Brevet FR2512256A1 — 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 nuclé- aire. Typiquement, un réacteur nucléaire pour la génaration 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 combustibles 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 in- tervalles sur la longueur de l'ensemble Les ensembles combus- tibles 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 concordant 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 for- ce de maintien suffisante agissant à l'encontre des poussées hydrauliques s'exerçant vers le haut dans le coeur Les res- sorts permettant aussi à l'ensemble de combustible de subir un allongement axial du fait soit de dilatations thermiques différentielles, soit d'une modification provoquée dans la ma- tière par l'irradiation Les problèmes de conception rédident donc dans la nécessité de prévoir une force de maintien suf- fisante pour s'opposer à la poussée vers le haut tout en per- mettant l'allongement Il faut loger dans des volumes restreints de la matière dotée d'une résistance mécanique et d'une rigidi- té suffisantes Le rapport rigidité/volume d'un ressort de- vient très important lorsqu'il s'agit de maintenir du combus- tible 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 dé- crit 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 incon- vénients de cette solution figure le fait qu'il faut position- ner soigneusement les ressorts pour permettre l'accès aux bar- res de réglage, et que les ressorts sont pleinement exposés au courant de réfrigérant, ce qui les soumet aux efforts dynami- ques découlant des vibrations engendrées par l'écoulement. 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 nécessaire d'adjoindre à l'agencement d'ensemble combustible des organes moins susceptibles de croissance provoquée par irradiation. 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 à double élément de torsion composé d'un bras de levier agissant sur une barre de torsion qui agit elle-même sur un tube de torsion Ce dispositif pré- sente un assemblage du type "barre dans tube" Le bras de le- vier est fixé à la barre de torsion, elle-même fixée par l'in- termédiaire d'un raccord de jonction à un tube de torsion Le- dit raccord de jonction peut faire partie intégrante du tube de torsion ou en être indépendant L'ensemble du dispositif réa- git par l'intermédiaire d'un dispositif d'entrave sur l'extré- mité de bras de levier du tube de torsion. Il existe au moins deux problèmes majeurs que résout la présente invention Le premier a trait aux conceptions de bar- re de torsion antérieures Les ressorts à barre de torsion unique n'ont qu'une flexiblité limitée par la longueur maxima- le dont on dispose pour poser le ressort dans la structure de raccord terminal supérieur, Grâce à la présente invention, on résout ce problème en ajoutant un tube de torsion concentri- que, ce qui double la longueur efficace du ressort de torsion pour une même dimension La course additionnelle qui en résul- te supprime aussi certaines des limitations des ressorts-la- mes Le second problème résolu est celui que pose, pour les ressorts hélicoïdaux, les vibrations provoquées par l'écoule ment Les ressorts hélicoïdaux réagissent comme un cylindre à l'écoulement transversal et vibrent du fait soit de la disper- sion de tourbillons, soit de séries de chocs engendrés par turbulence Ces vibrations fatiguent la matière du ressort et provoquent de l'usure aux jonctions entre spires Or, le res- sort à double élément de torsion peut être en grande partie protégé contre l'écoulement et supprime virtuellement les sou- cis dus aux vibrations provoquées par l'écoulement. Parmi les avantages de la présente invention figure le fait que l'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 ressorts-lames Les ressorts de tor- sion ne présentent aucun des inconvénient sus-indiqués des res- sorts hélicoïdaux. Un autre avantage est que les ressorts de torsion peuvent être fabriqués sans matériel spécial d'enroulement de ressorts. On peut les fabriquer dans tout atelier mécanique bien équipé. En outre, l'adoption de ressorts de torsion permet d'ap- porter à la structure de raccord terminal supérieur d'autres modifications impossibles avec des ressorts hélicoïdaux On peut assurer une réduction de la perte de charge et adapter le raccord terminal en vue d'une reconstitution totale in situ. La présente invention a pour but de proposer un ressort de maintien pour ensemble de combustible de réacteur nucléaire. Elle a encore pour but de proposer un ressort de maintien du type barre de torsion à longueur efficace accrue. D'autres buts et avantages de la présente invention res- sortiront clairement de la description que l'on va maintenant donner, à titre d'exemples, d'un mode de réalisation préféré de la présente invention et de deux variantes, en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en élévation avec arrachement d'un raccord terminal supérieur d'ensemble combustible com- portant un ensemble de ressorts de maintien selon le mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 2 est une vue en plan de dessus du raccord ter- minal selon la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective d'un ressort à double élément de torsion selon le mode de réalisation préfé- ré de la présente invention; la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une vue en bout du ressort de torsion se- lon la figure 3; la figure 6 est une vue analogue à la figure 5 illustrant une variante; la figure 7 est une vue en élévation d'une variante du ressort de torsion selon la figure 1. En se référant maintenant à la figure 1, on voit un ensem- ble de combustible nucléaire comportant des barres combustibles 11, à axes longitudinaux 12, maintenues parallèles et espacées par des grilles d'entretoisement 14 et un raccord terminal su- périeur, désigné par la référence générale 10, disposé dans le coeur d'un réacteur nucléaire entre une plaque-grille de coeur inférieur (non représentée) et une plaque-grille de coeur supé- rieure 15 La plaque 15 présente une ouverture de réception du raccord terminal 10, ainsi que des saillies 16 disposées de manière à appuyer sur des bras de ressort de maintien 21, 22, 23 et 24 La figure 2 est une vue de dessus du raccord termi- nal 10, permettant de voir les positions relatives des bras 21, 22, 23 et 24 En se reportant à la figure 1, on voit un ressort à double élément de torsion 13 disposé dans un alésage 17 du raccord terminal 10. Le ressort 13 comporte un tube de torsion 26 et une barre de torsion 25 disposée dans le tube 26 et fixée à celui-ci à une extrémité par un raccord 27 L'autre extrémité du tube 26 est munie d'une douille 30 qui lui est rigidement reliée et présente des cannelures 29 La douille 30 est traversée par un alésage 38 de réception de la barre 25 Dans l'extrémité ouvert e de l'alésage 17 sont ménagées des rainures 31 de récep- tion des cannelures 29 de la douille 30 Le bras de levier 22 s'étend perpendiculairement à la barre 25 de façon que son en- foncement par la saillie 16 imprime une torsion à la barre 25 et un tube 26 Un bloc 37 est prévu pour recevoir la force a- xiale appliquée au bras 22 et la transmettre à l'ensemble com- bustible. On se réfère maintenant à la figure 3, qui représente le ressort 13 On notera le coude 39 prévu pour permettre d'at- teindre le bras 21 par-dessus l'alésage 17 du ressort 13 ad- jacent La barre de torsion 25 disposée dans le tube de torsion 26 lui est reliée par le raccord 27 La figure 4 est une vue en coupe du raccord 27, qui présente un trou 33 destiné à é- pouser l'extrémité 28 de la barre 25 Le trou 33 et l'extrémi- té 28 ont des formes interdisant leur rotation relative La figure montre que, dans la réalisation préférée, le trou 33 et 1 ' extrémité 28 sont carrés La figure 6 illustre une va- riante selon laquelle le raccord 27 présente un trou 36 rainu- ré pour recevoir des cannelures 32 de l'extrémité de barre 28. La figure 4 montre des soudures 40 qui fixent rigidement le raccord 27 au tube de torsion 26. Ainsi, en fonctionnement, l'enfoncement des bras de levier 21, 22, 23 et 24 se heurte à la résistance du ressort de tor- sion de la barre de torsion 25 ainsi que du tube de torsion 26 qui lui est rigidement fixé par le raccord 27 et est rigide- ment fixé à la douille 30, dont la torsion est interdite par les cannelures 29 logées dans les rainures 31 du raccord ter- minal 10 La force axiale se transmet à l'ensemble combustible par l'intermédiaire des blocs 37 Les quatre ressorts opposés 13 font subir à l'ensemble combustible des moments de torsion deux à deux opposés, de sorte que le moment de torsion résul- tant est nul. La figure 7 illustre une autre variante selon laquelle on utilise un anneau de retenue (non représenté) disposé dans la partie supérieure du raccord terminal 34 et muni de bras qui dépassent à travers des fentes 34 La saillie 16 porte sur le bras 34, qui porte lui-même sur le bras de levier 20 au niveau d'une facette inclinée 19 de ce dernier Pendant qu'il confère au bras 20 la position enfoncée indiquée en traits mixtes, le bras 35 glisse le long de la surface 19, ce qui augmente en fait sa longueur de course par rapport à celle qui apparaîtrait avec un bras 20 rectiligne. La description ci-dessus et les dessins annexés ne con- cernent qu'une seule réalisation permettant d'obtenir les buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ceci à titre d'exemple non limitatif, les dispositions décri- tes se prêtant à diverses modifications sans sortir, pour au- tant, du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dans un réacteur nucléaire comportant des plaques-gril- les supérieure ( 15) et inférieure, des saillies ( 16) présentes sur la plaque-grille supérieure, et des ensembles combustibles à raccords terminaux ( 10), les ensembles combustibles étant disposés entre les plaques-grilles supérieure et inférieure, agencement d'absorption de forces axiales caractérisé en ce qu'il comprend: au moins un ressort de torsion ( 13) compor- tant un tube de torsion ( 26) et une barre de torsion ( 25) dis- posée dans l'ensemble concentriquement dans ledit tube de tor- sion, auquel elle est reliée à une extrémité, et reliée à 1 ' autre extrémité à un bras de levier ( 21, 22, 23, 24) disposé dans l'ensemble perpendiculairement à elle, ledit tube de tor- sion étant rigidement relié au raccord terminal ( 10), ledit ressort de torsion étant disposé de façon que ledit bras de levier porte sous contrainte élastique contre la saillie ( 16). 2 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il existe quatre desdits ressorts de torsion ( 13), dont chacun est disposé de façon que le tube de torsion et la bar- re de torsion soient parallèles à un bord correspondant du rac- cord terminal ( 10). 3 Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte encore un raccord ( 27) soudé à une extrémité dudit tube de torsion et présentant un trou ( 33; 36) de récep- tion de l'extrémité ( 28) de ladite barre de torsion opposée audit bras de levier, cette extrémité et ledit raccord ( 27) ayant des formes de nature à interdire leur rotation relative. 4 Agencement selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit tube de torsion ( 26) est disposé dans un alésage récepteur ( 17) du raccord terminal ( 10). Agencement selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une douille ( 30) est fixée à l'extrémité dudit tube de torsion opposée au raccord ( 27) , cette douille présentant au moins une cannelure saillante ( 29) et en ce que ledit alésage récepteur ( 17) est rainuré pour recevoir la ou chaque susdite saillie ( 16). 6 Agencement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le raccord terminal présente un certain nombre de fen- tes longitudinales ( 34) que traversent des bras de retenue d' anneau ( 35) prévus en nombre correspondant, ces bras de rete- nue étant disposés de manière à porter contre lesdits bras de levier ( 2124), chacun de ces bras de levier présentant une surface inclinée ( 19) jouant le rôle de surface portante vis- à-vis du bras de retenue associé.