Brevet FR2520916A1 — publié le 19830805

Assemblage combustible à poison consommable La présente invention concerne les assemblages combus- tibles de réacteur nucléaire et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine des réacteurs nucléaires à eau légère qui constitue à la fois le modérateur et le réfrigérant du réacteur. L'invention concerne plus particulièrement un assem- blage combustible de réacteur nucléaire du type comprenant un squelette comportant deux pièces d'extrémité reliées par des tubes entretoises et des grilles réparties le long des tubes et comprenant un faisceau de crayons de combustible gainé les grilles maintenant les tubes et crayons aux noeuds d'un réseau régulier. Des assemblages combustibles du type ci-dessus défini sont notamment utilisés dans les réacteurs à eau sous pres- sion Certains au moins des tubes constituent des guides dans lesquels peuvent coulisser des crayons chargés en matériau absorbant les neutrons, réunis en grappe pour cons- tituer des barres de pilotage du réacteur Dans une réali- sation de ces assemblages, les grilles sont fixées aux tubes guides par soudage (lorsque les matériaux constitu- tifs du tube et de la grille sont compatibles) ou par déformation mécanique d'un manchon enfilé sur le tube guide et de même nature que la grille à laquelle il est soudé. Dans d'autres réalisations (FR-A 2 088 009), les grilles d'entretoisement peuvent se déplacer axialement le long des tubes en cas d'allongement axial des crayons combustibles lors du fonctionnement Dans ce cas, les grilles sont munies de manchettes montées à frottement doux sur les tubes guides. On a depuis longtemps proposé d'incorporer dans les assemblages des "poisons consommables", c'est-à dire des matériaux contenant un élément ayant une forte section efficace de capture des neutrons et qui, sous l'effet des neutrons, ne produit pas de neutrons supplémentaires et ne donne pas naissance à des produits de filiation fortement absorbants Parmi les éléments les plus utilisés, on peut notamment citer le gadolinium, le -2- samarium, l'europium et, surtout, le bore (FR-A 1 504 651). On a déjà proposé de nombreuses solutions pour incorporer des poisons consommables à un assemblage, Une réalisation particulièrement intéressante (FR-A 2 472 247) consiste à disposer, dans certains au moins des tubes guides, des crayons de poison consommable comportant une gaine dans laquelle sont immobilisées des pastilles annulaires de poison (verre boraté par exemple) immobilisées entre un bouchon terminal et une déformation de la gaine ou d'un tube interne Cette disposition présente toutefois quelques inconvénients Même après épuisement du poison, les crayons qui le contiennent introduisent une masse importante de matériaux parasites qui absorbent des neutrons et, de ce fait, réduisent le taux d'utilisation du combustible Le crayon remplit un tube-guide et diminue le volume de l'eau légère, donc la modération, avec pour conséquence une utilisation désavantageuse du combustible lorsque le réacteur doit fonctionner avec. des neutrons thermiques Les crayons de poison et leurs çtri'rttur associées occunent un volume de stockane innor- tant et pendant des d Iurées éIev(ôes, Puisnu'ils n'ont pas A tre sounis ^ un retraitent. On pourrait penser que les inconvénients ci-dessus pourraient être écartés en revêtant la surface interne de certains des tubes-guides par un substrat retenant un poison consommable Mais il ne faut pas perdre de vue que chaque assemblage est généralement utilisé au cours de plusieurs cycles successifs et que, au-delà du premier cycle, les tubes-guides peuvent recevoir des crayons appartenant à des barres de pilotage Dans ce cas, le frottement des crayons sur le revêtement est un facteur d'usure important Au surplus, étant donné que les tubes guides ont une fonction de résistance mécanique de l'assemblage, il n'est pas possible d'effectuer de tels traitements sur les tubes sans les qualifier de nouveau. La présente invention vise à fournir un assemblage combustible répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce que -3 - les inconvénients ci-dessus sont, dans une large mesure, écartés De façon plus précise, l'invention vise à four- nir un assemblage combustible à poison consommable dans- lequel l'adjonction du poison s'effectue de façon simple et sans modifier les caractéristiques mécaniques de l'assem- blage. Dans ce but, l'invention propose notamment un assemblage du type ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'il comporte des manchettes rapportées sur les tubes et contenant un poison neutronique consommable. Les manchettes seront habituellement réalisées sous forme d'un tronçon tubulaire de matériau résistant au rr Uri Pn(rar It (le ne In'r nature, oile le tube ollieif), ri:fîirî d' un revêtement adhérent contenant le poison consommable Le tronçon de tube pourra notamment être en un alliage de zirconium tel que celui connu sous la marque "ZIRCALOY", tandis que le revêtement adhérent contiendra du bore, sous forme de particules de carbure de bore, ou du gadoli- nium On peut également envisager l'emploi de tronçons tubulaires de zirconium ou d'alliage de zirconium contenant une faible teneur dehafnium, bien que le hafnium présente des caractéristiques moins favorables que les autres poisons mentionnés plus haut. On voit que cette réalisation permet de répartir le poison consommable entre les assemblages combustibles et au sein même d'un assemblage combustible en fonction de l'implantation de l'assemblage dans le coeur et de la répartition axiale de la puissance dans le coeur On peut en effet prévoir des concentrations en poison consommable différentes suivant les manchettes et répartir axialement ces dernières sur les tubes guides pour tenir compte de la répartition axiale de puissance, On voit par ailleurs que les manchettes sont faciles à implanter et à répartir et que leur fabrication n'a pas la complexité de celles de crayons, qui impliquent le pas-tillage de poison consommable, le chargement de pastilles dans les gaines, le soudage des gaines et les -4 - opérations de contrôle ultérieures Enfin, les manchettes n'ayant aucune fonction mécanique et pouvant comporter un tronçon tubulaire support en matériau identique à celui des tubes guides évitent toute épreuve de qualification mécanique et garantissent une tenue satisfaisante en pile. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'assemblages qui constituent des modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accom- pagnent, dans lesquels la figure 1 montre schématiquement, en élévation, les éléments concernés par l'invention d'un assemblage de combustible constituant un premier mode de réalisation; la figure 2 est une vue à grande échelle montrant un mode possible de fixation d'une manchette de poison sur un tube-guide, dans l'assemblage de la figure 1 la figure 2 a, similaire à une fraction de la figure 2, montre une variante de réalisation la figure 3, similaire à la figure 1, montre un autre mode de réalisation La figure 4 est un schéma en perspective à grande échelle montrant un mode possible de fixation des man- chettes dans l'assemblage de la figure 3; les figures 5 et 6, similaires à la figure 3, montrent d'autres modes de réalisation encore de l'inven- tion. L'assemblage combustible dont certains éléments sont montrés en figure 1 peut avoir la constitution générale utilisée largement à l'heure actuelle dans les réacteurs à eau sous pression, par exemple celle décrite dans le document FR-A 2 384 323 auquel on pourra se reporter. Le squelette de l'assemblage comprend deux pièces d'extré- mité 11 reliées par des tubes guides 12 en alliage de zirconium tel que celui désigné par la marque "ZIRCALOY". Le squelette comporte également des grilles 13 en alliage désignée par la marque "INCONEL" réparties dans l'inter- valle qui sépare les pièces d'extrémité 11 Les crayons - combustibles 14 sont supportés et maintenus suivant un réseau carré, dont certains noeuds sont occupés par les tubes guides 12, par les grilles 13 Ces grilles (figure 2) comportent deux jeux de bandes 20 et 21 entrecroisées et munies de bossettes 22 et des ressorts (non représentés) de maintien élastique des crayons 14 Des bossages supplémen- taires 23 assurent le maintien précis des bandes 20 et 21 les unes par rapport aux autres. Certains au moins des tubes guides 12 portent une ou plusieurs manchettes de poison consommable Chacune des manchettes 15 en "ZIRCALOY" entoure un tube guide 12 entre deux grilles 13 ou entre une grille et une pièce d'extrémité 11 La partie basse de la manchette 15 est sensiblement au, contact de la grille 13 ou de la pièce Il placée au-dessous, sur laquelle il peut se reposer La longueur de la man- chette est telle qu'il subsiste, avant mise en service, un jeu 1 entre l'extrémité haute de la manchette et la grille ou la pièce d'extrémité placée au-dessus Ce jeu 1 est choisi de façon à être suffisant pour éviter un arc- boutement de la manchette d O aux dilatations différentielles en température et sous irradiation, mais conservé à une valeur minimum pour que l'absence locale d'absorbant neutro- nique n'introduise pas de pics de flux neutronique signifi- catifs dans le coeur Dans le cas de la figure 1, ce Jeu sera avantageusement compris entre 0,3 et 1,0 mm, pour un assemblage utilisé de manière courante sur les réacteurs à eau sous pression actuels de 900 MW, dans lequel l'espace inter grilles est d'environ 500 mm. Diverses solutions peuvent être adoptées pour fixer les manchettes 15 Dans le mode de réalisation montré en figure 2, utilisable notamment lorsque la grille 13 est en "INCONEL" et le tube guide 12 en "ZIRCALOY", on solida- rise le tube guide 12 et la partie terminale de la manchette par l'intermédiaire d'un manchon 16 fixé de façon perma- nente à la grille, généralement par soudage De façon identique, ce résultat peut être obtenu par brasage Pour cela, la manchette 15 présente une partie terminale 17 élargie de façon à pouvoir se glisser à frottement doux sur -6 _ le manchon 16, traversé par le tube guide 12 On déforme alors par expansion l'ensemble constitué par le tube guide, le manchon et la manchette, avantageusement en quatre zones 18 situées à la verticale des angles de la cellule de la grille occupés par le tube guide On réduit ainsi au maximum les perturbations apportées à l'écoulement du réfrigérant. Dans la variante de réalisation montrée en figure 2 a, la fixation de la manchette 15 s'effectue en deux étapes. Dans une première étape, on fixe le manchon 16 sur le tube guide 12 par déformation radiale localisée ou circonféren- tielle, par expansion dans des zones 181 ou par roulage Puis on fixe la manchette 15 au tube guide 12, dans la zone non renflée de la manchette, également par expansion localisée ou circonférentielle en 182 La partie terminale renflée 17 de la manchette 15 est dans ce cas engagée à frottement doux sur le manchon 16 au-dessus des zones déformées 18 î. Comme indiqué plus haut, les manchettes sont avanta- geusement constituées par un support en matériau à base de zirconium, tel que le "ZIRCALOY" qui a l'avantage d'être transparent aux neutrons, de sorte qu'une fois le poison consommable épuisé à la suite du premier passage du combus- tible èn réacteur, la présence des manchettes ne se traduira par aucune absorption de neutrons et permettra une meilleure utilisation de l'énergie libérée par l'assemblage lors des cycles ultérieurs de passage en réacteur Le poison consom- mable, généralement constitué par un composé de bore ou de gadolinium, doit présenter avec le support une liaison métal- lurgique suffisante pour résister à l'action du réfrigérant Dans un réacteur à eau légère, cette liaison pourra être effectuée par projection à chaud d'un mélange du composé et d'un liant métallique, tel que le nickel, compatible avec la tenue à la corrosion et ayant une transpa- rence satisfaisante aux neutrons. L'encombrement radial de chaque manchette et de ses moyens de fixation doit être tel que la manchette n'apporte pas de perturbations notables à l'écoulement et au refroidissement du combustible Cette condition impose notamment une épaisseur aussi faible que possible des manchettes revêtues du poison L'épaisseur limite du substrat est im- posée par le procédé d'application du revêtement qui est fonction de la teneur en poison nécessaire A titre d'exemple, on peut indiquer qu'on peut réaliser des manchettes revêtues ayant une épaisseur de l'ordre de 0, 5 mm dont une épaisseur de 0,3 mm pour le support en "ZIRCALOY". Grâce à l'emploi de manchettes suivant l'invention, on peut réaliser toute répartition souhaitable du poison neu- tronique dans un assemblage On peut en particulier placer des manchettes 15 à forte concentration en poison consommable dans la partie médiane de tous les tubes guides ou d'une partie d'entre eux, tandis que les parties terminales de ces mêmes tubes guides ou bien ne portent pas de manchette, ou bien portent des manchettes à faible concentration en poison consommable. On décrira maintenant, en faisant référence à la figure 3, un mode de réalisation particulièrement utilisable dans le cas-o les tubes guides 12 et les grilles 13 sont constitués en métaux ou alliages identiques ou compatibles Le mode de réalisation de la figure 3 est notamment utilisable lorsque les grilles 13 et les tubes guides 12 sont en "ZIRCALOY". Chaque manchette 15 est cette fois fixée par son extrémité haute à une grille 13 et le jeu 1 est prévu entre l'extré- mité basse de la manchette 15 et l'organe situé au-dessous (grille ou pièce d'extrémité) Le jeu I est cette fois choisi non seulement en fonction des deux critères mentionnés plus haut (valeur minimale, mais compatible avec la libre dilata- tion différentielle des composants), mais aussi pour permettre la fixation de la grille sur le tube guide Dans le cas d'une grille, cette fixation peut s'effectuer par soudage comme indiqué sur la figure 4 On voit sur cette figure que les bandes 20 et 21 sont solidaires de pattes ou lan- guettes 10 et 19 prédécoupées et préformées, par exemple par emboutissage, pour constituer, dans le cas de la languette , une déformation 31 correspondant à la surépaisseur repré- sentée par la manchette 15 à la partie basse de la grille Le soudage des pattes 10 à la partie basse et 19 à la partie haute peut s'effectuer de façon classique d'une part sur les tubes guides, d'autre part sur la manchette. Dans la variante de réalisation représentée en figure 5, l'assem- 8- blage combustible est du genre décrit dans le document FR-A 2 088 009, c'est-à-dire qu'il comprend des grilles 13 montées "flottantes" le long des tubes guides Dans ce cas, les manchettes 15 jouent le rôle d'entre- toises pour les grilles 13 Le jeu 1 est cette fois prévu pour tolérer l'allongement axial des crayons combustibles 14 sous irradiation et, entre grilles flottantes, les man - chettes 15 peuvent avoir une longueur égale à l'écartement initial des grilles. Enfin, dans la variante montrée en figure 6, les grilles 13 sont fixées aux tubes guides, par des moyens qui peuvent être quelconques et notamment ceux montrés en figures 2, 2 a ou 3 Chacune des manchettes 15 est montée flottante entre deux grilles 13 ou entre une grille et une pièce d'extrémité 11 Le jeu total 1 sera alors égal a la somme des jeux d'extrémité 11 et 12 Ce jeu total 1, encore déterminé pour remplir les critères men- tionnés plus haut, facilite de plus, lors de la fabrica- tion, la fixation des grilles 13 aux tubes guides i 2. Bien que l'invention ait surtout été décrite dans son application à des assemblages combustibles pour réac- teur A eau légère de type classique, elle est susceptible de nombreux autres modes de réalisation, soit destinés à des réacteurs à eau légère a variation du spectre énergé- tique des neutrons au cours de la vie du réacteur, soit à des réacteurs utilisant un réfrigérant autre que l'eau légère. Il va sans dire que la portée du présent brevet s'étend A de telles variantes, ainsi plus généralement qu'à toutes autres restant dans le cadre des équivalences. -9- REVENDICATIONS 1 Assemblage combustible de réacteur nucléaire comprenant un squelette comportant deux pièces d'extrémité ( 11)reliées par des tubes entretoises ( 12) et des grilles ( 13) réparties le long des tubes ( 12) et comprenant un faisceau de crayons de combustible gainé ( 14), les grilles maintenant les-tubes et les crayons aux noeuds d'un réseau régulier, assemblage caractérisé en ce qu'il com- porte des manchettes ( 15) rapportées sur les tubes et contenant un poison neutronique consommable. 2 Assemblage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque manchette est constituée par un support, formé par un tronçon tubulaire de matériau résistant au réfrigérant de même nature que le tube guide, muni d'un revêtement adhérent contenant le poison consommable. 3 Assemblage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le tronçon de tube est en alliage de zirconium, tandis que le revêtement adhérent contient du bore ou du gadolinium. 4 Assemblage suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le revêtement de poison consommable est lié au support par un liant métallique tel que le nickel. Assemblage suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que les grilles ( 13) sont fixées aux tubes ( 12) par déformation du tube guide et d'un manchon ( 16) soudé à la grille. 6 Assemblage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que chaque manchette est fixée à son tube-guide par déformation locale ou circonférentielle de l'ensemble constitué par le tube-guide ( 12), le manchon ( 16) et une partie terminale renflée ( 17) de la manchette ( 15) 7 Assemblage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que chaque manchette est fixée à son tube guide par déformation locale ou circonférentielle de l'ense mble du tube guide et de la manchette en une zone ( 182) distincte de la zone ( 181) de fixation du manchon sur le tube guide. -10 - 8 Assemblage combustible suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les grilles ( 13) présentent, de chaque côté,des doigts ou pattes ( 10, 19) destinés à être respectivement soudés à une manchette ( 15) et à un tube guide ( 12). 9 Assemblage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les man- chettes ( 15) ont une longueur inférieure à l'espacement des organes ( 11, 13) entre lesquels elles sont montées pour autoriser leur libre dilatation différentielle ainsi que celle des constituants de l'assemblage. Assemblage suivant la revendication 9, destiné à un réacteur nucléaire à eau sous pression et dans lequel l'espace entre grilles est d'environ 500 mm, caractérisé en ce que la différence entre ledit espace nominal et la longueur des manchettes est comprisientre 0,3 et 1 mm.