Brevet FR2519178A1 — publié le 19830701

La présente invention concerne un faisceau d'éléments combustibles, disposé dans un réacteur nucléaire et comprenant plusieurs barres combustibles disposées parallèlement à l'axe vertical du faisceau, plusieurs pièces d'écartement placées successivement dans la direction verticale, une plaque à grille inférieure située au niveau des extrémités inférieures des barres combustibles et une plaque à grille supérieure située au niveau des extrémités supérieures des barres combustibles, ainsi que des moyens pour fixer ces plaques l'une par rapport à l'autre, les pièces d'écartement étant prévues pour maintenir en place les barres combustibles, le faisceau d'éléments combustibles contenant en outre plusieurs barres absorbantes qui sont maintenues en place à l'aide des pièces d'écartement, chaque barre absorbante comportant une enveloppe fermée dont le volume intérieur est rempli en majeure partie d'une matière du type fertile absorbant les neutrons. I1 est connu d'équiper le coeur d'un réacteur à eau légère de plusieurs éléments réflecteurs d'uranium non enrichi, disposés au bord de ce coeur. Dans un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention, on se propose d'utiliser une matière fertile, comme par exemple l'uranium non enrichi ou le thorium 232, dans les barres absorbantes qui sont disposées dans le faisceau d'éléments combustibles de telle manière qu'elles puissent entre extraites facilement de ce faiseeau lorsque les barres combustibles de ce faisceau ont atteint un degré de consommation pour lequel des absorbeurs ne sont plus souhaitables.Du fait que l'on utilise un seul et même faisceau de ces barres absorbantes à plusieurs reprises et dans di-férents faisceaux d'éléments combustibles, il finit par se former, dans les barres absorbantes, suffisamment de matière fissile (plutonium 239 ou uranium 233) pour que ces barres, utilisées dans un faisceau d'éléments combustibles en même temps que des barres de matière fissile enrichie, fassent fonction de barres combustibles, d'où il résulte que l'on parvient à une augmentation importante du prélèvement d'énergie sur le faisceau d'éléments combustibles. L'invention est caractérisée par le fait que les barres absorbantes passent à travers plusieurs trous formés dans la plaque à grille supérieure et sont fixées, au-dessus de celle-ci, à un porte-barres commun supporté par la plaque à grille supérieure, ces barres absorbantes pouvant être extraites du faisceau d'éléments combustibles au moyen d'une force de traction dirigée vers le haut, exercée sur le porte-barres. Un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention est surtout avantageux dans un réacteur modéré à l'eau légère qui est équipé de barres de contrôle en forme de doigts, d'une telle mani8re,-connue en soi, que le nombre nécessaire de barres de contrôle soit nettement inférieur au nombre de faisceaux d'éléments combustibles, ordinairement inférieur à 50 % de ce nombre, les faisceaux d'éléments combustibles qui doivent recevoir des doigts de barres de contrôle étant équipés de-tubes directeurs pour ceux-ci, tandis que chaque pièce d'écartement est munie de plusieurs ouvertures ou douilles verticales, dans lesquelles sont disposés des tubes directeurs pour les doigts de barres de contrôle. Les pièces d'écartement de ces faisceaux d'éléments combustibles sont fixées aux tubes directeurs et ainsi immobilisées en direction verticale.Par leurs extrémités respectivement supérieure et inférieure, les tubes directeurs sont fixés à une plaque à grille supérieure et inférieure. lorsqu'on utilise des faisceaux d'éléments combustibles suivant l'invention dans un tel réacteur, on peut, pour plusieurs faisceaux d'éléments combustibles qui ne sont pas prévus pour pouvoir recevoir des doigts de barres de contrôle, omettre quelques-uns ou la totalité des tubes directeurs et utiliser les surfaces des pièces d'écartement ainsi rendues libres pour plusieurs barres absorbantes, faites essentiellement de matière fertile.Une installation de réacteur pourvue de barre de contrôle en forme de doigts est équipée, en règle générale, d'une installation de levage et d'un dispositif de préhension pour l'extraction et la mise en place de plusieurs barres d'obturation réunies entre elles à leurs extrémités supérieures, au moyen desquelles des tubes directeurs des faisceaux précités d'éléments combustibles qui comportent des tubes directeurs sont obturés pendant les périodes de l'exploitation oh ces faisceaux d'4lé- ments combustibles ne sont pas placés en position de barres de contrôle. Lorsque plusieurs faisceaux d'éléments combustibles suivant l'invention font partie du coeur d'un réacteur du type décrit ci-dessus, le porte-barres supporté par la plaque à grille supérieure est avantageusement adapté au dispositif de préhension précité.De la sorte, le dispositif de préhension peut saisir ce porte-barres, les barres absorbantes fixées au porte-barres pouvant entre introduites dans le faisceau d'éléments combustibles ou extraites de celui-ci à l'aide de l'installation de levage précitée. L'invention est ci-après décrite de façon plus détaillée, en référence aux dessins schématiques annexés. La fig. 1 représente, en une vue horizontale, une première forme de réalisation d';un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention - sans barres absorbantes. La fig. 2 représente le même faisceau d'éléments combustibles en une vue en coupe horizontale, faite suivant la ligne II II de la fig. 1. La fig. 3 représente, en une vue latérale, un jeu de barres absorbantes qui est destiné à être inséré dans. la structure représentée sur les fig. 1 et 2, pour former avec celle-ci un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention. La fig. 4 est une vue dans la direction perpendiculaire au plan défini par la ligne IV-IV de la fig. 3. Les fig. 5 et 6 sont respectivement une vue latérale et une vue en coupe horizontale, faite suivant la ligne VI-VI de la fig. 5, représentant une seconde forme de réalisation d'un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention. le faisceau d'éléments combustibles décrit en référence aux rig. 1, 2, 3 et 4 contient 264 barres combustibles 1 et 1' d'ura min. enrichi. Les barres 1', qui entrent pour 10 P environ dans le nombre total de barres combustibles, ont une longueur totale plus grande que les autres, bien que leur longueur active soit approximativement la m8me que celle de ces dernières. Dans le but de simplifier le dessin, on n'a représenté que quatre barres combustibles 1' sur la fig. 1. Les barres combustibles 1' comportent chacune, à leur extrémité supérieure, un bouchon d'extrémité qui passe à travers un trou correspondant formé dans la partie inférieure 2' d'une plaque à grille supérieure 2, celle-ci comprenant également une partie supérieure 2" qui est fixée rigidement à la partie inférieure 2'.Chaque bouchon d'extrémité supérieur comporte un écrou 3 et une surface portante annulaire qui est appliquée contre la face inférieure de la partie 2' de la plaque à grille supérieure. Les barres combustibles 1' sont munies chacune, à leur extrémité inférieure, d'un bouchon d'extrémité inférieur qui passe à travers une plaque de fond 4 et qui est fixé à celle-ci au moyen d'un écrou 5 Les barres combustibles 1 et 1' sont maintenues en place au moyen de deux pièces d'écartement d'extrémité 5, faites d'acier inoxBTdable, et de plusieurs pièces d'écartement intermédiaires 5, fabriquées en un alliage de zirconium. Toutes les barres combustibles porteuses 1' ou quelques-unes d'entre elles sont munies de saillies radiales qui sont disposées, par rapport aux pièces d'écartement, de telle manière que la liberté de mouvement des pièces d'écartement en direction axiale par rapport aux barres combustibles soit très limitée. Une autre solution possible consiste à utiliser, pour la fixation des pièces d'écartement, au moins une pièce en forme de barre qui ne contient pas de combustible et qui est fixée à la plaque à grille supérieure 2et à la plaque à grille inférieure 4. Sur la fig. 2, on n'a représenté que quelques-unes des barres combustibles et une partie ,seulement des pièces d'écartement 6. Outra la partie représentée sur la fig. 1, le faisceau d'éléments combustibles comprend un dispositif absorbant 7 qui est agencé de manière à pouvoir être extrait et qui comporte plusieurs barres absorbantes 9 auxquelles est adjoint un portebarres commun 8. Chaque barre absorbante est pointue à son extrémité inférieure et comporte une enveloppe tubulaire qui est fabriquée en une matière métallique, comme par exemple un alliage de zirconium. L'enveloppe est fermée à ses deux extrémités et elle est remplie en majeure partie d'une matière absorbante sous forme d'une matière fertile. La matière fertile peut être naturellement de l'uranium naturel, du thorium ou un uranium dont la teneur en matière fissile est inférieure à celle de l'uranium naturel.Le porte-barres 8 comprend une plaque à grille 10 à laquelle une tige creuse 11, disposée au centre, est fixée par soudure. Une poignée 12 est montée sur la tige 11 avec une mobi- lité axiale limitée. La poignée 12 est repoussée vers le haut par un ressort 13. Dans le cas du faisceau d'éléments combustibles décrit en référence aux fig. 1, 2, 3 et 4, le faisceau de barres combustibles représenté sur la fig. 1 et le dispositif absorbant 7 représenté sur la fig. 3 sont assemblés par insertion des barres absorbantes 9, faites de matière fissile, dans le faisceau de barres combustibles à travers des trous correspondants 9' et 9" formés respectivement dans la partie supérieure et la partie inférieure de la plaque à grille supérieure 2. Chaque barre absorbante 9 est fixée à la plaque à grille 10 par un tenon d'extrémité 14' de même section, muni d'un écrou 14. Des surfaces, dirigées vers le bas, du porte-barres 8 reposent sur des surfaces, dirigées vers le haut, de la partie supérieure 2" de la plaque à grille supérieure 2.Le porte-barres 8 a un axe vertical C' qui coincide avec l'axe C-C du faisceau d'éléments combustibles. Toutes les barres absorbantes 9 ou la majeure partie d'entre elles traversent toutes les pièces d'écartement 6 et 5 ou la majeure partie de celles-ci. De préférence, chaque pièce d'écartement est munie de plusieurs douilles de guidage 15 qui sont fixées aux pièces d'écartement et qui sont prévues chacune pour la barre absorbante 9 correspondante, chaque douille de guidage 15 occupant, sur la pièce d'écartement, une surface qui est égale à l'aire maximale de la section individuelle des alvéoles de la pièce d'écartement entourant les barres combustibles. Selon une variante, on peut utiliser, à la place des barres absorbantes 9 représentées à matière absorbante contenue, des barres absorbantes dont le nombre est plus petit, mais qui sont plus épaisses que celles de la fig. 2, ayant par exemple une épaisseur telle que la surface nécessaire sur les pièces d'écartement pour chaque barre absorbante corresponde à quatre alvéoles prévus dans les pièces d'écartement pour des barres combustibles. Le faisceau de barres combustibles représenté sur les fig. 5 et 6 ne diffère de celui des fig. 1, 2, 3 et 4 que par le fait que toutes les barres combustibles sont réalisées et disposées de la même manière que les barres combustibles 1 représentées sur les fig. 1 et 2, tandis que les plaques à grille supérieure et inférieure sont assemblées rigidement entre elles au moyen de plusieurs rails verticaux 16 et 16', fabriqués de préférence en un alliage de zirconium. Quelques-uns au moins de ces rails sont fixés aux pièces d'écartement 5 et 6. les numéros de référence qui ont été utilisés dans la description précédente de la forme de réalisation représentée sur les fig. 1, 2, 3 et 4 ont, en ce qui concerne la forme de réalisation représentée sur les fig. 5 et 6, la même signification. Un faisceau d'éléments combustibles correspondant à cette dernière forme de réalisation contient-un dispositif absorbant dont la structure est analogue ou exactement semblable à celle du dispositif représenté sur les fig. 3 et 4. Dans certains cas, on peut se passer des rails 16'. Les faisceaux d'éléments combustibles représentés sur les dessins sont prévus pour des réacteurs à eau sous pression. Un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention peut être également utilisé avantageusement dans des réacteurs à eau bouillante. Un tel faisceau d'éléments combustibles, destiné à un réacteur à eau bouillante, peut être fabriqué par exemple de telle manière que le faisceau d'éléments combustible représenté sur les fig. 1, 2, 3 et 4 soit entouré d'un canal de combustible qui est équipé, à son extrémité inférieure, d'un orifice d'admission pour eau réfrigérante. En cas d'utilisation des faisceaux d'éléments combustibles décrits ci-dessus, le dispositif absorbant 7 est extrait et éloigné lorsque le degré de consommation est tel qu'on peut renoncer aux absorbeurs. Le même dispositif absorbant peut entre alors utilisé, une ou plusieurs fois, en tant qu'absorbeur dans d'autres faisceaux de barres combustibles, nouvellement mis en service ou remis en service, lors de renouvellements ultérieurs du combustible.Finalement, le dispositif absorbeur ou quelquesunes de ses barres absorbantes peuvent etre utilisés comme combustible additionnel dans des faisceaux d'éléments combustibles, de préférence déjà consommés., d'où il résulte qu'on parvient à un prolongement appréciable de la durée de vie de ceux-ci, en raison du fait que la matière fertile originelle contenue dans les barres absorbantes est convertie en matière fissile, dans une mesure importante, par capture de neutrons. L'invention embrasse aussi plusieurs formes de réalisation qui n'ont pas étd représentées sur les dessins. Par exemple, un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention peut comporter plusieurs tubes directeurs, garnis chacun d'une barre absorbante faisant partie d'un dispositif absorbeur qui est réalisé par exemple de la manière représentée sur la fig. 3, les tubes directeurs étant dimensionnés et disposés de telle manière qu'à la suite de l'enlèvement du dispositif absorbeur, les tubes conducteurs de quelques faisceaux d'éléments combustibles puissent recevoir les doigts d'un faisceau de barres de contre digité. Un faisceau d'éléments combustibles suivant l'invention est prévu pour être utilisé dans des réacteurs modérés à l'eau légère, de préférence dans des réacteurs à eau sous pression, plusieurs de ces faisceaux d'éléments combustibles étant répar-tis de manière relativement uniforme sur toute la section du coeur de réacteur, c'est-à-dire avec au moins la moitié des faisceaux d'éléments combustibles dans un cercle central dont le rayon correspond à 90 % du rayon moyen de la section du coeur. REVENDICATIONS 1. Faisceau d'éléments combustibles, disposé dans un réacteur nucléaire et comprenant plusieurs barres combustibles (1, 1'; 1)disposées parallèlement à l'axe vertical (C - C) au faisceau, plusieurs pièces d'écartement (5, 6) placées successivement dans la direction verticale, une plaque à grille inférieure (4) située au niveau des extrémités inférieures des barres combustibles et une plaque à grille supérieure (2) située au niveau des extrémités supérieures des barres combustibles, ainsi que des moyens (3, 3'; 16, 16') pour fixer ces plaques l'une par rapport à l'autre, les pièces d'écartement (5, 6) étant prévues pour maintenir en place les barres combustibles, le faisceau d'éléments combustibles contenant en outre plusieurs barres absorbantes (9) qui sont maintenues en place à l'aide des pièces d'écartement (5, 6), chaque barre absorbante (9) comportant une enveloppe fermée dont le volume intérieur est rempli en majeure partie d'une matière du type fertile absorbant les neutrons, caractérisé en ce que les barres absorbantes (9) passent à travers plusieurs trous (9', 9") formés dans la plaque à grille supérieure (2) et sont fixées, audessus de celle-ci, à un porte-barres commun (10) supporté par la plaque à grille supérieure, ces barres absorbantes (9) pouvant être extraites du faisceau d'éléments combustibles au moyen d'une force de traction dirigée vers le haut, exercée sur le portebarres (10). 2. Faisceau d'éléments combustibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques à grille (2, 4) sont fixées l'une par rapport à l'autre au moyen de plusieurs rails verticaux (16, 16'), chaque rail étant fixé par son extrémité supérieure à la plaque à grille supérieure et par son extrémité inférieure à la plaque à grille inférieure, ces rails (16, 16') étant disposés à l'extérieur des pièces d'écartement (5, 6) en direction radiale 3. Faisceau d'éléments combustibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière absorbant les neutrons est un uranium qui se compose essentiellement de U238, tandis que le pourcentage de U235 est égal ou inférieur au pourcentage correspondant de U235 dans l'uranium naturel. 4. Faisceau d'éléments combustibles selon la revendication 2, caractdries en ce que les pièces d'écartement (5, 6) sont fixées aux rails (16, 16'). 5. Paisceau d'éléments combustibles selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe (C - C) du faisceau d'éléments combustibles coSneide sensiblement avec un axe vertical (a) du portebarres (8), et en ce que les barres absorbantes (9) sont réparties de manière pratiquement symétrique par rapport à un centre représenté par l'axe (C - C) du faisceau d'éléments combustibles.