Brevet FR2501893A1 — publié le 19820917

La présente invention concerne la réalisation des réacteurs nu- cléaires dans lesquels les éléments combustibles constituant le coeur sont refroidis par circulation d'un liquide de refroidissement à travers le coeur, le long des éléments individuels disposés parallèlement les uns aux autres. Elle concerne plus particulièrement les moyens qui permettent de cloisonner le coeur et par là même d'organiser la circulation du liquide de refroidis- sement ou réfrigérant, afin d'éviter l'apparition de trajets préférentiels, nuisibles à l'efficacité, alors que la section offerte à la circulation n'est en général pas uniformément occupée par les éléments combustibles. Ainsi notamment, dans les réacteurs à refroidissement par liquide, le combustible est sous forme de crayons groupés par assemblages traversés par le réfrigérant. Le coeur est constitué de tels assemblages juxtaposés, serrés les uns contre les autres, chaque assemblage étant prismatique, géné- ralement à section carrée. Le pourtour du coeur présente alors nécessaire- ment des redans. L'ensemble est disposé dans une jupe enveloppe, supportant le coeur, qui est, elle, de forme cylindrique, ou tout au moins sans angles, comme la cuve qui contient le coeur et ses équipements annexes, baignant dans le liquide de refroidissement. Entre les assemblages périphériques et la ju- pe enveloppe, il subsiste donc une zone annulaire qui est vide de combusti- ble. Pour empêcher le réfrigérant de circuler librement dans cette zone et le canaliser sur le coeur proprement dit, il est connu d'utiliser un en- semble de cloisonnement qui épouse exactement le contour du coeur. La fixa- tion de cet ensemble de cloisonnement pose des problèmes de réalisation pra- tique qui à ce jour n'ont jamais reçu de solutions satisfaisantes. Des pla- ques de cloisonnement peuvent être fixées à des plaques de renfort transver- sales, ou conformateurs, elles-mêmes fixées à l'enveloppe cylindrique du coeur. Mais il n'est pas facile de concevoir un mode de fixation qui à la fois se prête aux exigences de précision dimensionnelle, très sévères dans ce domaine, résiste aux contraintes mécaniques résultant des gradients de température qui apparaissent dans les cloisons et les plaques de renfort, et supporte sans dommage les flux élevés de neutrons et de rayons gamma lors du fonctionnement du réacteur. La fixation par vis est très sensible aux contraintes mécaniques et au flux neutronique, au point qu'on a pensé équi- per chaque vis d'un système de refroidissement spécial. La fixation par sou- 25018 93 dure et tenons entraîne des complications de fabrication et de montage et des contraintes dues à des dilatations thermiques différentielles qui ne la rendent guère plus acceptable. L'invention permet d'éviter ces divers inconvénients par une con- ception nouvelle du cloisonnement, o les plaques verticales traditionnelles sont remplacées par des tiges qui remplissent les mémes fonctions de canalisation de la circulation du liquide de refroidissement, avec même des améliorations, sans poser les meemes problèmes de fixation, et qui, en outre, ont comme avantage complémentaire, de permettre d'adapter locale- ment l'importance de leur intervention dans l'atténuation neutronique entre le coeur proprement dit et la cuve du réacteur et d'assurer ainsi une pro- tection plus efficace de la cuve contre l'irradiation. L'invention a donc pour objet un réacteur nucléaire à coeur cons- titué d'assemblages combustibles prismatiques juxtaposas à l'intérieur d'une enveloppe limitant latéralement le volume traversé par un liquide de refroidissement du coeur circulant longitudinalement dans les assemblages, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les assemblages périphériques et l'enveloppe, des plaques entretoises solidaires de l'enveloppe et des tiges parallèles aux assemblages, montées libres en coulissement dans les plaques entretoises. Les tiges peuvent être très nombreuses et rapprochées les unes des autres, sur plusieurs rangées tout autour du coeur proprement dit, en suivant de très près le contour à redans de celui-ci. Elles limitent ainsi les cou- rants transversaux dans la circulation du liquide de refroidissement en péri- phérie du coeur, qui pourraient provoquer des vibrations ou un sousrefroidis- sement du combustible des assemblages périphériques. Cependant, elles permet- tent encore une communication suffisante avec le volume interne du coeur pour assurer un équilibre de pression et permettre, en cas d'accident de perte de réfrigérant primaire, que le réfrigérant primaire se trouvant entre l'envelop- pe et le coeur s'évacue en meeme temps que celui qui traverse les assemblages combustibles. On s'affranchit ainsi totalement des risques de déformation qu'impliqueraient alors les plaques de cloisonnement classiques et qui pour- raient entraîner des perturbations dans le refroidissement après l'accident. D'une manière générale, les tiges du réacteur suivant l'invention apportent une solution simple au problème des contraintes mécaniques, y com- pris celles qui résultent de dilatations thermiques différentielles. Elles sont faciles à mettre en place par introduction à travers les plaques entre- toises, perforées à cet effet, et elles y coulissent librement dans la direc- 250 1 8 9 3 tion longitudinale, c'est-à-dire, en pratique, la direction verticale des assemblages combustibles, aussi bien lors de leur mise en place qu'ensuite lors de leur dilatation thermique en fonctionnement. Seules les plaques entretoises sont rigidement solidaires de l'enveloppe, à laquelle elles sont fixées par exemple par des vis ou par soudage. Les tiges sont avantageusement de forme cylindrique, passant ainsi aisément dans des orifices circulaires correspondants des plaques entretoises. Elles sont en général disposées suivant un pas régulier, triangulaire, carré, ou de toute autre forme, et relativement serré, avec, par exemple, un pas entre tiges adjacentes guère supérieur au dhmètre des tiges. Elles peuvent être pleines ou creuses. Elles peuvent être réalisées en tout matériau adapté aux conditions d'irradiation qui existent autour du coeur, par exemple en acier inoxydable ou en un alliage de zirconium, et de préférence en un matériau ayant un coefficient de réflexion neutroni- que élevé. On peut par exemple constituer les tiges sous forme de tubes mé- talliques contenant un matériau réflecteur tel que le béryllium. En plus de leur r8le dans la circulation du réfrigérant, ces ti- ges protègent la cuve du réacteur du rayonnementneu=ronique et du rayonne- ment gamma produits en fonctionnement par le combustible nucléaire. De ce point de vue, il est avantageux de varier autour du coeur le nombre de ran- gées, c'est-à-dire la densité numérique des tiges dans le sens radial, de ma- nière à compenser les variations de la distance entre assemblages périphéri- ques et la cuve pour assurer partout une atténuation suffisante du rayonne- ment avant qu'il atteigne la cuve. Dans un mode de réalisation préféré du réacteur suivant l'inven- tion, les plaques entretoises maintenant latéralement les tiges sont dispo- $ées aux mêmes niveaux horizontaux que les grilles des assemblages combusti- bles disposées à différents niveaux sur la hauteur de ces assemblages, et elles sont conformées de manière que tout autour du coeur, leur contour in- térieur suive le contour extérieur des grilles des assemblages périphériques du coeur. Si les plaques entretoises du réacteur selon l'invention viennent par leur contour intérieur contre les grilles des assemblages périphériques, ceci permet qu'en cas de sollicitations transversales du coeur, dues par exemple à un séisme, les assemblages combustibles périphériques s'appuient par leurs grilles sur les plaques entretoises, qui contribuent ainsi à la résistance d'ensemble du réacteur à ce genre d'incident. Outre les orifices de passage des tiges, les plaques entretoises comportent de préférence d'autres perforations qui permettent une certaine circulation de réfrigérant verticalement entre le coeur et son enveloppe. La perte de charge du réfrigérant qui contourne ainsi le coeur peut être réglée par le nombre, la disposition et les dimensions desdites perforations. On peut ainsi s'assurer que pour un débit de contournement qui est en géné- ral de l'ordre du centième du débit principal qui traverse effectivement le coeur, la perte de charge subie par le réfrigérant de contournement à la traversée de chaque plaque entretoise -soit du même ordre de grandeur que la perte de charge du réfrigérant du débit principal à la traversée des gril- les d'assemblages combustibles placées au même niveau. Certaines des perfo- rations sont avantageusement des trous verticaux percés dans les plaques entretoises se situant entre l'enveloppe du coeur et les tiges, d'autres des indentations sur le pourtour intérieur des plaques entretoises. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la des- cription qui suit, laquelle concerne un mode de réalisation particulier, nullement limitatif, d'un réacteur nucléaire à refroidissement par eau lé- gère à cloisonnement de coeur conçu selon l'invention. La description fait référence aux figures 1 à 5 des dessins annexés, dans lesquelles: la figure 1 représente une vue partielle du réacteur en coupe verticale; la figure 2 représente plus particulièrement, en coupe verticale, les éléments qui réalisent le cloisonnement du coeur, dans une première va- riante de réalisation; la figure 3 montre ces éléments dans une coupe horizontale au bord du coeur, avec une plaque entretoise vue de dessus; et les figures 4 et 5 sont les homologues des figures 2 et 3, mais pour une seconde variante de réalisation. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement l'ensemble du réacteur, enfermé dans une cuve 1, munie de tubulures 2 et 3, respective- ment pour l'entrée et la sortie du réfrigérant primaire qui assure en fonc- tionnement le refroidissement du coeur 4. Ce coeur est composé d'assembla- ges combustibles 5 verticaux, constitués chacun d'un ensemble de crayons combustibles 7, maintenus latéralement les uns par rapport aux autres par des grilles 6 à différents niveaux. Les assemblages sont de section carrée et ils sont juxtaposés ser- rés les uns contre les autres comme le montre la section de la figure 3. - L'ensemble est disposé à l'intérieur d'une jupe enveloppe cylindrique 8, qui,- avec un fond support 9, porte tout le coeur, suspendu par elle à la bride supérieure de la cuve. Les tubulures d'entrée 2 du réfrigérant débouchent 250 1 8 9 3 dans la cuve 1 à l'extérieur de la jupe enveloppe 8, les tubulures de sor- tie 3 à l'intérieur. La circulation qui est établie en fonctionnement com- porte ainsi un trajet descendant dans l'espace annulaire entre cuve 1 et jupe enveloppe 8, suivi d'un trajet ascendant à travers le fond support 9 et le coeur 4. Sur la figure 1, on a également représenté la plaque inférieure de coeur 12, les colonnes d'instrumentation du coeur 13 et les équipements internes supérieurs qui comprennent la plaque supérieure de coeur 14 et les tubes de guidage 15 des grappes de contrôle. Les assemblages combustibles 5 s'étendent de la plaque inférieure de coeur, 12, à la plaque supérieure 14. La plaque inférieure, portant les assemblages, repose sur le fond support 9 par des colonnes 16, tandis que la plaque supérieure appuie directement sur les assemblages par le poids des équipements internes supérieurs et le serrage du couvercle d-cuve. L'une et l'autre sont percées de nombreux trous, pour le centrage des assemblages combustibles et pour le passage de l'eau de refroidissement. On a fait figurer en outre des tiges 17 qui s'é- tendent comme les assemblages combustibles verticalement entre les plaques de coeur 12 et 14 et des plaques entretoises 18 dans lesquelles les tiges sont montées à frottement doux. La disposition des tiges apparaît d'une manière plus précise d'une part sur la figure 2 dans un plan radial vertical du réacteur, d'au- tre part sur la figure 3 pour leur répartition en section transversale (ho- rizontale). La forme et la disposition des plaques entretoises ressortent également de ces mêmes figures. La figure 3 illustre comment la forme prismatique des assembla- ges combustibles juxtaposés donne au coeur un contour extérieur à redans. C'est essentiellement le long de ce contour que sont réparties les tiges 17 en trois rangées et selon un pas triangulaire dans le cas particulier con- sidéré. Face aux coins pointant vers l'extérieur, il est prévu des rangées supplémentaires de tiges 21, contre la jupe enveloppe, renforçant la fonc- tion de protection thermique vis-à-vis de la cuve. Les tiges 17 sont représentées de forme cylindrique et pleines. Elles sont encastrées par leurs extrémités inférieures dans des trous bor- gnes prévus à cet effet chns la plaque inférieure de coeur 12. Cette derniè- re porte le poids des tiges comme elle porte celui des assemblages combusti- bles. On a représenté sur la figure 2 un assemblage périphérique 22, repo- sant sur la plaque inférieure de coeur 12 par son embout inférieur 26, tan- dis que par son embout supérieur 27, il est retenu par la plaque supérieure 25018 93 de coeur 14, qui permet cependant le passage des grappes de contrôle mo- biles verticalement dans les assemblages 5. Les tiges 17 viennent par leurs extrémités supérieures buter sur cette plaque supérieure de coeur une fois celle-ci en place. Il est prévu cependant une certaine latitude pour absor- ber les dilatations thermiques des tiges. Les plaques entretoises 18 guident les tiges dans leurs déplace- ments verticaux. Il en est prévu plusieurs, à des niveaux différents du coeur, et il s'en trouve en particulier une à chacun des niveaux o les as- semblages combustibles comportent une grille transversale. Chaque plaque entretoise court annulairement tout autour du coeur, en plusieurs secteurs soudés entre eux. Le long de son pourtour extérieur, qui est circulaire et de rayon correspondant au diamètre interne de la Jupe enveloppe 8, elle est fixée à cette enveloppe, par soudure dans le cas représenté. Sion contour extérieur présente des redans complémentaires de ceux du pourtour extérieur du coeur, qu'il suit en tous points de très prés, quasiment en appui sur les grilles 28 des assemblages périphériques, situées au même niveau. Les plaques entretoises sont toutes identiques entre elles, ce qui facilite leur réalisation. Elles ne sont pas seulement perforées à l'en- droit du passage des tiges. Elles comportent en outre des trous 23 répartis dans les espaces compris entre les tiges 17 et la jupe enveloppe 8, ainsi que des indentations semi-circulaires 24 sur leur pourtour intérieur. Des trous analogues sont ménagés à travers respectivement la plaque inférieure 12 et la plaque supérieure 14 du coeur. En haut du coeur, une dernière pla- que entretoise 25 est disposée au niveau des embouts supérieurs des assem- blages combustibles, juste sous la plaque supérieure 14, laquelle est au contraire pleine dans sa partie située au-dessus des tiges 17. La longueur totale des tiges est telle que leur extrémité supérieure se place normale- ment dans l'épaisseur de la dernière plaque entretoise 25. Ceci permet leur dilatation thermique avant qu'elles viennent buter sur la face inférieure de la plaque supérieure du coeur. Des ressorts, non représentés sur les fi- gures, peuvent être montés en tête des tiges 17 pour éviter qu'elles ne vi- brent sous l'action du réfrigérant en circulation. Dans tous les cas la pla- que supérieure retient les tiges comme les assemblages combustibles contre ltenvol sous la poussée du réfrigérant. Par le choix du pas des tiges 17 et de leur diamètre, et par celui des trous 23 et indentations 24, on détermine les conditions de circulation du réfrigérant au voisinage du coeur. L'ensemble réalise ainsi ce que l'on appelle le cloisonnement du coeur, en limitant les échanges par communica- 250 18 9 3 7. tion entre le coeur proprement dit et la zone annulaire de contournement entre le coeur et son enveloppe, sans toutefois les interdire complètement mais en n'autorisant qu'un faible débit de contournement, et en permettant dans cette zone autour du coeur une circulation verticale qui peut être freinée juste suffisamment pour créer sensiblement la même perte de charge à la traversée des plaques entretoises dans la zone de contournement qu'à la traversée des grilles des assemblages combustibles. Dans la réalisation particulière des figures 2 et 3, le rôle dans le cloisonnement du coeur est dévolu essentiellement aux trois rangées con- tinues de tiges, lesquelles ont un diamètre et un écartement qui peuvent être supérieurs à ceux des crayons de combustible dans les assemblages, mais qui restent du même ordre de grandeur. Les tiges supplémentaires 21 en re- gard des angles proéminentsdu coeur assurent une atténuation du rayonnement complémentaire à celle des trois rangées. Divers avantages de cette réalisation ont déjà été signalés. Il y a lieu de rappeler à ce sujet que le montage des tiges n'implique aucune fi- xation, que ces tiges sont faciles à obtenir par étirage et qu'elles ne de- mandent aucun usinage spécial, et que les plaques entretoises sont également faciles à réaliser par perforation de plaques identiques entre elles. Le mon- tage des tiges permet leur libre dilatation, par rapport aux plaques entre- toises et par rapport à l'enveloppe du coeur. Au surplus, la dilatation dif- férentielle entre les tiges et l'enveloppe reste faible car les températures moyennes des tiges et de l'enveloppe restent voisines; les tiges sont certes soumises à un flux gamma plus élevé, mais elles sont en pratique moins épais- ses que lvenveloppe, et donc mieux refroidies. Enfin, il est possible dtins- pecter périodiquement l'état du cloisonnement par prélèvement de quelques tiges après démontage des structures internes supérieures et, si nécessaire, également de remplacer alors certaines tiges. La plupart de ces avantages se retrouvent dans la variante des fi- gures 4 et 5, dans laquelle les tiges 17 sont insérées coaxialement dans des tubes entretoises 40, dont chacun est intercalé verticalement entre deux pla- ques entretoises 18 successives. Ces tubes permettent de réduire l'espace entre les tiges et donc de diminuer encore les échanges hydrauliques entre le coeur et la zone annulaire. Les tubes entretoises 40 sont constitués d'un matériau identique à celui des tiges. Ils prennent appui sur les plaques entretoises 18 sur lesquelles ils sont montés librement. Les jeux existant entre les tubes 40 et les tiges 17 d'une part, les plaques entretoises 18 d'autre part, permet- tent leur libre dilatation. Dans la réalisation représentée, les tubes sont tangents entre eux. Cette disposition autorise de ne prévoir qu'une seule rangée de tiges au lieu des trois rangées continues de la variante des fi- gures 2 et 3. Il n'en reste pas moins que des tiges supplémentaires peuvent ê être prévues en regard des angles saillants du contour du coeur. Dans tous les cas, le réacteur particulier des figures ne consti- tue qu'un exemple, et l'invention englobe toutes les variantes de réalisa- tion des tiges, des plaques entretoises et de leur combinaison dans un réac- teur nucléaire. 250 1 8 9 3 REVENDICATIONS 1.- Réacteur nucléaire à coeur (4), constitué d'assemblages com- bustibles (5) prismatiques juxtaposés à l'intérieur d'une enveloppe (8) li- mitant latéralement le volume traversé par un liquide de refroidissement du coeur circulant longitudinalement dans les assemblages, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les assemblages périphériques (22) et l'enveloppe (8), des plaques entretoises (18) solidaires de l'enveloppe et des tiges (17) pa- rallèles aux assemblages, montées libres en coulissement dans les plaques entretoises. 2.- Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tiges (17) sont disposées proches les unes des autres en une ou plu- sieurs rangées tout autour du coeur (4), en suivant de près le contour à redans de celui-ci. 3.- Réacteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les tiges (17) sont plus nombreuses là o, autour du coeur (4), les as- semblages combustibles (5) sont plus proches de la cuve (1) du réacteur. 4.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisé en ce que certaines au moins des plaques entretoises (18) sont disposées aux mêmes niveaux que les grilles (6) qui maintiennent le combus- tible latéralement dans chaque assemblage. 5.- Réacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plaques entretoises (18) suivent par leur contour intérieur le contour ex- térieur du coeur, contre les grilles (28) des assemblages périphériques (22). 6.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca- ractérisé en ce que les plaques entretoises (18) comportent des perforations (23, 24) pour la circulation longitudinale du liquide de refroidissement. 7.- Réacteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les- dites perforations (23, 24) sont constituées par des trous à travers les plaques entretoises (18) entre les tiges (17) et l'enveloppe (8). 8.- Réacteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdites perforations (23, 24) sont constituées par des indentations sur le contour intérieur des plaques (18). 9.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ca- ractérisé en ce que lesdites tiges (17) sont encastrées à leur extrémité in- férieure dans une plaque inférieure de coeur (12) sur laquelle reposent éga- lement les assemblages combustibles (5). 10.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des tubes entretoises (40) inter- calés entre les plaques entretoises (18) et dans lesquels les tiges (17) sont insérées coaxialement, avec un jeu permettant la libre dilatation thermique. 11.- Réacteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits tubes (40) sont tangents entre eux, au moins sur une rangée sui- vant le contour du coeur. 12.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque supérieure de coeur (14) rete- nant les tiges (17) et les assemblages combustibles (5) lors d'une circula- tion ascendante du liquide de refroidissemnt, 13.- Réacteur selon la revcendication 12, caractérise en ce que la- longueur des tiges (17) permet leur dilatation thermique soans la plaque su- périeure de coeur (14), éventuellement avec interposition d'un ressort (non représenté). 14.- Tiges (17), plaques entretoises (18) et tubes entretoises (40) propres à constituer un cloisonnement de coeur pour un réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.