Brevet FR2512257A1 — publié le 19830304

La présente invention a trait au combustible pour réac- teur nucléaire et, plus particulièrement, à un agencement de ressort de maintien agissant de haut en bas pour immobiliser des ensembles combustibles dans le coeur du réacteur nucléai- re. Typiquement, un réacteur nucléaire pour la génération d' énergie électrique comporte un coeur en matière fissile des- tiné à chauffer un réfrigérant qui le traverse de bas en haut. La matière fissile est enfermée dans des barres combistibles oblongues assemblées en un ensemble carré, couramment dit en- semble combustible, et maintenues parallèles et espacées par un certain nombre de grilles d'entretoisement réparties à intervalles sur la longueur de l'ensemble Les ensembles com- bustibles sont maintenus en formation régulière par des plaques-grilles de coeur situées en haut et en bas et sont munis de raccords terminaux supérieurs et inférieurs concor- dant avec les plaques-grilles. Typiquement, un ensemble de ressorts de maintien agissant de haut en bas est prévu entre le raccord terminal supérieur et la grille-plaque de coeur supérieure pour engendrer une forme de maintien suffisante agissant à l'encontre des pous- sées hydrauliques s'exerçant-vers le haut dans le coeur Les ressorts permettant aussi à l'ensemble de combustible de subir un allongement axial du fait soit de dilatatiors thermiques différentielles, soit d'une modification provoquée dans la matière par l'irradiation Les problèmes de conception rési- dent donc dans la nécessité de prévoir une force de maintien suffisante pour s'opposer à la poussée vers le haut tout en permettant l'allongement Il faut loger dans des volumes res- treints de la matière dotée d'une résistance mécanique et d' une rigidité suffisantes Le rapport rigidité/volume d'un ressort devient très important lorsqu'il s'agit de maintenir du combustible nucléaire. Il existe deux types de ressorts servant couramment comme dispositifs de maintien d'ensembles combustibles Le ressort du type le plus courant est le ressort hélicoïdal, celui de l'autre type étant le ressort-lame Le brevet US 4 072 562 décrit un agencement à barre de torsion unique Toutefois, cet agencement n'a jamais été utilisé dans un réacteur nucléaire. Avec des ressorts hélicoïdaux, on tente de résoudre le problème posé par le rapport-rigidité/volume en plaçant le ressort au centre du raccord terminal supérieur de l'ensemble là o le volume libre disponible est maximum Parmi les in- convénients de cette solution figure le fait qu'il faut posi- tionner soigneusement les ressorts pour permettre-l'accès aux barres de réglage, et que les ressorts sont pleinement expo- sés au courant de réfrigérant, ce qui les soumet aux efforts dynamiques découlant des vibrations engendrées par l'écoule- ment En outre, il peut être souhaitable que l'ensemble com- bustible se prête à être reconstitué Or, la reconstitution de la structure de ressort hélicoïdal est une opération rela- tivement complexe exigeant le meulage de nombreuses soudures par points, la dépose de plusieurs composants plus petits, y compris le ressort de maintien et son élément de retenue, et la repose correcte de tous les éléments déposés. Des structures de ressorts-lames sont utilisées par un fabricant de combustible nucléaire Toutefois, attendu que ces structures tendent à être à course limitée, il est néces- saire d'adjoindre à l'agencement d'ensemble combustible des organes moins susceptibles de croissance provoquée par irra- diation En outre, ces ressorts-lames doivent souvent être jumelés pour exercer un effet de maintien suffisant. Le ressort du type barre de torsion est un dispositif hautement efficace Pour un même poids, il peut emmagasiner quatre fois plus d'énergie qu'un ressort-lame sous contrainte égale Toutefois, la difficulté que soulève l'utilisation de barres de torsion réside en ce que l'on ne dispose pas dans l'ensemble combustible d'assez de place pour obtenir une fle- xion suffisante de la barre Typiquement, les ensembles com- bustibles mesurent seulement 20 x 20 cm Ainsi, la dimension du bras de torsion est limitée à moins de 20 cm Or, le dia- mètre d'une barre exerçant un effet de maintien suffisant ne saurait être suffisamment réduit pour permettre la croissance sans céder si la longueur de la barre est limitée à moins de cm. La présente invention supprime dans une large mesure les inconvénients des dispositifs selon la technique antérieure en proposant un ressort de maintien en zigzag situé hors du 12257 champ d'écoulement du réfrigérant dans les côtés du raccord terminal supérieur Cet emplacement du ressort ménage un ac- cès presque entièrement dégagé à l'intérieur du raccord ter- minal et réduit le nombre tant d'opérations à effectuer que de pièces à détacher lors de la reconstitution On peut con- férer au ressort de maintien en zigzag diverses géométries permettant de le loger entièrement dans les côtés du raccord terminal supérieur La force de maintien est engendrée par compression des ressorts (prévus à raison d'un dans chaque côté de l'embout terminal) sous l'effet du patin de grille. Le ressort se prête aux impératifs régissant les interfaces existantes et permettant la rétro-insertion dans des coeurs existants. La géométrie du ressort est de nature à permettre l'obten- tion d'une caractéristique charge/déformation sur mesure en ajustant des variables de structure du ressort en zigzag telles que nombre de coudes (comparable au nombre de spires d'un ressort hélicoïdal) et moyens supportant le ressort à ses extrémités. La structure en zigzag assure un supplément de longueur de course de nature à supprimés certaines des limitations des ressorts-lames Le ressort en zigzag peut être protégé dans une large mesure contre l'écoulement du réfrigérant et suppri- me virtuellement les soucis que provoquent les vibrations engendrées par l'écoulement à propos de ressorts hélicoïdaux qui réagissent comme un cylindre à l'écoulement transversal et vibrent du fait soit de la dispersion de tourbillons, soit de séries de chocs engendrés par turbulence, ce qui fatigue la matière du ressort et provoque de l'usure aux jonctions entre spires. Parmi les avantages de la présente invention figure le fait qu'on n'a plus à utiliser pour le maintien des ressorts hélicoïdaux lorsqu'il faut disposer d'une course plus longue que celle offerte par des ressortslames Les ressorts en zigzag ne présentent aucun des inconvénients susindiqués des ressorts hélicoïdaux. En outre, l'adoption de ressorts en zigzag permet d'appor- ter à la structure de raccord terminal supérieur d'autres mo- difications impossibles avec des ressorts hélicoïdaux On peut assurer une réduction de la perte de charge et il est possi- ble d'adapter le raccord terminal en vue d'une reconstitu- tion totale in situ. La présente invention a pour but de proposer un ressort de maintien pour ensemble combustible de réacteur nucléaire. Elle a encore pour but de proposer un ressort de maintien en zigzag ayant une plus grande longueur efficace que des ressorts-lames. On va maintenant décrire en détail trois modes de réali- sation préférés de l'invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation d'un ensemble com- bustible comportant un ressort de maintien selon un mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est une vue en bout de dessus de l'ensemble combustible selon la figure 1; -la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 illus- trant une variante; la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 illus- trant une autre variante; la figure 5 est une vue en bout de dessus d'un raccord terminal d'ensemble combustible comportant un anneau de rete- nue la figure 6 est une vue analogue à la figure 4 illus- trant l'interaction du ressort avec l'anneau de retenue. On se réfère maintenant à la figure 1 qui représente un ensemble de combustible nucléaire 10 comportant des barres combustibles 16 maintenues parallèles et espacées par des grilles d'entretoisement (non représentées) et un raccord terminal supérieur, désigné par la référence générale 13, dis- posé dans le coeur d'un réacteur nucléaire entre une plaque- grille de coeur inférieure (non représentée) et une plaque- grille de coeur supérieure 26 La plaque 26 présente une ou- verture 28 de réception du raccord terminal 13 et comporte des saillies formant des patins 25 aux endroits voulus pour appuyer sur des ressorts de maintien 20 Des tubes-guides 18 s'étendent entre le raccord terminal supérieur 13 et le rac- cord terminal inférieur (non représenté) et confèrent à l'en- semble une structure unitaire Le raccord terminal 13 comporte 2 512257 un moulage 12 fixé par des soudures 27 à un grillage 14 Le moulage 12 comporte des montants de coin 15 et, entre ceux-ci, des parties échancrées 17 Des fenêtres de manutention 38 sont ménagées dans les parties 17 afin d'offrir une prise pour la manutention de l'ensemble combustible 10. Des ressorts 20, façonnés chacun à partir d'une barre plate, comportent un certain nombre de tronçons rectilignes 51, 53, 55 et 57 et un certain nombre de coudes accusés 52, 54 et 56 de façon à avoir une forme en zigzag La barre peut avoir une section uniforme ou aller en s'amenuisant et on la supporte en divers points pour ajuster sur mesure l'élac- ticité du ressort Par conception judicieuse du ressort, on peut obtenir une élasticité soit constante, soit variable, augmentant ou diminuant en fonction de la course Les ressorts 20 sont disposés de chaque côté du raccord terminal 13, chacun entre deux montants de coin et entre une partie échancrée et une plaque de guidage de ressort 23 fixée par des soudures 24 aux montants de coin 15 et au grillage 14 Ainsi, les res- sorts 20 sont empêchés de décrire des mouvements latéraux inadmissibles En outre, un axe d'articulation 22, fixé à la partie échancrée 17 et saillant sur elle est niché dans le coude 56 et en contact avec celui-ci pour empêcher le ressort de s'échapper du raccord terminal 13. Lorsque la plaque-grille supérieure 26 descend suivant la flèche 30 sur l'ensemble combustible 10, les saillies 25 pren- nent appui sur les ressorts 20 au niveau des extrémités 50 et des tronçons rectilignes 51 La forme de maintien se trans- met à partir du ressort 20, par l'intermédiaire de l'axe 22 et de l'extrémité de ressort 58, au raccord terminal 13. Ta figure 2 est une vue de dessus du raccord terminal 13, permettant de voir les positions latérales relatives des res- sorts 20, montants 15, plaques de guidage de ressort 23 et parties échancrées 17 On remarquera aussi les trous à tube de guidage 19 du grillage 14, prévus pour recevoir des barres de réglage (non représentées) à l'intérieur de l'ensemble 10. On se réfère maintenant à la figure 3, qui illustre une variante de la présente invention Une plaque de guidage de ressort 23 est prévue suivant les variantes illustrées par les figures 3 à 6, bien qu'elle soit supprimée sur les figures pour plus de clarté Le ressort en zigzag 40 comporte des tronçons-rectilignes 61, 63 et 65 et des coudes accusés 62 et 64 A l'état non comprimé représenté, son extrémité 66 repose sur le grillage 14 Par contre, quand la saillie 25 porte contre l'extrémité 60 et le tronçon 61 du ressort 40, le tron- çon 65 porte contre un bloc d'articulation 44 Un doigt de gaidage 42 traverse une fente longitudinale 34 Ainsi, la force de maintien se transmet par l'intermédiaire du bloc 44 au grillage 14. On se réfère maintenant à la figure 4, qui illustre une autre variante Un ressort 48 présente des tronçons rectili- gnes 71, 73 et 75 et des coudes accusés 72 et 74 Un axe d'ar- ticulation 45 est niché dans le coude 74 et en contact avec lui L'extrémité 76 repose sur un bloc de compression 46. Ainsi, lorsque les saillies 25 appuient sur l'extrémité 70 et le tronçon 71 du ressort, la force de maintien se transmet par l'intermédiaire du bloc 46 et du doigt 45 au moulage 12 et au grillage 14 du raccord terminal 13. La figure 5 illustre la compatibilité de la réalisation selon la figure 4 de la présente invention avec l'anneau de retenue 32 normalement associé à la structure de ressort à boudin hélicoïdal suivant la technique antérieure Des tam- pons fendus 36 sont vissés dans des taraudages 37 pour empê- cher l'anneau de retenue 32 de s'échapper du raccord terminal 13 -Des bras 33 s'étendent à travers les fentes 34 et portent contre les ressorts 48 Comme représenté sur la figure 6, cha- que bras 33 s'étend au-dessus d'un tronçon 71 et de l'extrémi- té 70 d'un ressort 48 de façon que les saillies 25 prennent appui sur les bras 33 plutôt que sur les ressorts 48. De manière générale, les dispositions décrites se prêtent à diverses modifications et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dans un réacteur nucléaire comportant des plaques- grilles supérieure ( 14) et inférieure, des saillies présentes sur la plaque-grille supérieure ainsi que des ensembles com- bustibles à raccord terminaux ( 13), les ensembles combustibles étant disposés entre les plaques-grilles supérieure et infé- rieure, agencement d'absorption d'efforts axiaux caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ressort en zigzag ( 20, 40, 48) disposé dans le raccord terminal et portant sous contrain- te élastique contre la saillie ( 25). 2 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre desdits ressorts en zigzag, dont chacun est parallèle à un bord correspondant du raccord terminal. 3 Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun desdits ressorts en zigzag comporte plusieurs tronçons rectilignes ( 51, 53, 55, 57; 61, 63, 65; 71, 73, ) et au moins un coude accusé ( 52, 54, 56; 62, 64; 72, 74) chaque coude accusé reliant deux desdits tronçons rectilignes. 4 Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte encore au moins un axe d'articulation ( 22; ) fixé au raccord terminal, saillant sur celui-ci et niché dans l'un au moins des coudes accusés ( 56; 74) de l'un au moins des quatre susdits ressorts en zigzag. Agencement selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bloc ( 44, 46) placé au- dessous de l'un au moins des quatre susdits ressorts en zig- zag et entre ce ressort et le raccord terminal. 6 Agencement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ou chaque susdit bloc est disposé à une extrémité du ressort en zigzag associé. 7 Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le raccord terminal présente un certain nombre de fentes longitudinales ( 34), l'un au moins desdits ressorts ( 40, 48) présentant un doigt de guidage ( 42) qui fait saillie sur lui et est engagé à coulissement dans l'une desdites fentes. 8 Agencement selon la revendication 3 ou 7, caractérisé en ce que le raccord terminal ( 13) présente un certain nombre de fentes longitudinales ( 34) traversées par un nombre corres- pondants de bras ( 33) d'un anneau de retenue ( 32), ces bras 8- d'anneau étant disposés de manière à prendre appui sur les dits ressorts. 9 Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ressort terminal ( 13) présente dans ses bords latéraux des échancrures latérales ( 17) et en ce qu'un certain nombre de plaques de guidage de ressort ( 23) sont fixées sur les côtés de ces échancrures pour définir avec celles-ci des fentes de réception desdits ressorts.