Brevet FR2497997A1 — publié le 19820716

Assemblage combustible pour réacteurs nucléaires. La présente invention se rapporte à des assemblages combustibles pour réacteurs nucléaires et elle concerne plus précisément des assemblages combustibles comportant des méca- nismes solidaires de verrouillage. Dans les réacteurs nucléaires caractéristiques, on ajuste la réactivité en modifiant la quantité de substances (poisons) d'absorption des neutrons dans le coeur du réacteur. D'une manière générale, on utilise des barres de commande qui absorbent les neutrons et on réalise cette fonction d'ajuste- ment de la réactivité en modifiant le nombre et la position de ces barres de commande par rapport au coeur du réacteur. Outre des barres de commande, on peut utiliser des poisons consommables et des poisons dissous dans le fluide de refroi- dissement du réacteur afin d'ajuster la réactivité. Dans les constructions classiques de réacteurs à eau sous pression, on prévoit au démarrage un excédent de ré- activité dans le coeur du réacteur de sorte que, la réactivité diminuant au cours de la vie du coeur, cette réactivité en excès pourra être utilisée pour prolonger la durée de vie du coeur. Du fait qu'un excédent de réactivité est prévu dans le coeur du réacteur au début de la vie du coeur, une substance d'absorption des neutrons, telle que le bore soluble, doit &tre placée dans le coeur à ce moment-là afin de permettre un ajustement correct de cet excédent de réactivité. Au cours de la vie du coeur, au fur et à mesure que diminue la réactivité, la substance d'absorption des neutrons est retirée progressive- ment du coeur du réacteur, de sorte qu'on peut utiliser l'excé- dent initial de réactivité. Bien que cette disposition fournis- se un moyen de commande d'un réacteur nucléaire au cours d'une durée de vie prolongée du coeur, la substance d'absorption des neutrons utilisée pendant la vie du coeur absorbe les neutrons et supprime dans le coeur du réacteur un excédent de réactivi- té qui pourrait être utilisé, d'autre part, avec plus de pro- fit comme, par exemple, dans la production de plutonium com- bustible. Ce procédé de réduction de la réactivité sans forma- tion d'un produit utile a pour conséquence un appauvrissement en uranium avec un rendement plus faible et des coûts de com- bustible plus élevés que ceux que l'on pourrait obtenir par ailleurs. Par conséquent, il serait avantageux de pouvoir pro- longer la durée de vie du coeur du réacteur sans supprimer l'excédent de réactivité au moyen d'une substance d'absorption des neutrons et, de ce fait, obtenir une durée de vie prolon- gée du coeur avec des coûts de combustible notablement infé- rieurs. Un procédé permettant d'obtenir une durée de vie pro- longée du coeur tout en réduisant la quantité de substance d'absorption des neutrons dans le coeur d'un réacteur à eau lourde, consiste à utiliser la "commande par dérive spectrale". Dans ce cas, on réduit l'excédent de réactivité (et donc la substance d'absorption des neutrons) en remplaçant par de l'eau ordinaire une partie importante du fluide de refroidissement du réacteur à eau lourde, ce qui retarde la réaction en chaî- ne en dérivant le spectre des neutrons vers des énergies plus hautes et permet au réacteur de fonctionner à sa puissance ma- ximum avec une substance réduite d'absorption des neutrons. Cette dérive du spectre des neutrons vers un spectre durci pro- voque également la conversion d'une plus grande quantité d'u- ranium 238 en plutonium qui est utilisé ensuite pour produire de la chaleur. La dérive d'un spectre "mou" vers un spectre "dur" a donc pour conséquence qu'un plus grand nombre de neu- trons sont consommés de manière utile par l'uranium 238 plutôt que par des poisons. Au fur et à mesure que diminue la réacti- vité, l'eau ordinaire est remplacée progressivement par de l'eau lourde de manière à maintenir un niveau correct d'acti- vité du coeur du réacteur. A la fin de la vie du coeur, toute l'eau ordinaire a sensiblement été remplacée par de l'eau lour- de tandis que la réactivité du coeur a été maintenue. On peut donc commander le réacteur sans utiliser de substance d'absorp- tion des neutrons et sans utiliser un excédent de réactivité au démarrage, ce qui a pour conséquence des économies signifi- catives du coût de l'uranium combustible. La production supplé- mentaire de plutonium réduit également les besoins d'enrichis- sement en uranium 235. La présente invention a pour objet principal de four- nir un mécanisme de verrouillage d'assemblage combustible u- tilisable en liaison avec des réacteurs à dérive spectrale qui réduisent les coûts d'uranium combustible et prolongent la durée de vie du coeur du réacteur. Afin de réaliser cet objet, la présente invention consiste en un assemblage combustible pour réacteurs nucléai- res comprenant une tubulure supérieure, une tubulure inférieu- re, plusieurs éléments combustibles contenant le combustible nu cléaire et disposés entre la tubulure supérieure et la tubulu- re inférieure, et plusieurs tubes de guidage disposés entre et fixés à la tubulure supérieure et à la tubulure inférieure. Cet assemblage combustible est caractérisé en ce qu'un méca- nisme de verrouillage est associé à l'un des tubes de guidage et comprend un élément inférieur fixé à l'extrémité inférieure de ce tube de guidage et un moyen d'ancrage dans la plaque inférieure du coeur du réacteur nucléaire pour fixer l'as- semblage combustible à cette plaque inférieure du coeur; et en ce que des moyens de verrouillage sont fixés à la tubulure supérieure pour emp&cher le dégagement de ce moyen d'ancrage. La présente invention sera bien comprise à la lectu- re de la description suivante faite en relation avec les des- sins ci-joints, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe verticale de la cuve du réacteur; - la figure 2 est une vue en coupe verticale de la partie supérieure de l'assemblage combustible; - la figure 3 est une vue en coupe verticale de la partie inférieure de l'assemblage combustible; - la figure 4 est une vue en plan d'une plaque de montage; la figure 5 est une vue en perspective des barres de déplacement et de leur assemblage combustible respectif; - la figure 6 est une vue en coupe vertical partiel- le d'un assemblage combustible; - la figure 7 est une vue en coupe verticale partiel- le de la partie inférieure d'un assemblage combustible; - les figures 8 et 9 sont des vues partielles en coupe verticale de la partie supérieure d'un assemblage combus- tible - la figure 10 est une vue suivant le plan X-X de la figure 8; - la figure 11 est une vue suivant le plan de coupe XI-XI de la figure 8; et la figure 12 est une vue suivant le plan de coupe XII-XII de la figure 8. On se reportera à la figure 1. Un réacteur nuclé- aire de référence générale 20 comprend une cuve 22 à la partie supérieure de laquelle est fixé une tête amovible 24 de fer- meture. Une tubulure 26 d'entrée et une tubulure 28 de sortie sont reliées à la cuve 22 du réacteur pour permettre la cir- culation d'un fluide de refroidissement, tel que de l'eau, dans la cuve 22 du réacteur. Une plaque 30 faisant partie du coeur, disposée à la partie inférieure de la cuve 22 du réac- teur, sert à supporter les assemblages combustibles 32. Ces derniers sont placés dans la cuve 22 du réacteur et ils cons- tituent le coeur 34 du réacteur. Plusieurs mécanismes 36 de translation des barres de commande sont montés sur la tête 24 de fermeture, permettant de plonger ces barres de commande dans les assemblages combustibles 32 ou les en retirer. En outre, plusieurs mécanismes 38 de translation des barres de déplacement sont montés également sur la tête 24 de fermeture pour permettre de plonger ces barres 40 de déplacement dans les assemblages combustibles 32 ou les en retirer. Ces méca- nismes 38 de translation des barres de déplacement peuvent être analogues à celui qui est décrit dans la demande de brevet américain no 217 055. Pour la clarté de l'illustration, seules quelques barres 40 de déplacement sélectionnées sont représen- tées à la figure 1. Les barres/de déplacement sont des barres cylindriques allongées sensiblement creuses qui peuvent être du type décrit dans la demande de brevet américain n0 217 052. Les barres 40 de déplacement sont disposées de manière à se trouver dans le prolongement linéaire des tubes de guidage dans les assemblages combustibles 32 de sorte que ces barres de déplacement peuvent être introduites dans les tubes lors- qu'on le désire. L'introduction des barres 40 de déplacement dans les assemblages combustibles 32 a pour effet d'expulser du coeur 34 l'eau constituant le modérateur, ce qui réduit la modération du coeur. Plusieurs structures 42 de guidage des barres de déplacement sont situées dans la partie supérieure de la cuve 22 du réacteur, chacune de ces structures se trou- vant dans l'alignement d'un mécanisme 38 de translation des barres de déplacement, afin de guider le mouvement de ces bar- res 40 de déplacement dans la partie supérieure de la cuve 22 du réacteur. Une calandre 44 peut être prévue entre les assem- blages combustibles 32 et les structures 42 de guidage des barres de déplacement; cette calandre comprend plusieurs tu- bes creux en acier inoxydable disposés dans le prolongement linéaire de chaque barre de déplacement et de chaque barre de commande afin d'assurer le guidage de chacune de ces différen- tes barres dans la région de la calandre et réduire au minimum les vibrations provoquées dans ces barres par l'écoulement du fluide de refroidissement. On se reportera maintenant aux figures 2 à 5. Les assemblages combustibles 32 comprennent des éléments combusti- bles 48, des sommiers 50, une tubulure inférieure 52, une tu- bulure supérieure 54 et des tubes 56 de guidage. Les éléments combustibles 48 peuvent être constitués de tubes métalliques cylindriques allongés qui contiennent des pastilles de combus- tible nucléaire et dont les deux extrémités sont scellées par des bouchons d'extrémité. Les éléments combustibles 48 peuvent être disposés en un réseau sensiblement carré de 20 x 20 élé- ments et ils sont maintenus en place par des sommiers 50. Les tubes 56 de guidage, qui peuvent être au nombre de 25, sont disposés dans chaque assemblage combustible 32, chaque tube 56 de guidage occupant l'espace d'environ quatre éléments com- bustibles 48. Les tubes 56 de guidage se prolongent depuis la tubulure inférieure 52 jusqu'à la tubulure supérieure 54 et constituent un moyen d'interconnexion des sommiers, de la tu- bulure supérieure 54 et de la tubulure inférieure 52. Les tubes 56 de guidage peuvent être constitués de tubes métalliques cy- lindriques creux fabriqués à partir d'un métal tel que le Zircaloy pour tubes et pouvant contenir des barres telles que des barres 40 de déplacement ou des barres de commande. Les tubes 56 de guidage peuvent présenter des ouvertures sur leurs faces latérales ou à leurs extrémités inférieures pour permet- tre au fluide de refroidissement du réacteur de les traverser afin d'opérer leur refroidissement. Les barres 40 de déplace- ment et les barres de commande sont fabriquées approximative- ment aux mêmes dimensions, de sorte que chaque tube 56 de gui- dage peut contenir aussi bien une barre de déplacement qu'une barre de commande. Lorsqu'ils ne contiennent pas de barre, les tubes 56 de guidage sont remplis de fluide de refroidissement du réacteur; cependant, lorsqu'elles sont introduites dans les tubes 56 de guidage, les barres 40 de déplacement expulsent le fluide de refroidissement contenu dans les tubes. Les sommiers 50, qui sont par exemple au nombre de douze par assemblage combustible, sont placés en divers points le long de l'assemblage combustible 32 et ils servent à main- tenir les éléments combustibles 48 et les tubes 56 de guidage écartés les uns des autres d'une distance appropriée, et à permettre la circulation du fluide de refroidissement du ré- acteur en vue de l'échange de chaleur avec les éléments com- bustibles 48. Le sommier 50 situé le plus près de la tubulure supérieure 54 est appelé "sommier supérieur" 58, tandis que le sommier 50 situé le plus près de la tubulure inférieure 52 est appelé "sommier inférieur" 60, les dix sommiers 50 situés entre le sommier supérieur 58 et le sommier inférieur 52 étant appelés "sommiers intermédiaires" 62. Vingt-quatre manchons 64 en acier inoxydable sont brasés sur chaque sommier supérieur 58 et sur chaque sommier inférieur 60, et vingt-quatre manchons 64 en zircaloy sont soudés sur chaque sommier intermédiaire 62. Tous les tubes 56 de guidage, sauf le tube central 68 de guidage, sont fixés mé- caniquement à chaque sommier 50 par un renflement intérieur. Le fait que vingt-quatre tubes 56 de guidage sont fixés aux douze sommiers 50 crée un assemblage combustible dont la rigi- dité latérale est notablement supérieure à celle de la plupart des assemblages combustibles existants. En outre, vingt-quatre manchons 70 en acier inoxydable sont soudés à chaque plaque supérieure 72 de montage qui fait partie de la tubulure supé- rieure 54. Chaque plaque supérieure 72 de montage peut être construite comme le représente la figure 5, mais il est préfé- rable qu'elle soit formée comme le représente la figure 4. Les manchons 70 en acier inoxydable sont soudés à chaque plaque 72 de montage à l'aide de quatre soudures axiales. Une plaque in- férieure 74 de montage, qui peut être analogue à la plaque su- périeure 72 de montage, fait partie de la tubulure inférieure 52. Plusieurs vis 76 en acier inoxydable traversent la plaque inférieure 74 de montage et sont utilisées pour fixer les tubes 56 de guidage à la tubulure inférieure 52. Les vis 76 peuvent également comporter une rainure longitudinale pour per- mettre au fluide de refroidissement du réacteur de pénétrer dans les tubes de guidage afin de les refroidir. On se reportera maintenant à la figure 6. Sur la pla- que 30 du coeur sont montées plusieurs broches 80 de guidage qui peuvent s'adapter dans des encoches semi-circulaires 82 formées dans la tubulure inférieure 52. Ces broches 80 de gui- dage sont prévues pour s'engager dans quatre encoches conti- guës 82 formées dans les assemblages combustibles 32 afin d'as- surer l'alignement de ces assemblages combustibles 32 sur la plaque 30 du coeur. De même, si on le désire, la tubulure su- périeure 54 peut comporter des encoches semi-circulaires 82 destinées à recevoir des broches de guidage montées sur une plaque supérieure du coeur (non représentée). On se reportera maintenant aux figures 6 à 12. Un mécanisme 84 de verrouillage des assemblages combustibles est prévu dans chacun des assemblages combustibles 32 pour fixer ceux-ci sur la plaque 30 du coeur et, de ce fait, éliminer la nécessité des ressorts de fixation utilisés dans l'art antérieur. Pour des raisons de clarté, les assemblages combustibles repré- sentés aux figures 6 à 12 ont été simplifiés; cependant, il doit être bien entendu que ces assemblages combustibles sont identiques à ceux qui sont représentés aux figures 2 à 4. Tous les assemblages combustibles 32 peuvent donc être pourvus d'un mécanisme 84 de verrouillage. Ce dernier mécanisme comprend un élément inférieur 86 en acier inoxydable qui est monté de ma- nière à pouvoir coulisser au centre de la plaque inférieure 74 de montage. L'élément inférieur 86 présente un premier alésa- ge 88 permettant le passage du fluide de refroidissement du réacteur, et des filets extérieurs 90 sont formés sur la par- tie inférieure de l'élément 86 pour permettre l'engagement du mécanisme 92 d'ancrage. Une rondelle élastique 94 de Belleville est placée dans une encoche formée dans la plaque inférieure 74 de montage et cette rondelle est comprimée lorsque l'élé- ment inférieur 86 est poussé de force vers le bas par rapport à la plaque inférieure 74 de montage, comme le représente la figure 6. La rondelle élastique 94 empêche une perte de pous- sée axiale préalable due à une légère rotation de déblocage des filets extérieurs 90. Le mécanisme 92 d'ancrage comprend une pièce infé- rieure 96 d'ancrage en acier inoxydable qui peut être vissée ou soudée à la plaque 30 du coeur. Une pièce encastrée amovi- ble 98 est prise et maintenue par la pièce inférieure 96 d'an- crage. La pièce encastrée 98 peut être en acier inoxydable austénitique, résistant à l'usure et anti-grippage et elle est pourvue de filets intérieurs 100 dans lesquels s'engagent les filets extérieurs 90, ce qui permet de verrouiller l'élément inférieur 86 sur la plaque 30 du coeur. La pièce encastrée 98 peut également présenter un deuxième alésage 102 permettant le passage du fluide de refroidissement du réacteur vers le premier alésage 88 de l'élément inférieur 86. Un collier 104 de verrouillage peut être prévu avec des filets intérieurs (non représentés) qui correspondent aux filets extérieurs (non représentés) formés sur la pièce encastrée 98, permettant de ce fait d'amener la pièce encastrée 98 et le collier 104 de verrouillage en contact étroit avec la pièce inférieure 96 d'ancrage. En outre, une goupille 106 de verrouillage peut être prévue pour bloquer ensemble la pièce encastrée 98 et le collier 104 de verrouillage, empêchant ainsi un déblocage par inadvertance des deux pièces. Le tube central 68 de guidage qui peut être fabriqué en Zircaloy est fixé par un renflement à l'élément inférieur 86 et se prolonge dans la tubulure supérieure 54. Un mécanis- me 108 à cliquet est fixé au tube central supérieur 68 de gui- dage afin de bloquer ce dernier sur la tubulure supérieure 54. Le mécanisme 108 à cliquet comprend un élément rainuré 110 qui est soudé à l'extrémité supérieure du tube central 68 de gui- dage. Un élément coulissant 112 présentant des bossages 114 sur sa face intérieure, est monté de manière à pouvoir coulis- ser sur l'élément rainuré 110 de sorte que les bossages 114 s'engagent librement dans les rainures 116 de l'élément rainu- ré 110. Ce montage permet un déplacement axial mais non la rotation de l'élément coulissant 112 par rapport à l'élément rainuré 110. L'élément coulissant 112 comporte également un premier ensemble de dents 118 de cliquet prévues sur sa partie extérieure. Un deuxième ensemble de dents 120 de cliquet est formé sur un manchon 122 de maintien de manière à correspondre au premier ensemble de dents 118 de cliquet. Le manchon 122 de maintien est disposé autour de l'élément coulissant 112 et il est fixé à la plaque supérieure 72 de montage de sorte que l'élément coulissant 112 peut coulisser par rapport au manchon 122 de maintien. Un mécanisme 124 de poussée, qui peut être un ressort hélicoïdal, est monté entre la plaque supérieure 72 de montage et le premier ensemble de dents 118 de cliquet et autour de l'élément coulissant 112 afin de pousser l'élé- ment coulissant 112 vers le haut, amenant ainsi le premier en- semble de dents 118 de cliquet en contact avec le deuxième ensemble de dents 120 de cliquet. Une clé 126 de manoeuvre, qui peut être constituée d'une longue tige métallique se ter- minant à son extrémité inférieure par une tête hexagonale 128, peut être introduite dans le tube central 68 de guidage afin d'engager les filets extérieurs 90 dans les filets intérieurs 100. Cette clé 126 de manoeuvre peut également comporter, à son extrémité supérieure, une barre transversale 130 qui peut être logée dans une rainure 132 de l'élément coulissant 112. Lorsqu'on désire verrouiller un assemblage combusti- ble 32 sur la plaque 30 du coeur, on introduit la clé 126 de manoeuvre dans le tube central 68 de guidage de sorte que la barre transversale 130 de la clé se trouve dans la rainure 132, et la tête 128 dans l'élément inférieur 86. Du fait que le tu- be central 68 de guidage n'est pas solidement fixé à la pla- que supérieure 72 de montage, le tube central 68 de guidage peut tourner et coulisser librement par rapport à la plaque supérieure 72 de montage mais il ne peut pas en être retiré à cause de l'interaction de l'élément rainuré 110 et de l'élé- ment coulissant 112. La clé 126 de manoeuvre est ainsi utilisée pour pousser l'élément inférieur 86 au contact de la plaque inférieure 74 de montage et pour faire tourner les filets ex- térieurs 90 dans les filets intérieurs 100, verrouillant donc l'assemblage combustible 32 sur la plaque 30 du coeur. Puisque le premier ensemble de dents 118 de cliquet est disposé pour commander le deuxième ensemble de dents 120 de cliquet, il n'est pas nécessaire d'abaisser l'élément coulissant 112 afin d'engager les filets extérieurs 90 dans les filets intérieurs 100. Cependant, lorsqu'il est nécessaire de déverrouiller l'é- lément inférieur 86 du mécanisme 92 d'ancrage, on doit abais- ser l'élément coulissant 112 et, de ce fait, comprimer le mé- canisme 124 de poussée pour dégager le premier ensemble de dents 118 de cliquet du deuxième ensemble de dents 120 de cli- quet. Lorsque l'élément coulissant 112 a été ainsi abaissé com- me le représente la figure 9, il peut être maintenu dans cette position et on le fait tourner de manière à dégager l'élément inférieur 86 du mécanisme 92 d'ancrage, déverrouillant ainsi l'assemblage combustible de la plaque 30 du coeur. Puisque la tubulure supérieure 54 est reliée au- manchon 122 de main- tien par l'intermédiaire de la plaque supérieure 72 de monta- ge, et à la plaque inférieure 74 de montage par l'intermédiai- re des tubes 56 de guidage, lorsque le premier ensemble de dents 118 de cliquet est en prise avec le deuxième ensemble de dents 120 de cliquet, l'assemblage combustible 32 est ver- rouillé sur la plaque 30 du coeur et il ne peut être déver- rouillé que lorsque les dents de cliquet sont dégagées. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au con- traire susceptible de variantes et de modifications qui appa- rattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Assemblage combustible (32) pour réacteurs nuclé- aires comportant un coeur (34) supporté par une plaque infé- rieure (30) et comprenant une tubulure supérieure (54), une tubulure inférieure (52), plusieurs éléments combustibles (48) contenant le combustible nucléaire et disposés entre la tubu- lure supérieure (54) et la tubulure inférieure (52), et plu- sieurs tubes (56) de guidage disposés entre et fixés à la tu- bulure supérieure (54) et à la tubulure inférieure (52), cet assemblage combustible étant caractérisé en ce qu'un mécanisme (84) de verrouillage est associé à l'un des tubes (56) de gui- dage et comprend un élément inférieur (86) fixé à l'extrémité inférieure de ce tube (56) de guidage et un moyen (90) d'enga- gement dans la plaque inférieure du coeur du réacteur nuclé- aire pour fixer l'assemblage combustible (32) à cette plaque inférieure (30) du coeur du réacteur nucléaire; et en ce que des moyens (118, 120) de verrouillage sont fixés à la tubulu- re supérieure (54) pour empêcher le dégagement du moyen (90) d'engagement. 2. Assemblage combustible suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ce mécanisme de verrouillage comprend un élément coulissant (112) comportant un premier ensemble de dents (118) et disposé de manière à pouvoir coulisser sur le tube (56) de guidage; et un manchon (122) de maintien compor- tant un deuxième ensemble de dents (120) et fixé à la tubulure supérieure (54), le premier ensemble de dents (118) et le deu- xième ensemble de dents (120) étant disposés de manière à em- pécher la rotation du tube (56) de guidage lorsqu'ils sont en prise. 3. Assemblage combustible suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de verrouillage comprend en outre un moyen (124) de poussée pour amener le premier ensem- ble de dents (118) en prise avec le deuxième ensemble de dents (120). 4. Assemblage combustible suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le mécanisme de verrouillage comprend en outre un élément rainuré 110 fixé au tube (56) de guidage et en contact avec l'élément coulissant (112) afin d'empêcher la rotation de cet élément coulissant (112) par rapport au tube (56) de guidage mais tout en permettant à l'élément cou- lissant (112) de coulisser par rapport à l'élément rainuré (110). 5. Assemblage combustible suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le deuxième ensemble de dents (120) est monté de manière à commander le premier ensemble de dents (118) lorsqu'on désire fixer l'assemblage combustible (32) à la plaque (30) du coeur. 6. Assemblage combustible suivant la revendication , caractérisé en ce qu'il comprend en outre une rondelle élas- tique (94) placée sur la tubulure inférieure (52) au voisinage de la plaque inférieure (30) du coeur afin d'empêcher une per- te de poussée axiale préalable sur le tube de guidage lorsque la rondelle élastique (94) est comprimée. 7. Assemblage combustible suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le tube (56) de guidage est monté de manière à pouvoir tourner et coulisser dans la tubulure supé- rieure (54).