Brevet FR2505077A1 — publié le 19821105

? Barre de poison consommable pour un assemblage combus- tible de réacteur nucléaire. La présente invention concerné des assemblages combus- tibles pour réacteur nucléaire et elle a trait, plus particu- lièrement, à une barre de poison consommable conçue pour protéger les pastilles de poison consommable présentes dans la barre contre un endommagement pendant les manipulations et le transport. La technique antérieure divulgue des barres de poison consommable qui comprennent une paire de tubes disposés concentriquement et ayant un diamètre extérieur ainsi qu'une longueur essentiellement identiques à ceux d'une barre de combustible Cette similarité de dimension permet de positionner la barre de poison consommable dans les cellules ou ouvertures alignées des grilles de l'assemblage combustible de la même manière qu'une barre de combustible Des pastilles de poison consommable en carbure de bore,ou en une matière similaire absorbant les neutrons, sont disposées dans l'espace annulaire étroit entre les tubes concentriques, et l'espace est fermé à ses deux extrémités par des bouchons soudés aux extrémités des tubes Toutefois, la partie creuse du tube intérieur ne contient pas de bouchon et permet donc l'écoulement libre du réfrigérant vers le haut à travers le tube intérieur pendant le temps de fonctionnement dans un réacteur nucléaire. Dans la conception de barres de poison consommable ayant recours à des tubes concentriques, il n'est pas courant d'uti- liser un élément de positionnement dans l'espace annulaire pour maintenir les pastilles en position Toutefois, il existe une demande pour un dispositif de retenue de pastilles capable de maintenir une légère force de compression sur la pile de pastilles absorbantes au fur et à mesure qu'elles augmentent de longueur pendant le fonctionnement du réacteur D'une manière importante, une force imposée axialement est nécessaire pour empêcher ou tout au moins pour limiter les intervalles ou interstices qui peuvent apparaître entre les pastilles pendant que l'assemblage combustible comportant les barres de poison consommable est transporté et manipulé avant d'être installé dans un réacteur Si des intervalles sont présents et si la barre est exposée à une force axiale dirigée verti- calement, le poids de la pile de pastilles au-dessus de l'intervalle est appliqué aux pastilles se trouvant en-dessous, ce qui entraîne une rupture de la matière absorbant les neutrons, laquelle est relativement fragile. On utilise différents types de ressorts ou autres dispositifs de retenue pour maintenir des pastilles de combus- tible contre tout déplacement axial dans une barre de combus- tible Toutefois, l'épaisseur de la mince paroi des pastilles absorbant les neutrons, épaisseur qui est dictée par la dimension radiale de l'espace annulaire entre les tubes, est limitée et cette limitation impose de sévères restrictions dans l'utilisation de ressorts hélicoïdaux classiques ou de pinces ou bagues de retenue élastiques en forme de NC comportant des oreilles coudées vers l'intérieur et que l'on pourrait utiliser à cette fin. Ces conceptions de ressorts et de pinces ou bagues de retenueélastiques ne conviennent pas pour des conceptions de barres à tubes concentriques, car le diamètre du fil du ressort hélicoïdal qui est monté entre les tubes est trop faible pour fournir la force nécessaire pour maintenir un certain degré de compression sur la pile de pastilles De plus, la bague de retenue élastique classique en "C" comporte des oreilles coudées vers l'intérieur ou toute autre partie saillante analogue qui empêche son utilisation dans l'espace annulaire relativement faible Un inconvénient particulier de la bague ou pince de retenue élastique en '"C est que la résistance de frottement ou la force de positionnement de bague élastique de retenue similaire présente une large fourchette de variations possibles en raison du manque de géométrie circulaire parfaite entre les surfaces en contact de la bague et du tube Il n'est pas toujours possible d'obtenir une même résistance de frottement entre les surfaces en contact, de sorte que larésistance opposée à l'accrois- sement de longueur de la pile de pastilles est soit trop faible, soit trop forte. Bien qu'aucune bague de retenue élastique ou autre moyen similaire n'ai> été utilis& appliquée à la paroi. C'est pourquoi l'objet principal de la présente invention est de réaliser une barre de poison consommable munie de baguesde retenue élastiques présentant une répartition de charge uniforme en vue d'une bonne capacité de retenue. Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans une barre de poison consommable destinée à être utilisée dans un assemblage de combustible de réacteur nucléaire comprenant: une paire de tubes concentriques séparés par un espace annulaire dans lequelsont disposcédes pastilles absorbant les neutrons, des bouchons ou obturateurs montés aux extrémités opposées de la barre et fermant de façon étanche l'espace contenant lesdites pastilles, et un moyen de retenue de pile de pastilles dans ledit espace à l'une des extrémités de la barre pour maintenir-en position lesdites pastilles dans l'espace lorsque la barre est soumise à des forces imposées extérieurement, lesdits moyensde retenue étant disposés de manière à porter contre la pastille d'extrémité de ladite pile, lesdits moyens de retenue étant des éléments élastiques en forme de "C" comportant des saillies radiales espacées circon- férentiellement et imposant des forces radiales à la surface d'un desdits tubes. La présente invention apparaîtra plus clairement dans la description ci-après d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation partiellement en coupe d'une barre de poison consommable dans laquelle on a placé la pince ou bague élastique-de retenue selon la présente invention; la figure 2 est une vue d'extrémité de la pince ou bague de retenue élastique de la présente invention; la figure 3 est une vue de côté de la pince ou bague de retenue élastique illustrée sur la figure 2; la figure 4 est une variante de la pince ou bague élastique montrant comment les parois de la pince peuvent être fraisées pour que l'on obtienne une épaisseur de paroi plus petite et, de ce fait, une variation dans la force de retenue imposée à la pile de pastilles; la figure 5 est une vue d'extrémité de la pince ou bague élastique représentée sur la figure 4; la figure 6 est une autre variante encore montrant comment l'épaisseur de la paroi peut être modifiée sur la totalité de la circonférence complète de la pince; la figure 7 est une vue d'extrémité de la pince ou bague élastique de retenue représentée sur la figure 6; la figure 8 est une autre variante dans laquelle la force de retenue de la pince ou bague de retenue élastique peut être modifiée par la présence de trous qui s'étendent à travers la paroi du corps de la pince; et la figure 9 est une vue d'extrémité de la pince ou bague de retenue élastique illustrée sur la figure 6. En se référant maintenant aux dessins, on voit que l'on y a représenté une barre 10 de poison consommable quicomprend une paire de tubes concentriques 12,14 en acier inoxydable, en zircaloy ou autres matières Les extrémités opposées de la barre sont fermées par des bouchons d'extrémité 16,18 conçus pour comprendre un élément 20 qui s'étend vers l'intérieur et qui s'ajuste avec précision dans l'espace 22 entre les tubes disposés concentriquement Cet espace annulaire 22 a une largeur juste à peu près égale à l'épaisseur de paroi d'une pluralité de pastilles 24 de poison consommable absorbant les neutrons,qui sont empilées le long de la tige Un dispositif de positionnement de pastilles de poison consommable,se présentant sous la forme d'une pince élastique 26, est disposé dans l'espace annulaire situé au-dessus des pastilles et agit de manière à exercer une légère force de compression sur la pilé de pastilles de manière à supprimer les intervalles entre les pastilles et à protéger ainsi ces dernières contre une rupture pendant que l'on manipule ou transporte la barre, soit séparément, soit pendant qu'elle se trouve dans un assemblage combustible. Les pastilles sont de préférence en carbure de bore présent dans un liant de résine, bien que l'on puisse utiliser d'autres matières absorbant les neutrons et ayant une résis- tance mécanique suffisante pour résister aux forces engendrées par les chocs auxquels la barre peut être exposée Du fait que la longueur de la pile de pastille augmente à mesure que la température s'accroit et qu'une irradiation est appliquée, une chambre de pression 28 est prévue audessus de la pile de pastilles pour se prêter à cet accroissement de longueur et pour recevoir les gaz qui peuvent apparaître dans l'espace annulaire De plus, du fait que la barre se trouve exposée à la pression du fluide de refroidissement du réacteur, pression qui normalement est de 158 kg/cm 2, le volume 22 de la chambre se trouve sous pression après que les bouchons d'extrémité ont été soudés Comme on l'a noté ci-dessus, le bouchon de l'extrémité inférieure comporte une ouverture centrale qui permet l'écoulement ascendant du fluide de refroidissement du réacteur à travers la barre avant d'être déchargé à travers des ouvertures radiales 30 ménagées dans les parois latérales du bouchon d'extrémité supérieure. En se référant aux figures 2 et 3, on voit que la pince élastique 26 représentée est conçue de manière à coopérer avec les surfaces du tube afin de maintenir en position la pile de pastilles Elle consiste en une bague polygonale en forme de "C" qui est interrompue le long de sa circonférence pour présenter un intervalle 32 Dans un mode de réalisation préféré utilisé pour illustrer la présente invention, la bague a une longueur de 9,15 mm avec un diamètre extérieur de 8,5 mm et une épaisseur de paroi qui, à son point le plus épais, est de 0,54 mm, ce qui est légèrement moins que la dimension radiale de l'espace annulaire 22 entre les tubes 12,14 disposés concentriquement La pince élastique a un diamètre intérieur tel qu'il existe un léger jeu entre cette pince et la surface extérieure du tube intérieur 12, la fente ou intervalle 32 donnant de la flexibilité au corps de la pince La surface extérieure de la pince a une configuration polygonale et comprend des côtés plats 36 alternant avec des saillies circulaires 38 Les zones plates et circulaires alternantes sont les caractéristiques qui distinguent cette pince élastique des ressorts similaires utilisés jusqu'à présent pour maintenir les pastilles dans les barres utilisées dans les assemblages combustibles La saillie circulaire 38 épouse avec précision la courbure intérieure du tube extérieur et donne ainsi un nombre contrôlé de contacts entre la pince et la surface intérieure du tube et le degré de la force de contact assuré à la surface détermine le degré de résistance offert par le déplacement de la pince vers la pile de pastilles. Un travail de mise au point a montré qu'une simple bague ronde de section droite uniforme dans l'espace annulaire ne remplit pas les fonctions nécessaires Si l'épaisseur de la paroi de la bague n'est pas modifiée, la pince est trop rigide et ne glisse pas sur les parois du tube lorsqu'un déplacement axial de la pile a lieu Les pastilles se cassent et se fragmentent par suite de cette action Une diminution de l'épaisseur de la paroi pour remédier à cette raideur exagérée se traduit par la présence, sur l'extrémité inférieure de la pince, d'un bord en lame de couteau qui endommage également les pastilles. Pour remédier à ces inconvénients, on donne à la pince un diamètre inférieur qui est juste suffisant pour que la pince glisse sur le tube inférieur et on fait en sorte que le diamètre extérieur de la pince soit légèrement supérieur au 4 N% diamètre intérieur du tube extérieur Un intervalle 32 est formé dans la pince comme on l'a décrit ci-dessus On obtient des performances optimales de la pince dans l'espace annulaire en faisant en sorte que le nombre et l'épaisseur des méplats alternés 36 soient tels que la résistance entre la pince et le tube extérieur soit tout juste contre-carrée lorsque la pince est soumise aux forces axiales exercées par la pile de pastilles quand celle -ci augmente de longueur quand elle est exposée aux conditions thermiques d'irradiation dans le réacteur De 1 O plus, en ce qui concerne les dimensions de la barre de poison consommable décrite dans le présent exposé, le degré maximal de force nécessaire pour mettre en place la pince est d'environ 18 kg La force radiale entre la pince et la paroi intérieure du tube extérieur doit aussi être suffisante pour empêcher la pile de pastilles de se déplacer sous une force de 6 g étant donné que celle-ci est la force la plus grande que l'on peut considérer susceptible d'être appliquée à la barre pendant sa manipulation et son transport. On obtient cette conception optimale de pince élastique en découpant cette pince dans un tube semi-ouvré en Inconel ou autre matière capable de supporter les effets de la chaleur et les radiations dans un réacteur en fonctionnement. La section de tube découpée a une configurationliexagonale. Elle a une longueur de 9,2 mm et l'intervalle 32 a une largeur de 3,2 mm On forme les côtés 38 sur la surface extérieure en enlevantàla fraise du métal de la surface extérieure du tube pour obtenir une épaisseur de paroi latérale de 0,24 mm + 0,049 mm En faisant de la sorte, il subsiste entre les méplats des sections circulaires 38 qui ont des surfaces complémentaires de la surface intérieure du tube extérieur Le fait d'enlever directement du métal de la circonférence de la pince diminue la résistance mécanique de celle-ci dans le sens circonférentiel et, de ce fait, la quantité de force radiale qui peut être appliquée aux parois intérieures du tube extérieur par les sections circulaires 38 On voit que l'on peut modifier la force radiale en utilisant un grand nombre de méplats et de saillies circulaires correspondantes et/ou en modifiant l'épaisseur de la paroi de la pince. Un avantage particulier découlant de la conception est qu'une zone de surface relativement grande est disponible sur l'extrémité de la pince pour porter contre la surface d'extré- mité exposée de la pastille supérieure de la pile Une vue d'extrémité de la pince ou bague élastique de fixation montre l'épaisseur des saillies circulaires qui sont suffisantes pour supprimer les inconvénients d'un bord en lame de couteau qui apparattrait sans cela sur l'extrémité d'un tube ayant une épaisseur de paroi faible et uniforme Du fait queles sail Jes ont une section droite relativement épaisse par rapport aux côtés plats, une partie notable de la surface d'extrémité de la pince est en contact avec la pastille d'extrémité Lorsque la pile de pasti Ies se dilate pendant le fonctionnement du réacteur, les forces axiales de la pile sont transmises par l'intermédiaire de la pastille supérieure à la pince o elles se répartissent uniformément dans tout le corps de cette pince. Quand les forces axiales de la pile atteignent une valeur prédéterminée qui est inférieure à la valeur à laquelle une pastille se rompt, la résistance entre les saillies circulaires de la pince et la paroi intérieuredu tube extérieur est surmontée et la pince glisse et,de ce fait,se déplace vers le haut sur une légère distance dans l'espace annulaire en se confurmant a Msi aux forces de la pile tout en protégeant les pastilles contre la rupture. La pince 26 est, de façon souhaitable, formée par une matière tubulaire présentant des caractéristiques connues de sorte que l'on puisse déterminera l'aide du nombre et de l'épaisseur des zones plates, la valeur de la force dirigée radialement contre la barre Les techniciens en la matière comprendront qu'il faut une épaisseur de paroi plus grande pour des pinces élastiques de diamètre plus grand que pour des pinces élastiques de plus petit diamètre De plus, plus le nombre de côtés plats est grand, plus la force radiale exercée sur les parois du tube 14 est grande et, par conséquent, l'in- tervalle 32 ne se ferme pas autant que dans le cas des pinces d'un diamètre plus petit. Du fait que l'on peut fabriquer de façon peu coûteuse un grand nombre de pinces à partir de la môme longueur de tube, on peut mieux contrôler'les effets de dilatation thermique et on peut adapter les techniques de fabrication à de grandes ou à de petites quantités Par rapport à un ressort hélicoïdal, il est évident que la mise en place dans la barre est relati- vement rapide et facile De plus, en comparaison avec un ressort hélicoïdal, la pince n'applique pas une force axiale sur les bouchons d'extrémité opposés pendant que l'on assemble la barre et que l'on soude les bouchons d'extrémité Il va de soi qu'un grand nombre de conceptions et de considérations différentes de la pince apparaîtront aux techniciens en la matière en plus de celle consistant à utiliser des surfaces plates et circulaires pour obtenir que des forces de retenue de la pince élastique soient exercées sur la pile de pastilles et pour qu'une zone de surface rela- tivement grande soit en contact avec l'extrémité de cette pile de pastilles Par exemple, les figures 4 et 5 montrent une conception de pince élastique dans laquelle les forces radiales ou de retenue ont été diminuées dans un degré considérable. L'examen d'une vue d'extrémité de la pince représentée sur les figures 4 et 5 montre qu'elle a la même configuration que l'extrémité de la pince des figures 2 et 3 Toutefois, pour obtenir l'application d'une force radiale plus faible contre la surface intérieure da tube extérieur, la pince a un diamètre intérieur uniforme 44 et un intervalle 32 comme précédemment. La surface extérieure de la pince comprend un corps 46 sur les extrémités opposées duquel ont été formés des anneaux ou colerettes-47,48 Des côtés plats 49 sont usinés dans les anneaux 47,48 jusqu'à une profondeur suffisante pour enlever également une petite quantité de matière du corps 46 de manière à former des surfaces plates ayant une configuration de profilé en I Les saillies circulaires restantes 50 présentent la même courbure que la surface intérieure du tube extérieur. L'enlèvement de matière se traduit par une raideur plus faible et,de ce fait, une diminution de la force radiale exercée contre le tube extérieur En raison de la réduction, les côtés plats 49 ne présentent pas une zone de surface aussi grande, mais, du fait que les zones plates sont utilisées uniquement pour régler la raideur,elle S ne nuisent Pas au comportement de la pince dans la barre Bien que la conception des figures 4 et apparaisse sensiblement différente de celle des figures 2 et 3, les zones plates et circulaires remplissent encore les mêmes fonctions. Dans la variante de la pince élastique représentée sur les figures 6 et 7, le diamètre intérieur 56 est uniforme sur la totalité de la circonférence de la pince, tandis que le diamètre extérieur des deux extrémités circulaires 58, 60 est plus grand que celui du corps central 62 de la pince qui relie les extrémités circulaires Cette conception permet d'obtenir une zone de surface relativement grande en contact avec l'extrémité de la pastille supérieure, mais on modifie la force de retenue appliquée par la pince élastique à la pile de pastilles en modifiant l'épaisseur de la paroi 63 entre les deux extrémités circulaires opposées et en réglant ainsi la résistance entre la pince et la surface intérieure du tube extérieur. La variante des figures 8 et 9 est similaire à celle des figures 6 et 7, sauf que le corps 46 de la pince comporte des fentes 68 réparties sur la périphérie de la pince L'enlè- vement de matière de la pince de cette manière permet d'obtenir une structure qui ne présente pas le même degré de force de retenue qu'une pince élastique dont le corps ne comporte aucune fente. 1 l REVENDICATIONS 1 Barre de poison consommable destinée à être utilisée dans un assemblage combustible de réacteur nucléaire comprenant une paire de tubes concentriques ( 12,14) séparés par un espace annulaire ( 22) dans lequel sont disposées des pastilles ( 24) absorbant les neutrons, des bouchons ( 16,18) montés sur les extrémités opposées de la barre ( 10) et fermant de façon étanche l'espace ( 22) contenant lesdites pastilles ( 24), et des moyens ( 26) de retenue de pile de pastilles dans ledit espace ( 22) à une des extrémités de la barre ( 10) pour maintenir en place dans l'espace lesdites pastilles ( 24) quand la barre est soumise à des forces imposées extérieurement, lesdits moyens de retenue étant disposés de manière à porter contre la pastille d'extrémité de ladite pile, caractérisée par le fait que lesdits moyens de retenue sont des éléments élastiques en forme de "C" comportant dessaillies radiales espacées circonférentiellement et appliquant des forces radiales à la surface d'un desdits tubes ( 12,14). 2 Barre de poison consommable suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits éléments élastiques sont des pinces élastiques polygonales en forme de "C" com- portant une surface intérieure complémentaire de la surface extérieure du tube intérieur ( 12) et une surface extérieure profilée de manière à assurer vis-à-vis des parois intérieures du tube extérieur ( 14) un contact de surface inférieur à celui d'une surface totale, c'est-à-dire non profilée, les parois de ladite pince ayant une épaisseur qui correspond à la force radiale qu'il faut appliquer aux parois intérieures du tube extérieur pour maintenir en position les pastilles empilées. 3 Barre de poison consommable suivant la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite pince polygonale est circulaire sur son côté intérieur et comporte des zones plates et circulaires alternées sur son côté extérieur, les zones plates ( 36,49) de ladite pince ( 26) étant profilées de manière à communiquer une force de retenue prédéterminée à la pince ( 26) quand celle-ci porte contre la surface intérieure du tube G extérieur. 4 Barre de poison consommable suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que ledit élément élastique ( 26) comporte des sections de paroi ayant une section droite plus grande et qui alternent avec lesdites zones plates et forment des sailies ( 38) ayant une courbure correspondant à celle de la surface intérieure du tube extérieur, lesdites sailles ( 38) étant agencées envue d'un contact de surface avec les parois intérieures du tube extérieur ( 14) pour fournir une 1 o force de frottement qui maintient de façon libérable ladite pile de pastilles à l'encontre de tout mouvement axial. Barre de poison consommable suivant la revendication 4, caractérisée par le fait que ledit élément élastique poly- gonal ( 26) comprend un corps cylindrique ayant des diamètres intérieur et extérieur uniformes, une paire de bagues ou cdlerettes ( 49,50) faisant saillie vers l'extérieur sur les extrémités opposées dudit corps, lesdites bagues ou cdlerettes ( 49,50) ayant un diamètre extérieur plus grand que celui dudit corps et étant agencées de manière à porter contre les parois extérieures du tube intérieur ( 12) avec une force radiale déterminée par l'épaisseur de la paroi dudit corps, ladite force ayant pour effet d'engendrer une résistance entre le dispositif et les parois du tube de manière à empocher ainsi un déplacement axial de la pile de pastilles. 6 Barre de poison consommable suivant la revendication , caractérisée par le fait que ledit élément élastique poly- gonal ( 26) comporte des sections plates et circulaires alternées ( 36,38), lesdites sections plates ( 36) ayant une configuration de profil en I et une épaisseur suffisante pour pousser lesdites sections circulaires ( 38) pour qu'elles viennent en contact avec la surface intérieure du tube exté- rieur avec une force suffisante pour maintenir en position la pile de pastilles. 7 Barre de poison consommable suivant la revendication 5, caractérisée par le fait que le corps cylindrique comporte des ouvertures ( 68) espacées sur sa circonférence, lesdites ouvertures ( 68) étant choisies de manière à contribuer & régler la raideur dudit dispositif.