Brevet FR2509078A1 — publié le 19830107

GRILLE D'ESPACEMENT POUR COMBUSTIBLE DE REACTEUR NUCLéAIRE La grille qui fait l'objet de l'invention concerne de la façon la plus générale, l'agencement des crayons combustibles au coeur des réacteurs nucléaires. Chacun de ces crayons est constitué d'un tube de gainage métallique à l'intérieur duquel est logé le combustible nucléaire proprement dit. Ces crayons sont groupés, sous forme d'assemblages combustibles, dans le coeur des réacteurs nucléaires et refroidis par circulation de fluide le long des parois extérieures des tubes de gainage. La nouvelle grille d'espacement suivant l'invention concerne plus particulièrement les assemblages combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires de forte puissance refroidis par eau bouillante ou pressurisée. Dans ces réacteurs, chaque crayon combustible est constitué d'un tube de gainage d'une longueur de l'ordre de 4 m, dont le diamètre extérieur est de l'ordre du centimètre et dont l'épaisseur de paroi ne dépasse généralement pas 1 mm. A l'intérieur de ce tube est logé le combustible, généralement sous forme de petits cylindres empilés, constitués de composés réfractaires contenant un ou plusieurs éléments fissiles ou fertiles. Les assemblages combustibles comprennent chacun un nombre déterminé de crayons disposés parallèlement et maintenus avec des écartements fixes les uns par rapport aux autres. Ces assemblages combustibles sont généralement de section carrée ou rectangulaire, et, à l'in térieur de cette section, les crayons sont repartis eux-mêmes à égale distance les uns des autres suivant un pas carré, Pour des raisons de contrôle des réactions nucléaires, il est prévu au sein de chaque assemblaye un certain nombre d'emplacements qui ne sont pas occupés par des crayons cobustibes, mais par des moyens de contrôle ou de mesure de la réactîvité, tels que des tubes de guidage, permettant l'introduction de barres de contrôle ou d'arrêt ou autres Le cour d'ur réacteur comporte un nombre déterminé d'assemblages combustibles disposés verticalement côte à côte et fixés aux deux extrémités par des moyens de fixation qui ne concernent pas la pré- sente invention. L'expérience a montré que, au -sein de chaque assemblage , il est très important d'empêcher la déformation des crayons pendant le séjour en réacteur et, en particulier, d'éviter les variations d'écartement entre les crayons. En effet, de telles variations peuvent être une cause d'accélératim des réactions nucléaires dans certaines zones du combustible et, donc, de surchauffe localisée des crayons. De même, ces variations peuvent faire obstacle à la répartition uniforme du fluide de refroidissement le long des parois des tubes de gainage, ce qui peut aussi provoquer des surchauffes localisées et, donc, un endommagement éventuel de certains crayons combustibles. Pour éviter de tels incidents, on dispose de distance en distance, le long des assemblages combustibles, des grilles à travers lesquelles passe chaque crayon de façon à maintenir l'écartement de ces crayons les uns par rapport aux autres. Ces grilles doivent présenter un ensemble de caractéristiques dont certaines sont difficilement conciliables. En effet, elles doivent être assez rigides pour résister aux déformations provoquées par la circulation très rapide du fluide dans le réacteur et aussi par les dilatations ou contractions des crayons en fonction du régime thermique du réacteur. Une telle rigidité doit être obtenue en faisant le moins possible obstacle au passage du fluide réfrigérant.En particulier, ce fluide doit pouvoir circuler le long des parois externes des tubes de gainage sur toute leur longueur et la formation de zones de caléfaction doit être absolument évitée. les grilles doivent aussi empêcher les crayons d'entrer en vibration par suite des interactions entre crayons et filets de fluide s'écoulant à grande vitesse, ce qui veut dire que les liaisons entre les grilles et chacun des crayons doivent être réalisées sans faire obstacle au passage de I 'eau et sans empêcher de légers déplacements relatifs de ces crayons, le long de leur-axe, par rapport aux grilles, sous l'action des contraintes thermiques. Enfin, les matériaux utilisés pour constituer les grilles ne doivent pas présenter une absorption neutronique trop importante. On cherche donc à limiter cette absorption neutronique en employant pour la construction des grilles d'espacement, des matériaux présentant une section de capture des neutrons thermiques relativement faible, tels que des alliages à base de nickel ou, de préférence, à base de zirconium, et en réduisant au minimum nécessaire la quantité de métal mis en oeuvre. La plupart des types de grilles d'espacement utilisés comportent un cadre carré ou rectangulaire formé par une bande métallique dont l'épaisseur est de l'ordre du mm, qui entoure l'assemblage cornb tible,à l'intérieur duquel d'autres bandes métalliques,disposées parallèlement aux côtés du cadre, se croisent à angle droit et forment un réseau d'alvéoles disposées suivant le même pas carré que les crayons, chacun de ceux étant logé dans une alvéole individuelle. Afin de rendre ces bandes métalliques, de relativement faible épaisseur, aussi rigides que possible, on peut leur donner par emboutissage, des formes appropriées et, en général, on les brase ou on les soude les unes aux autres à chaque point de croisement, ainsi qu'à chaque extrémité à leur jonction avec le cadre. Par ailleurs, on laisse à l'intérieur de chaque alvéole un jeu assez important, tout autour de chaque crayor,pour permettre la circulation de l'eau de refroidissement. Pour maintenir les crayons dans l'axe des alvéoles, et aussi pour les empêcher de vibrer, de petits ressorts viennent en appui sur ces crayons et les maintiennent au voisinage de l'axe des alvéoles. Ces ressorts sont conçus pour faire le moins possible obstacle à la circulation de l'eau, et leur appui sur la paroi des tubes de gainage est limité à une très faible surface, pour perturber le moins possible les échanges thermiques avec l'eau. L'expérience a montré que les grilles ainsi réalisées donnent des résultats satisfaisants en ce qui concerne le maintien de l'écartemert des crayons combustibles les uns par rapport aux autres, par contre, leur résistance à une déformation généralisée du réseau carré est souvent insuffisante. Sous l'influence de contraintes mécaniques élevées, les grilles peuvent se déformer en passant du carré au losange, car les bandes parallèles aux côtés du cadrefgui constituent les alvéoles,.ne font'pas suffisamment obstacle à un tel mode de déformation. Unetelle déformation peut, en particulier, être provoquée par l'action de forces extérieures, telles que des différences de température entre les faces des éléments combustibles. I1 peut en résulter un vrillage de l'ensemble de l'élément combustible qui perturbera le fonctionnement des barres de contrôle, et fera aussi obstacle au réarrangement des assemblages combustibles et à leur remplacement partiel, lors des opératiorsle déchargement et rechargement. Pour éviter cela-, la solution qui a été utilisée jusqu'à présent a consisté à donner une relativement grande largeur aux bandes métalliques qui constituent la grille de façon à accroître leur rigidité. Une telle façon de faire a pour inconvénient d'augmenter à la fois l'absorption neutronique et la résistance à la circulation de l'eau de refroidissement. On a donc recherché la possibilité de réaliser des grilles présentant une beaucoup plus grande résistance à la déformation, sans accroître leurs dimensions, afin de ne pas augmenter l'absorption neutronique et de ne pas nuire au refroidissement des crayons combustibles. La nouvelle grille d'espacement suivant l'invention a pour caractéristique essentielle que les bandes qui constituent les parois des alvéoles à l'intérieur desquelles sont logés les crayons, ne sont pas orientesparallèlement aux côtés du cadre, mais à 45 par rapport à ces côtés. La description et les figures ci-après permettent de mieux conrprendre les caractéristiques des grilles d'espacement de type connu et celles de la nouvelle grille d'espacement suivant l'invention ainsi que différents modes, non limitatifs, de réalisation de cette grille. Figure 1. Grille d'espacement pour combustible à pas carré de type connu vue en plan. Figure 2. Bandes métalliques constituant la grille de la figure 1. Figure 3. Nouvelle grille d'espacement pour combustible suivant l'invention vue en plan. Figure 4. Détail agrandi de la figure 3. Figure 5. Vue de détail en perspective de 2 tronçons de bandes transversales utilisées pour la réalisation d'une grille suivant l'invention. Figure 6. Vue de détail en perspective de l'assemblage des 2 tronçons de bandes de la figure 5. Figure 7. Vue de détail en plan d'un autre mode de réalisation d'une grille d'espacement suivant l'invention. Figure 8. Variante d'exécution de la grille de la figure 7 La figure 1 est une vue schématique en plan d'une grille (1) de type connu décrite dans le brevet US 4 028 180. Cette grille est formée d'un ensemble de bandes métalliques droites telles que (2) (3) qui se coupent à angle droit et sont logées à l'intérieur d'un cadre formé par des bandes latérales telles que (4, 5, 6, 7). Dans cet exemple, ces bandes ont environ 0,43 mm d'épaisseur et 44,5 mm de largeur et sont en un alliage réfractaire à base de nickel du type Inconel 718 (marque déposée de International Nickel Co). Chaque alvéole de section carrée telle que (8) contient un crayon combustible tel que (9) ou encore un tubede guidage. Le maintien des tubes de gainage du combustible est assuré par la combinaison de petits bossages tels que (10,11) formés sur les bandes et de petits ressorts tels que (12,13) formés également sur les bandes. La figure 2 montre la façon dont les bandes qui se croisent à angle droit sont réalisées. On voit un tronçon (14) d'une bande qui comporte des entailles (15), à mi-largeur de la bande,parallèles aux axes des crayons combustibles,qui lui permettent de s'engager dans les entailles (16)- d1autres bandes telles que (17, 18, 19), disposées à angle droit,pour constituer les alvéoles. Par ailleurs, des bossages tels que (20,21, 22) sont réalisés en allongeant une languette de métal préalablement entaillée sur 2 côtés parallèles, tandis que des ressorts sont réalisés en découpant des ouvertures allongées telles que (23,24) entre lesquelles une languette de métal telle que (25) est conservée.Celle-ci est allongée plastiquement, de façon à former dans son milieu un arrondi(26) qui est en relief par rapport au plan de la bande du côté opposé à celui des bossages (20,21,22). Ainsi, les tubes de gainage sont maintenus sensiblement dans l'axe des alvéoles, permettant un appui élastique par rapport aux parois, tout en conservant un passage pour le fluide de refroidissement. Lorsqu'on se propose, conformément à la présente invention,-dans le but d'augmenter la résistance des grilles à la déformation, de remplacer les bandes connues telles que (2,3), respectivement parallèles aux côtés (5,4) du cadre, par des bandes diagonales inclinées à 450, on constate que ceci n' est possible que si le pas P du réseau carré formé par les crayons combustibles, c'est-à-dire la distance mesurée parallèlement aux côtés du carré entre les axes de deux crayons adjacents de diamètre extérieur D, est supérieur au produit Dans la plupart des réacteurs, ce pas P est au contraire inférieur à I1 n'est alors pas possible de disposer des bandes droites parallèles aux diagonales du réseau carré.Aussi, suivant une caractéristique complémentaire de l'invention, bien que la direction générale des bandes, qui constituent les parois des alvéoles, soit parallèle aux diagonales du réseau carré constitué par les crayons, ces bandes ne sont pas droites, mais comportent des tronçons successifs dont l'orientation est déviée tantôt d'un côté, tantôt de l'autre, de façon symétrique par rapport à la diagonale du carré. Cette variation d'orientation peut être réalisée de façon progressive, chaque bande étant constituée d'une série de tronçons, présentant une courbure régulière tantôt dans une direction et tantôt dans une autre, avec raccordement aux points de croisement avec les autres bandes. I1 est possible également de réaliser des bandes comportant une série de tronçons droits avec des changements de direction brusques obtenus par pliage, tantôt d'un côté, tantôt de l'autre suivant un angle égal. On peut ainsi combiner des zones rectilignes et des zones courbes. Les figures 3 et 4 représentent de façon partielle une grille d'espacement (27) suivant l'invention, vue en plan, qui maintient un assemblage combustible dont les crayons tels que (28) sont figurés de façon schématique en coupe par des circonférences correspondant à leur diamètre extérieur. Cette grille est constituée d'un cadre carré (29) qui entoure un ensemble d'alvéoles, permettant de loger les crayons combustibles suivant un pas carré. Ces alvéoles sont réalisées par l'intersection de deux séries de bandes telles que (30, 31, 32, 33, 34, 35) dont l'orientation générale est parallèle aux diagonales du carré (36, 37). Ces bandes se croisent en des points tels que (38, 39, 40). On voit sur la figure 4, qui représente une partie ayrandie (41) de la grille de la figure 3, que chaque bande comporte des tronçons tels que (42,43, 44, 45) dont la direction est déviée par rapport à la diagonale (46) d'un même angle a , tantôt d'un côté, tantôt de l'autre. Les changements de direction sont réalisés aux points tels que (47, 48,49) en coudant la bande de façon à modifier sa direction d'un angle double de l'angle a que fait chaque tronçon par rapport à la diagonale. Comme le montre la figure alla bande entre en contact avec chaque crayon en deux points tels que (50,51) qui encadrent le point de changement de direction. I1 est donc ainsi possible, grâce à une telle disposition, de réaliser un calage élastique de chaque crayon, au moyen des bandes elles-mêmes constituant les alvéoles,sans avoir besoin d'utiliser des ressorts d'appui. Pour donner aux alvéoles une rigidité suffisante, il est nécessaire d'assurer une liaison entre les deux systèmes de bandes aux points de croisement. Pour cela, les bandes peuvent être entaillées à milargeur de la même façon que celles qui constituent les grilles de type connu. On peut aussi, comme le montrent les figures 5 et 6,disposer les bandes transversales sur deux niveaux différents. Dans ce cas, chacune de ces bandes telles que (52,53) est orientée suivant l'une des diagonales du carré, et cornporte des languette de liaison telles que (54,55) disposées sur un côté de la bande et dans son plan, pourvues chacune d'une entaille telle que (56,57) perpendiculaire au grand axe de la bande et dont la profondeur est de préférence sensiblement égale à la largeur 'tel" de la bande. Ces entailles sont disposées de façon à se trouver aux points de croisement du réseau de bandes transversales et l'assemblage s'effectue comme le montre la figure 6 en engageant les entailles l'une dans l'autre au point de croisement (58) des deux bandes (52) et (53). Aux points de croisement, on pourra renforcer considérablement la liaison par brasage du soudage par exemple. Les liaisons entre les extrémités des bandes diagonales et le cadre pourront également être assurées par brasage ou soudage. Au lieu de donner aux bandes diagonales une forme en zig zag comportant des tronçons droits avec des changements de direction brusques, on peut aussi, toujours suivant l'invention, comme le montre la figure 7, donner aux bandes une forme ondulée présentant une courbure alternée tantôt dans une direction, tantôt~daris.une autre, On voit que, dans ce cas, les points de croisement (59,60) entre les deux séries de bandes correspondent aux points d'inflexion des courbes. Dans ce cas, comme dans le précédent, malgré la courbure alternée des bandes tantôt dans une direction, tantôt dans une autre, l'orientation générale des bandes est parallèle aux diagonales du carré.Le contact entre chaque bande et chaque crayon s'effectue aux points de tangence tels que (61,62), suivant une génératrice, sur une longueur qui pourra, par exemple, être égale à la largeur de la bande. On voit que les bandes, qui font l'objet de l'invention, présentent l'avantage, grâce à leur disposition en diagonale à L'intérirur d'un cadre carré, d'une très grande résistance à la déformation en même temps que d'une très grande simplicité et économie de matière. Un autre avantage est la symétrie radiale de l'action de maintien des bandes sur les crayons, les efforts étant diamétralement opposés. Il est possible, si cela parait souhaitable, d'accroître l'élasticité du montage en modifiant la conformation des bandes transversales au niveau du point de contact entre celles-ci et les tubes de gainage. Ainsi, on peut donner à chaque bande, au niveau de son point de contact avec chaque tube de gainage,une courbure localisée de rayon très inférieur à celui du tube, de façon qu'elle entre en contact avec celui-ci suivant une génératrice d'une surface convexe qui facilite la circulation de l'eau de refroidissement le long des crayons. La figure 8 représente un tel mode de réalisation dans lequel le tube de gainage (63) qui est figuré seulement par son.contour extérieur est maintenu dans l'alvéole (64) par les bandes transversales ondulées (65, 66, 67, 68) qui prennent appui sur le tube grâce à une zone courbe de faible rayon qui est en contact avec le tube par sa surface convexe en (69, 70, 71 et 72). De très nombreux autres modes de réalisation des bandes diagonales qui constituent les alvéoles des nouvelles grilles suivant l'invention, peuvent être envisagés. Ces bandes peuvent, en particulier, comporter des trous destinés à les aléger, des bossages ou nervures destins à augmenter leur rigidité, ou encore des ailettes destinées à favoriser le mélange des filets d'eau de refroidissement. Enfin, le cadre carré peut également etre constitué de nombreuses façons différentes dans le but d'accroitre sa légèreté ou sa ridigité. Différents métaux ou alliages peuvent être utilisés pour réaliser les nouvelles grilles suivant l'invention en fonction des besoins et des conditions d'utilisation de ces grilles. REVENDICATIONS 10) Nouvelle grille d'espacement pour combustible de réacteur nucléaire, à pas carré, caractéris;-éen ce qu'elle comporte des bandes (30, 31, 32, 33, 34, 35), disposées suivant les diagonales du carré,qui délimitent les alvéoles dans lesquelles sont logés les crayons combustibles. 20) Nouvelle grille d'espacement suivant revendication 1, caractérisée en ce que les bandes diagonales ne sont pas rectilignes, mais comportent des tronçons dont la direction est déviée alternativement de par et d'autre d'une direction parallèle à la diagonale du carré. 3 ) Nouvelle grille d'espacement suivant revendication 2, caractérisée en ce que les bandes diagonales sont constituées d'une série de tronçons droits (42, 43, 44, 45) raccordés par des coudes (47, 48, 49). 40) Nouvelle grille d'espacement suivant revendication 2, caractérisée en ce que les bandes diagonales ont une forme ondulée (figure 7), les tronçons présentant des courbures alternées et le contact avec les tubes de gainage (61,62) étant réalisé de préférence suivant une génératrice. 50) Nouvelle grille d'espacement suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les bandes diagonales sont au contact des tubes de gainage par l'intermédiaire d'une surface convexe (69, 70, 71, 72).