers d'autres zones. Après qu'elles ont été irradiées et exposées à une chaleur importante dans un réacteur pendant le fonctionnement de celui-ci, il se produit dans les bandes en Zircaloy et dans les ressorts en Inconel une détente ou relaxation mais la section 50 de ressort reste encore en contact avec la barre de combustible en pous- sant celle-ci contre les empreintes. L'homme de métier compren- dra que les sections de ressort 52 et/ou 54 peuvent aussi être en contact avec la barre de combustible en plus de la section au moment de l'assemblage des barres de combustible dans les grilles. Afin d'empocher que le ressort s'échappe de ses encoches et soit entraîné par le réfrigérant du réacteur dans le cas d'une rupture, chaque extrémité du ressort comprend une partie élargie 48 en forme de T qui a des dimensions plus grandes que l'encoche à travers laquelle elle s'étend. Les extrémités 48 des ressorts qui se terminent dans l'angle de la grille ne pénètrent pas dans la bande périphérique mais restent à l'intérieur de la grille et portent contre la surface inté- rieure de la bande, comme on peut le voir dans le quart infé- rieur de droite de la figure 6. L'extrémité du ressort se termine aussi de la même manière dans la cellule d'angle dis- posée diagonalement. Les extrémités des ressorts qui occupent les angles inférieur gauche et supérieur droit s'étendent à travers les bandes adjacentes, comme on peut le voir, de manière à les bloquer en position. - 9 - REVENDICATIONS 1. Structure de grille destinée à un assemblage combustible de réacteur nucléaire et maintenant espacées mutuellement des barres de combustible nucléaire et des tubes de guidage de barres de commande, cette structure comprenant, d'une part, des bandes qui sont assemblées de façon imbriquée perpendiculairement les unes aux autres de manière à former de multiples ouvertures de configuration carrée et qui comportent des saillies ou empreintes s'étendant vers l'intérieur dans chaque cellule depuis les parois de deux bandes adjacentes et, d'autre part, une bande périphérique entourant lesdites bandes imbriquées, les extrémités desdites bandes imbriquées étant fixées à la bande périphérique, caractérisée par le fait que- lesdites bandes imbriquées sont constituées par des premier et second ensembles (16, 18) montés l'un au-dessus de l'autre de telle sorte que les ouvertures (24) de chacun desdits ensem- ble (16, 18) se trouvent en alignement axial mutuellement de manière à former de multiples cellules; lesdites saillies ou empreintes (27) sont formées dans les premier et second ensem- bles (16, 18) de bandes, en constituant ainsi deux ensembles de saillies alignées verticalement dans chaque cellule; et les bandelet" élastiques (46) sont logées dans des encoches (28) formées dans lesdites bandes à l'interface entre les deux en- sembles (16, 18) et s'étendent au droit desdites cellules (24) d'un c8té à l'autre de la grille assemblée, lesdites bandeletes élastiques (46) comportant des segments (50) disposés en face desdites saillies (27) et adaptés de manière à pousser une barre (12) de combustible s'étendant à travers une cellule (24) contre lesdites saillies (27). 2. Structure de grille suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les extrémités des bandes formant lesdits premier et second ensembles (16, 18) sont reliées à ladite bande périphérique (20) de manière à maintenir ainsi les ensembles supérieur et inférieur (16, 18) de bandes immobiles l'un par rapport à l'autre. - 10 - 3. Structure de grille suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdites bandelettes élastiques (46) comportent à leurs deux extrémités des parties agrandies (48) ayant des dimensions supérieures aux dimensions desdites encoches (28) gr9ce à quoi lesdites bandelettes élastiques (46) ne peuvent pas s'échapper dans le réfrigérant du réacteur dans le cas de leur rupture. 4. Structure de grille suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que les segments de chacune desdites bandelettes élastiques (46) se trouvant dans lesdites cellules (24) comprennent deux ou plus de deux parties (50) disposées de manière à être en contact avec la barre (12) de combustible, les forces élastiques des- dits segments étant suffisamment puissantes pour assurer le support des barres (25) pendant que l'on transfère l'assemblage combustible d'une zone à une autre, et la constante d'élasti- cité pour chacun desdits ressorts (46) étant choisie de manière que, lorsque les bandes (22, 23) et les ressorts (46) ont été exposés à une irradiation et aux températures d'un réacteur en fonctionnement, les ressorts sont le siège d'une détente ou d'une relaxation de manière que soit assuré un seul point de sollicitation qui pousse les barres (12) de combustible contre les saillies (27). 5. Structure de grille suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que ladite bande périphérique (20) entourant les grilles supérieure et inférieure (16, 18) a une hauteur suffisante pour recouvrir les bandes des deux grilles (16, 18), ladite bande périphérique (20) étant fixée à des oreilles (36) s'étendant à partir des extrémités des bandes imbriquées (22, 23). 6. Structure de grille suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que lesdites bandes (20, 22, 23) sont en Zircaloy et que lesdites bande- lettes élastiques (46) sont en Inconel.