Brevet FR2511174A1 — publié le 19830211

L'invention concerne un assemblage combustible fissile pour un réacteur nucléaire sous-modéré. Un tel réacteur comporte un coeur constitué par des assemblages combustibles disposés côte à côte et de deux types différents Les uns, appelés assemblages fissiles, renferment principalement un matériau fissi- le alors que les autres, appelés assemblages fertiles, renferment un maté- riau susceptible de se transformer en matériau fissile sous l'effet du bombardement neutronique Les assemblages fertiles sont généralement dis- posés à la périphérie du coeur o ils recueillent le rayonnement oeutronique produit par les assemblages fissiles. Le coeur du réacteur baigne dans un fluide modérateur tel que de l'eau qui, généralement, sert également de fluide caloporteur Ce fluide circule en contact avec les éléments combustibles disposés à l'intérieur des assemblages. Par rapport aux réacteurs nucléaires à eau sous pression de type classique qui ne comportent que des assemblages fissiles, les réacteurs sous-modérés présentent un rapport volume de modérateur/volume du matériau fissile dans le coeur, ou rapport de modération VM/VU, très inférieur si bien que le spectre d'énergie des neutrons est très différent de ce qu'il est dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression de type classique ou réacteur PWR. Ce spectre est intermédiaire entre celui des réacteurs PWR o les neutrons sont très lents et celui des réacteurs rapides o les neutrons ne sont pas ralentis. Le spectre d'énergie des neutrons dans les réacteurs sous-modérés est dit épithermique. Un tel spectre de neutrons épithermique permet de produire de la matière fissile à partir de matière fertile disposée, par exemple, à la pé- riphérie du coeur. On obtient un rapport de modération faible dans les réacteurs dits sousmodérés, en prévoyant une répartition du matériau combustible dans les assemblages fissiles assurant à la fois un contact optimum avec le modérateur et un faible rapport volumique entre le modérateur et le matériau fissile. Les assemblages combustibles, qu'ils soient fissiles ou fertiles, 2 2511174 sont constitués par un boitier de forme prismatique en un matériau absor- bant faiblement les neutrons, tel qu'un alliage de zirconium, à l'intérieur duquel des crayons de grande longueur renfermant le matériau fissile ou le matériau fertile sont disposés parallèlement à la hauteur du boitier et suivant un réseau régulier dans les sections droites de ce boitier Les crayons de matériau combustible sont constitués par un tube en matériau de gainage rempli par des pastilles renfermant le matériau fissile ou fer- tile Ces crayons disposés parallèlement les uns aux autres dans l'assem- blage constituent un faisceau, l'écartement entre les crayons étant mainte- nu par des dispositifs d'espacement tels que des fils enroulés en torsades autour de la gaine des crayons, cette disposition permet la circulation du fluide caloporteur et modérateur en contact avec toute la surface du crayon, tout en autorisant un très faible espacement entre les crayons, c'est à dire l'obtention d'un réseau très dense dans lequel les gaines des crayons ne sont cependant jamais jointives Un tel réseau à grande densi- té des crayons en matériau fissile permet d'obtenir un facteur de modéra- tion faible. Cependant, les assemblages combustibles pour réacteurs nucléaires sousmodérés connus actuellement ne permettent pas d'assurer un taux de modération constant dans une section droite de l'assemblage En particu- lier, au voisinage des zones périphériques des assemblages, le taux de mo- dération varie considérablement. Ceci peut entrainer une dégradation des performances des réacteurs sousmodérés. Le but de l'invention est donc de proposer un assemblage combusti- ble fissile pour un réacteur nucléaire sous-modéré comportant un coeur bai- gnant dans un fluide modérateur, constitué par des assemblages combustibles disposés c 8 te à côte, les uns renfermant principalement un matériau fissi- le et les autres un matériau fertile susceptible de se transformer en maté- riau fissile sous l'effet du bombardement neutronique, cependant que la ré- partition du matériau fissile dans les assemblages fissiles est choisie pour obtenir un rapport volumique faible entre le modérateur et le matériau fissile, chacun des assemblages du coeur étant constitué par un boitier prismatique en un matériau absorbant faiblement les neutrons à l'intérieur duquel des crayons de grande longueur renfermant le matériau fissile ou le matériau fertile sont disposés parallèlement à la hauteur du boitier sui- vant un réseau régulier dans les sections droites de ce boitier, cet as- semblage permettant d'avoir un rapport de modération constant dans les Dans ce but sections droites de l'assemblage / sur chacune des faces latérales du boi- tier, est disposée au moins une pièce en un matériau fertile exposée aux neutrons émis par le matériau fissile de l'assemblage. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un assemblage combustible suivant l'invention, en se référant aux figures jointes en annexe. La figure 1 représente de façon schématique une vue partielle d'un plan de section droite du coeur d'un réacteur nucléaire sous-modéré. La figure 2 représente une vue agrandie du détail A de la figure 1. La figure 3 représente une vue en perspective d'un assemblage combus- tible suivant l'invention. La figure 4 représente une vue en perspective des différentes parties constitutives d'une paroi latérale de l'assemblage combustible représenté à la figure 3. La figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d'une paroi la- térale. La figure 7 représente une vue de dessus de la partie centrale de la paroi représentée à la figure 5. La figure 6 représente une coupe suivant un plan de section droite de l'assemblage combustible représenté à la figure 3. Sur la figure 1, on voit une partie 1 de l'enveloppe cylindrique du coeur d'un réacteur nucléaire sous-modéré constitué par la juxtaposition d'assemblages combustibles fissiles 2 et d'assemblages combustibles fer tiles 3 Les assemblages fertiles sont placés à la périphérie du coeur, au voisinage de l'enveloppe 1. Chacun des assemblages a la forme d'un prisme droit à bases hexagona- les A l'intérieur du coeur, les assemblages sont disposés avec leursfaces latéralesen vis à vis Chacun des assemblages a une hauteur égale à la hau- teur du coeur. Sur la figure 2, on voit le détail A de la figure 1 à une échelle très agrandie montrant les portions de trois assemblages disposés au voisinage de trois arêtes 4, 5 et 6. A l'intérieur de chacun des assemblages, les crayons combustibles 8 sont disposés suivant un réseau triangulaire Pour simplifier, la section de chacun des crayons des assemblages a été assimilée à un hexagone. On voit que le long des parois latérales des assemblages tels que Il et 12, la répartition des crayons combustibles 8 suivant un réseau à mailles 2511 174 triangulaires ménage des espaces vides 10. En outre, entre les parois latérales des assemblages combustibles disposés côte à côte, telles que les parois 12 et-13, il est nécessaire de maintenir un espace libre tel que 14, pour permettre la mise en place ou l'extraction des assemblages ainsi que les déforwations possibles des boi- tiers pendant le fonctionnement du réacteur. Entre les crayons combustibles 8, l'espace libre est très faible, l'écartement entre les crayons étant maintenu par un fil enroulé autour du gainage de ce crayon. La totalité du coeur étant baignée par de l'eau servant de modéra- teur, le rapport entre le volume de modérateur et le volume de matériau fissile est faible à l'intérieur de l'assemblage. En revanche, dans les zones périphériques des assemblages, au voi- sinage des parois latérales telles que 11, 12 et 13, le rapport volume de modérateur/folume de matériau fissile est beaucoup plus important, ce qui fait que le rapport de modération atteint des valeurs importantes dans ces zones et suffisante pour que les neutrons soient ralentis pour revenir dans leur zone thermique. Ceci entraine une remontée locale du flux neutronique se traduisant par la création de pics de puissance. On va maintenant se référer aux figures 3 à 7 pour décrire un as- semblage combustible suivant l'invention. Sur la figure 3, on voit le boitier d'un tel assemblage combustible de forme prismatique à base hexagonale. Ainsi qu'il est visible sur les figures 4 à 7; chacune des faces latérales 15 de ce boitier est constituée par une plaque centrale 16 en zirconium, d'une épaisseur de 4 mm Cette plaque 16 comporte un grand nom- bre de perçages 20 débouchant sur chacune des faces de la plaque 16 et disposés suivant un réseau triangulaire visible sur la fi Bure 7 Chacun de ces trous a un diamètre de 9,5 mm et le côté du triangle équilatéral cons- tituant la maille du réseau a une longueur de 12 ma. Sur la figure 7, on a également représenté les projections 21 des axes de deux crayons consécutifs de l'assemblage, sur la face latérale du boitier. On voit que la position des axes des crayons correspond aux lignes de séparation entre les rangées de trous dans la plaque 16. Ainsi qu'il est visible à la figure 5, ces trous sont remplis par des pastilles de matériau fertile 24, par exemple del'oxyde d'uranium ap- pauvri esranium 235. 11174 Ces pastilles 24 sont entièrement isolées du lieu extérieur par des plaques 25 et 26, en zirconium, de 0,5 mm d'épaisseur Pour la fabri- cation de la paroi latérale du boitier, on introduit les pastilles combus- tibles en uranium appauvri dans chacun des trous ménagés dans la plaque 16 puis on fixe par soudure les plaques 25 et 26 sur chacune des faces de la plaque 16. Les parois latérales 15 ainsi constituées sont alors assemblées par soudure le long de leurs arêtes pour constituer le boitier prismatique tel que représenté à la figure 3, puis assemblées auxfonds 17 et 18 du boi- tier. Sur la figure 6, on voit la disposition des crayons combustibles fissiles dans un plan de section droite d'un assemblage fissile comportant un boitier formé de parois latérales 15 telles que celle qui a été décrite en se référant aux figures 4 à 7 On voit que les pastilles en bioxyde d'uranium appauvri 24 sont disposées dans les parois 15 au niveau des inters- tices entre deux crayons en matériau fissile 30 disposés les uns à côté des autres le long de la paroi 15. Au voisinage des angles dièdres du boitier prismatique, les cra- yons combustibles fissiles 30 sont remplacés par des crayons fertiles 31 constitués par des pastilles de bioxyde d'uranium appauvri empilées dans des tubes de gainage. Certaines des positions de crayons combustibles dans le réseau sont occupées par des tubes-guides 32 pour le guidage des barres de com- fixation mande et la des pièces de l'assemblage Dans le cas de l'assemblage représenté à la figure 6, il y a 18 tubes-guides pour l'ensemble de l'as- semblage. Pour réaliser le montage d'un assemblage tel que représenté à la figure 6, on a introduit à l'intérieur d'un boitier fabriqué comme il a été décrit ci-dessus et fermé à sa partie inférieure par l'embout 18, les crayons combustibles fissiles 30 et les crayons fertiles 31 munis de leur dispositif d'espacement constitué par un enroulement de fils sur le tube de gainage, à l'intérieur du boitier les uns à c 8 té des autres avec leur dispositif d'espacement jointif. Ces crayons combustibles se disposent alors à l'intérieur du boitier comme représentés à la figure 6. Les tubes-guides 32 sont introduits à la place de crayons fissi- les à certains endroits, dans le réseau. Le fond inférieur 18 du boitier comporte des ouvertures repro- 251 1 174 duisant ce réseau, si bien que les tubes-guides de longueur supérieure à celle des crayons se mettent en place dans ces ouvertures. Le fond supérieur 17 qui comporte de même des ouvertures suivant une disposition conforme au réseau représenté à la figure 6 est alors mis en place de façon que les extrémités des crayons s'engagent dans les ouvertures correspondantes de ce fond On voit que les principaux avantages de l'assemblage combustible fissile suivant l'invention sont d'éviter l'appa- rition de puissance neutronique élevée au voisinage des parois de l'assem- blage, en évitant un effet de modération trop important dans ces zones et d'augmenter la quantité de matériau fertile et donc la quantité de maté- riau fissile régénéré par la réaction neutronique, sans modifier la forme extérieure de la structure de l'assemblage. Le flux netronique au voisinage des parois de l'assemblage est en-ef- fet fortement diminué, puisque les neutrons émis par les crayons combusti- bles fissiles sont absorbés par les pastilles de matériau fertile inclus dans les parois latérales du boitier avant d'avoir connu un effet de modé- ration dans la gamme thermique. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décritielle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi que le matériau fertile incorporé aux parois du boitier de l'assemblage peut être introduit sous forme de pastilles à section cir- culaire dans des ouvertures non plus circulaires mais oblongues ménagées dans la plaque centrale de la paroi, que ces pièces en matériau fertile peuvent avoir une forme différente de la forme circulaire, qu'elles peuvent prendre par exemple, la forme de plaquettes rectangulaires de dimensions plus ou moins importantes, leur taille pouvant même aller jusqu'à une tail- le équivalente à celle des plaques de fermeture 25 et 26 Dans ce dernier cas, on peut utiliser bien évidemment une seule plaque de matériau fertile incorporée à la paroi du boitier. Les parois latérales du boitier peuvent avoir une structure tout à fait différente de celle qui a été représentée, cependant, il est préférable d'isoler le matériau fertile du fluide modérateur pour éviter sa corrosion. Il est de même souhaitable que ce matériau fertile soit isolé totalement du milieu extérieur, pour éviter toute fuite de gaz de fission. La disposition des pastilles de matériau fertile telles que décrites permet une absorption optimale du flux neutronique dans le cas d'une dispo- sition de crayons comme représentée à la figure 6 Cependant, il est possi- répartition ble d'imaginer d'autres dispositions, en fonction de la du flux 2511 174 neutronique autour de l'assemblage. On a décrit un boitier o les parois latérales étaient assemblées par soudage suivant leurs arêtes, mais il est également possible d'imagi- ner un assemblage mécanique des parois latérales du boitier, permettant un démontage ultérieur, par exemple lors de la réfection des assemblages combustibles usagés. On peut également imaginer l'utilisation d'un matériau fertile dif- férent du bioxyde d'uranium appauvri. Enfin, l'invention s'applique non seulement dans le cas des assem- blages prismatiques à section hexagonale tels que décrits, mais également dans tous les cas o l'on utilise des assemblages constitués par un boitier rempli par des crayons combustibles fissiles, dans ujréacteur nucléaire sous-modéré. 11174 REVENDICATIONS 1. Assemblage combustible fissile pour un réacteur nucléaire sous-modéré comportant un coeur baignant dans un fluide modérateur, cons- titué par des assemblages combustibles disposés côté à côte, les uns ren- fermant principalement un matériau fissile et les autres un matériau fer- tile susceptible de se transformer en matériau fissile sous l'effet du bombardement neutronique, cependant que la répartition du matériau fissile dans les assemblages est choisie pour obtenir un rapport volumique faible entre le modérateur et le matériau fissile, chacun des assemblages du coeur étant constitué par un boitier prismatique en un matériau absorbant faible- ment les neutrons, à l'intérieur duquel des crayons ( 30) de grande longueur renfermant le matériau fissile ou le matériau fertile sont disposés parallè- lement à la hauteur du bottier et suivant un réseau régulier dans les sec- tions droites de ce boitier, caractérisé par le fait que sur chacune des faces latérales ( 15) du boitier, est disposée au moins une pièce ( 24) en un matériau fertile exposée aux neutrons émis par le matériau fissile de l'assemblage. 2. Assemblage combustible fissile suivant la revendication 1, caractérisé par la fait que le matériau fertile est sous forme de pastilles unitaires ( 24) incorporées à la paroi ( 15) du boitier, dans son épaisseur, suivant une disposition régulière dépendant de la disposition des crayons fissiles ( 30) dans l'assemblage. 3. Assemblage combustible suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la paroi est constituée par une plaque centrale ( 16) en matériau absorbant faiblement les neutrons, percée de trous ( 20) dont la dimension correspond à la dimension des pastilles unitaires de ma- tériau fertile ( 24) et renfermant une pastille fertile dans chacun de ces trous ( 20) et par deux plaques ( 25, 26) de plus faible épaisseur que la plaque centrale ( 16), en matériau absorbant faiblement les neutrons, fixées par soudure sur chacune des faces de la plaque centrale ( 16) et isolant les pastilles de combustible fertiles ( 24) du milieu extérieur. 4. Assemblage combustible fissile suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les pastilles fertiles ( 24) sont disposées dans des trous ( 20) de la plaque centrale ( 16) formant un réseau triangulaire régulier sur cette plaque ( 16) 5 Assemblage combustible fissile suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la pièce en matériau fertile est constituée par une plaque plane unique incorporée à la paroi latérale ( 15) du boitier des assemblages. 11174 6. Assemblage combustible fissile suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 et 5, caractérisé par le fait que les crayons combustibles ( 31) disposés au voisinage des arêtes du boitier prismatique sont des crayons combustibles fertiles. 7 Assemblage combustible fissile suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé par le fait que le matériau fertile est du bioxyde d'uranium appauvri. 8. Assemblage combustible fissile suivant l'une quelconque des revendications 1,2, 3, 4, 5, 6 et 7, dans le cas o cet assemblage a une section transversale hexagonale à l'intérieur de laquelle les crayons com- bustibles ( 30, 31) sont disposés suivant un réseau à mailles triangulaires équilatérales, caractérisé par le fait que les six faces latérales ( 15) du boitier comportent des pièces ( 24) en matériau fertile dans les zones de ces parois ( 15) situées au voisinage des espaces vides de matière fissile situés entre deux crayons successifs voisins de la paroi ( 15).