Brevet FR2517866A1 — publié le 19830610

L'invention concerne un assemblage combustible 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 fis- sile alors que les autres, appelés "assemblages fertiles" renferment un ma- tériau 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 neutroni- que 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, le réacteur sous- modéré présente un rapport volume de modérateur/volume du matériau fissile dans le coeur ou rapport de modération VU très inférieur si bien que le vu spectre d'énergie des neutrons est très différent. Ce spectre est intermédiaire entre celui d'un réacteur à eau sous pression classique 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 ma. tière fissile à partir de matière fertile disposée, par exemple, à la péri- phérie du coeur On obtient un rapport de modération faible dans les réac- teurs dits "sous-modérés", en prévoyant une répartition du matériau combus- tible dans les assemblages fissiles assurant à la fois Mn 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, sont généralement constitués par un boitier de forme prismatique en un ma- tériau absorbant faiblement les neutrons, tel qu'un alliage de zirconium, à l'intérieur duquel des crayons tubulaires 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 droi- tes de ce boitier Ces crayons de matériau combustible sont constitués par un tube en matériau-de gainage rempli par des pastilles renfermant le ma- tériau fissile ou fertile Ces crayons disposés parallèlement les uns aux autres dans l'assemblage constituent un faisceau, l'écartement entre les crayons étant maintenu par des dispositifs d'espacement tels que des fils enroulés en hélice autour de la gaine des crayons ou des nervures et aspé- rités prévues sur cette gaine 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 densité des crayons en matériau fissile permet d'obtenir un facteur de modération faible. Il est cependant difficile d'assurer un taux de modération cons- tant dans toute la section droite d'un assemblage combustible pour réacteur nucléaire sous-modéré, en particulier, au voisinage des zones périphériques de l'assemblage, le taux de modération varie considérablement du fait de la d'eau présence d'une lameldtépaisseur relativement importante au voisinage de la paroi dans la zone entre deux crayons successifs. Ceci peut entraîner une dégradation des performances des réacteurs sousmodérés. Le but de l'invention est donc de proposer un assemblage combusti- ble pour un réacteur nucléaire sous-modéré comportant un coeur baignant dans un fluide modérateur, constitué par des assemblages combustibles disposés cô- te à côte, les uns renfermant principalement un matériau fissile, les autres un matériau fertile susceptible de se transformer en matériau fissile, sous l'effet du bombardement neutronique, chacun des assemblages du coeur étant constitué par un boitier prismatique 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, avec un espacement faible entre les crayons, cet assemblage combustible permettant d'obtenir un rapport de modé- ration pratiquement constant dans les sections droites de l'assemblage. Dans ce but, sur la surface intérieure de chacune des parois la- térales du boitier sont réalisées des cannelures dans la direction de la hau- teur du boitier de façon qu'en vis-à-vis de chacun des crayons placés à la périphérie de l'assemblage soit disposée une cannelure, les crayons péri- phériques de l'assemblage étant à une distance telle de la paroi du boi- tier que les parties en saillie de cette paroi, entre deux cannelures, occupent une partie de ltespace subsistant entre deux crayons. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant-dé- crire à titre d'exemple non limitatif, en se référant à la figure jointe en annexe, un mode de réalisation d'un assemblage combustible fissile sui- vant l'invention, dans le cas o cet assemblage a une section hexagonale. La figure unique représente une vue en coupe par un plan perpen- diculaire à la hauteur du boitier, d'un assemblage suivant l'invention à section hexagonale. Sur la figure unique, on voit le boitier i de l'assemblage dont la section est de forme hexagonale, ce boitier étant constitué par des pa- rois en acier inoxydable 2 a, 2 b, 2 c, 2 d, 2 e et 2 f soudées entre elles le long des arêtes 3 de l'assemblage, par bombardement électronique. Sur la face interne de chacune des parois 2, avant leur assembla- ge, sont réalisées, par laminage ou par usinage, des cannelures cylindri- ques 5 sur toute la hauteur de la paroi avec un espacement d correspondant au pas des crayons combustibles fissiles 6 de l'assemblage. Ces crayons combustibles fissiles sont disposés suivant un réseau régulier à mailles triangulaires à l'intérieur du boitier, avec un certain espacement maintenu grâce à des fils enroulés en hélice autour des crayons. Les crayons combustibles 6 disposés à la périphérie de l'assembla- ge sont placés chacun en vis-à-vis d'une cannelure 5 de façon que l'axe de la cannelure et l'axe du crayon soient disposés dans un même plan perpendicu- laire à la paroi 2 du boitier. Les crayons 6 de la périphérie de l'assemblage sont d'autre part placés au voisinage immédiat de la paroi-si bien que la lame d'eau 8 sub- sistant entre le crayon et la cannelure est d'une très faible épaisseur cor- respondant à l'épaisseur du dispositif d'espacement utilisé et que la partie en saillie 9 de la paroi disposée entre deux cannelures occupe une partie de l'espace existant entre deux crayons 6 successifs. De cette façon, la lame d'eau subsistant entre les crayons 6 et la paroi est de faible épaisseur en tout point de la périphérie de l'assemblage. Il en résulte que le facteur de modération reste faible dans cette zone de l'assemblage et d'une valeur tout-à-fait comparable à sa valeur dans les parties centrales de la section droite de l'assemblage. C'est ainsi qu'on a pu mesurer un rapport de modération de 0,60 à la périphérie de l'assemblage, alors que le rapport de modération moyen pour le reste de l'assemblage est de 0,51. Dans le cas o l'on utilise un boitier dont la surface interne des parois est plane le rapport de modération augmente considérablement au voisinage de ces parois et prend une valeur supérieure à 1,4. On voit que le dispositif de l'invention, bien que d'une grande simplicité, permet de résoudre des problèmes liés à l'effet des lames d'eau périphériques dans les assemblages sur le rapport de modération. On peut encore améliorer les performances de l'assemblage et aug- menter la quantité de matériau fertile transformé en matériau fissile en disposant par exemple sur la périphérie de l'assemblage une couche partiel- le ou complète de crayons combustibles fertiles en uranium naturel ou ap- pauvri, au lieu d'une couche de crayons combustibles fissiles. Les crayons d'angle 7 peuvent comporter un poison consommable tel que du samarium ou du gadolinium introduit par imprégnation dans les pastil- les de combustible. Lorsque ces parois sont réalisées en acier inoxydable, la fabrica- tion de l'assemblage est grandement facilitée par rapport aux assemblages connus de l'art antérieur o le boitier était réalisé en alliage de zirco- nium. L'assemblage suivant l'invention est donc d'une grande simplicité de réalisation, tout en permettant l'obtention d'un rapport de modération constant dans les sections droites de l'assemblage. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été dé- crit, elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on peut imaginer un boitier prismatique dont la section a une forme différente de la forme hexagonale représentée sur la fi- gure et que ce boitier peut contenir des crayons combustibles fissiles ou fertiles suivant une disposition différente de ce qui a été décrit. L'invention s'applique aussi bien dans le cas des assemblages fis- siles que dans le cas des assemblages fertiles renfermant principalement un matériau susceptible de produire de la matière fissile sous l'effet du bom- bardement neutronique. Enfin, l'assemblage combustible suivant l'invention peut être uti- lisé dans tous les réacteurs sous-modérés, quel que soit le liquide de modé- ration utilisé. REVENDICATIONS 1. Assemblage combustible pour un réacteur nucléaire sous-m"dé- ré, comportant un coeur baignant dans un fluide modérateur, constitué par des assemblages combustibles disposés c 8 te à côte, les uns renfermant prin- cipalement un matériau fissile et les autres un matériau fertile susceptible de se transformer en matériau-fissile sous l'effet du bombardement neutronique, chacun des assemblages du coeur étant constitué par un boitier prismatique ( 1), à l'intérieur duquel des crayons ( 6) de grande longueur rerermant le matériau fissile ou le matériau fertile sont disposés parallè- lement à la hauteur du boitier ( 1), et suivant un réseau régulier dans les sections droites de ce boitier, avec un espacement faible entre les crayons, caractérisé par le fait que, sur la surface intérieure de chacune des parois latérales ( 2) du boitier ( 1), sont réalisées des cannelures ( 5) dans la direction de la hauteur du boitier, de façon qu'en vis-à-vis de chacun des crayons ( 6) placés à la périphérie de l'assemblage soit disposée une canne- lure, les crayons périphériques de l'assemblage étant à une distance telle de la paroi ( 2) du boitier ( 1), que les parties en saillie ( 9) de cette pa- roi ( 2) entre deux cannelures ( 5) occupent une partie de l'espace subsis- tant entre deux crayons ( 6). 2 Assemblage combustible suivant la revendication 1, dans le cas o cet assemblage est un assemblage fissile, caractérisé par le fait qu'une partie au moins des crayons combustibles ( 6) disposés à la périphérie de l'assemblage renferment un matériau fertile tel que l'uranium naturel ou appauvri. 3 Assemblage combustible suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, dans le cas o cet assemblage est un assemblage fissile, caractérisé par le fait qu'une partie au moins des crayons périphériques ( 7) de l'assemblage, disposés dans les angles du boitier ( 1), renferment des pastilles combustibles imprégnées d'un poison consommable tel que le sama- rium ou le gadolinium.