Brevet FR2524684A1 — publié le 19831007

L'invention concerne une structure au moyen de laquel- le des assemblages de combustible nucléaire sont maintenus dans leur intégrité dimensionnelle et dans leur relation spatiale avec des as- semblages'combustibles adjacents L'invention concerne plus particu- lièrement une structure à ressort actionnée de manière à dépasser latéralement de l'assemblage combustible pour entrer en prise avec les surfaces d'assemblages combustibles adjacents lorsque le couvercle de la cuve du réacteur nucléaire est abaissé en position. Chacun des 200 ensembles combustibles, environ, d'un réacteur moderne à eau sous pression comprend généralement un faisceau carré de barres de combustible ayant des dimensions extérieures de l'ordre de 20 x 20 x 410 cm Pour maximiser l'économie des neutrons, il est très souhaitable de réaliser tous les éléments structurels de l'assemblage enu Zircaloya Par contre, les structures internes de la cuve du réacteur, qui supportent les ensembles combustibles, sont généralement réalisées en acier inoxydable du type 304. Pendant le fonctionnement du réacteur, des forces agissant sur les assemblages combustibles tendent à provoquer de lé- gères déformations latérales des structures de ces assemblages IA seule limite supérieure de l'amplitude totale de telles déformations est l'addition des jeux latéraux entre les assemblages combustibles. Des assemblages comportant des structures entièrement en "Zircaloy" sont plus sujets à une telle déformation que ceux possédant une struc- ture en acier inoxydable ou en alliage du type "Inconel", car le w Zircaloy" possède un coefficient de dilatation inférieur à celui des structures qui maintiennent les extrémités supérieure et inférieure des assemblages, entraînant anisi un accroissement du jeu latéral pouvant atteindre 50 % en passant de la température ambiante à la température de travail De telles déformations sont indésirables, car elles peuvent compliquer le rechargement du combustible et elles peu- vent introduirede légères variations dans la puissance volumique loca- le par suite du manque d'uniformité de l'espace rempli d'eau compris entre les assemblages. Une pratique consiste à modifier les grilles disposées dans des plans à divers niveaux en descendant le long des assemblages combustibles et destinées à maintenir la stabilité dimensionnelle et les positions relatives des assemblages combustibles adjacents Quelque soit le succès que l'on puisse obtenir en modifiant le matériau et la forme des grilles, la présente invention vise à établir la stabilité demandée en utilisant une structure à ressort exerçant des forces laté- rales et qui peut 9 tre actionnée lors de la fermeture de la cuve du réacteur Cette structure à ressort est disposée en des points oui établissent un support mécanique entre des assemblages combustibles lors de l'utilisation, et qui suppriment tout contact par ressorts en- tre les assemblages lorsque la cuve du réacteur est ouverte pour une inspection et un remplacement d'assemblages combustibles. L'invention a donc pour objet d'équiper chaque ensem- ble combustible de tubes d'angles présentant des ouvertures espacées et descendant sur leur longueur et des ressorts montés à l'intérieur de ces tubes, ces ressorts pouvant passer dans les ouvertures lors- qu'une barre descendue à l'intérieur du tube porte contre eux. L'invention concerne également la barre d'actionne- ment de ressorts disposée par contact avec une structure supérieure de guidage positionnée dans la cuve dans laquelle les assemblages com- bustibles sont montés. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure t est une vue en perspective, avec coupe par- tielle, de la partie inférieure d'une cuve de réacteur nucléaire conte- nant un coeur constitué d'assemblages combustibles avec lesquels la présente invention est utilisée; la figure 2 est une vue en perspective de l'un des as- semblages combustibles de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective éclatée de l'ex- trémité supérieure de l'assemblage de la figure 2; la figure 4 est une vue en plan d'un angle de l'assem- blage de la figure 2; les figures 5 et 6 sont des coupes longitudinales par- tielles d'un tube d'angle de l'assemblage de la figure 2, ces vues montrant l'actionnement d'un ressort; et les figures 7 et 8 sont des coupes longitudinales par- tielles montrant l'actionnement d'une autre forme de réalisation de ressort. la description porte sur des structures destinées à supporter latéralement des assemblages de combustible nucléaire dans le coeur qu'ils forment Chaque assemblage combustible est maintenu en des points espacés dans plusieurs zones planes du coeur En outre, le support est réalisé automatiquement par la mise en place d'une structure supérieure de guidage au-dessus du coeur En particulier, la structure supérieure de guidage est destinée à établir une liaison entre le cou- vercle de la cuve et le dispositif selon l'invention utilisé dans l'assemblage combustible. le chargement du support latéral s'effectue au moyen de ressorts à lames qui sont actionnés par des barres enfoncées au moyen de la plaque de retenue de l'assemblage combustible lors de la mise en place de la structure supérieure de guidage les ressorts et les barres sont disposées dans chacun des quatre tubes d'angle de cha- que assemblage combustible Par conséquent, les tubes d'angle et leurs barres occupent des positions prévues initialement pour des barres combustibles Les tubes sont en "Zircaloy" et ont une section carrée. les dimensionades-tubes sont de l'ordre de 12,7 mm par c 8 té, à l'exté- rieur, et de 11,5 mm par c 8 té, à l'intérieur, avec une épaisseur de paroi de l'ordre de 0,6 mm la surface extérieure de diaque tube d'an- gle peut être oxydée par polissage" afin que sa résistance à l'usure soit améliorée Les ressorts à lames sont en matière du type AM-350 ayant une grande résistance à la traction, une grande résistance à la relaxation en contrainte induite par irradiation, une bonne soudabilité, une section efficace d'absorption des neutrons inférieure à celle d'au- tres aciers et de l'alliage Inconel, et une épaisseur de l'ordre de 0,63 à 0,89 mm Au moins deux conceptions de montage de ressorts seront décrites", l'une étant associée à la barre de poussée et l'autre aux tubes d'angle Deux ou trois ressorts peuvent être montés dans chaque tube d'angle, chaque ressort étant situé à l'emplacement d'une grille d'entretoisement Tout emplacement d'une grille d'entretoisement com- porte au maximum quatre ressorts, à savoir un dans chacun des tubes d'angle orientés respectivement au nord, à l'est, au sud et à l'ouest. Dans tout tube d'angle, la direction des ressorts alterne de manière que, si un ressort inférieur est tourné vers le nord, le ressort situé immédiatement au-dessus de lui est tourné vers l'ouest et le ressort supérieur (ou suivant) est tourné vers le nord, etc. La charge de support latéral exercée par les ressorts sur chaque assemblage combustible est de l'ordre de 670 à 1780 N par élévation de grille, début de vie à froid En limitant la dilatation axiale différentielle du ressort, la charge du ressort à chaud ne va- rie pas En fonction du temps, la charge varie sous l'effet de la rela- xation en contraintedu fluage et de la croissance de la grille avec, pour effet net, une réduction tolérable de la charge Cependant, l'op- timisation des caractéristiques des ressorts latéraux de l'ensemble du système demande un effort analytique considérable. Ibrsque l'invention est convenablement mise en oeuvre dans la structure de l'assemblage combustible, on en attend les avan- tages suivants: 1 L'élimination de la déformation en arc des assemblages combustibles, avec ses conséquences. 2 Le maintien d'intervalles ou d'espaces uniformes entre les assemblages, permettant d'atteindre des puissances admissibles plus grandes tout en éliminant la préoccupation par des effets pouvant en- tra Iner une défaillance du combustible. 3 la possibilité de disposer d'un meilleur moyen de gui- dage pour la manipulation des assemblages combustibles, ce moyen de guidage évitant l'usure des barres combustibles périphériques. 4 Un renforcement important des assemblages combustibles par les tubes d'angle, ainsi que par les ressorts exercant leurs for- ces latérales. la possibilité de supprimer un certain nombre de gril- les d'entretoisement sans compromettre l'intégrité de l'assemblage combustible. 6 Une meilleure tolérance des phénomènes sismiques qu'avec un système de grilles spécial, et une diminution de la chute de pres- sion due au système de grilles. 7 la possibilité d'utiliser des tubes de guidage à paroi plus mince. 8 L'assemblage d'éléments de commande déclenche plus ra- pidement l'arrêt d'urgence dans tous les cas. 9 Le dispositif de verrouillage de fond peut être logé plus commodément. La figure 1 représente, avec coupe partielle, un agen- cement typique utilisé dans un caisson ou une cuve 1 de réacteur nu- cléaire, comprenant un coeur actif 2 constitué de plusieurs assembla- ges adjacents 3 de combustible nucléaire, une plaque d'alignement des assemblages combustibles qui porte sur des plaques de maintien soumi- ses à la force de ressorts et disposées sur le dessus des assemblages combustibles, et une structure supérieure 5 de guidage Les barres de commande qui pénètrent dans les assemblages combustibles du coeur ne sont pas représentées pour éviter une surcharge du dessin. la cuve 1 présente un orifice d'entrée 6 par lequel de l'eau devant être chauffée par le coeur 2 est introduite dans cette cuve Cet écoulement d'eau est guidé vers le bas dans la cuve, autour du coeur, par une enveloppe 7 Le coeur 2, suspendu à l'intérieur de la cuve 1, reçoit l'eau d'entrée à son extrémité inférieure, l'eau s'éle- vent ensuite à travers les divers assemblages combustibles qui en élè- vent la température Qu'il soit constitué d'eau chauffée ou de vapeur d'eau, recourant de fluide s'écoule de l'extrémité supérieure du coeur en passant par une sortie 8. I figure 1 est destinée à montrer l'orientation du coeur à l'intérieur de la cuve 1 le coeur est maintenu dans son sup- port par la structure supérieure 5 de guidage dont le poids repose di- rectement sur l'extrémité supérieure du oeur L'invention concerne une structure destinée aux assemblages combustibles 3 du coeur 2. Ia figure 2 représente en perspective l'un des assem- 2.5 Mages combustibles 3, tel qu'il est orienté dans le coeur 2 Un grand nombre de barres combustibles 10 sont groupées dans un châssis de sec- tion sensiblement carrée Il est classique de disposer plusieurs grilles 11 d'entretoisement espacées le long des assemblages combustibles afin d'emp 4 cher le déplacement des barres combustibles sous l'effet de for- ces latérales la conception et l'agencement de ces grilles d'entre- toisement n'entrent pas dans le cadre de l'invention, et un certain nombre de ces grilles sont représentées, comme cela est normalement le cas dans tous les assemblages combustibles. A chacun des quatre angles du faisceau de barres com- bustibles, un tube carré 12 est monté dans une position qui serait au- trement occupée par une barre combustible Conformément à l'invention, une structure de ressort fait saillie ou dépasse latéralement de cha- cun de ces tubes carrés afin de porter contre la surface extérieure d'un tube carré d'un assemblage combustible adjacent Cette force de ressort exercée en des points verticaux choisis le long des assembla- ges combustibles permet d'atteindre l'objectif ultime de l'invention, à savoir le maintien de la stabilité dimensionnelle entre les assemblages combustibles. la figure 2 représente une plaque 3 d'écoulement située à l'extrémité supérieure de l'assemblage combustible Cette plaque est 1 o traversée d'ouvertures convenables permettant le passage de l'eau chau- fée ou de la vapeur d'eau déchargée du haut du coeur Les tubes 14 de l'assemblage d'éléments de commande sont représentés comme s'élevant au-dessus de la plaque 13 d'écoulement, à travers la plaque 15 de main- tien les barres de commande de l'assemblage d'éléments de commande ne sont pas représentées à l'intérieur de cestubes, car leur présence com- pliquerait inutilement le dessin Des ressorts 16 sont représentés comme entourant l'extrémité supérieure de chaque tube 14 et comme s'étendant entre la plaque 13 d'écoulement et la plaque 15 de maintien, cette dernière étant mobile verticalement alors que le ressort est chargé. Une barre 17 de poussée, située dans chaque tube carré d'angle de l'assemblage combustible, est fixée par son extrémité supé- rieure à la plaque 15 de maintien la forme classique de la plaque 15 de maintien est modifiée pour permettre une fixation convenable des ex- trémités supérieures des barres 17 de poussée afin que, lorsque la pla- que 15 de maintien est abaissée à force par la structure supérieure de guidage, les barres de poussée descendent dans leurs tubes respectifs pour actionner les structures à ressorts selon l'invention. la figure 3 complète la figure 2 pour la description de la structure située à l'extrémité supérieure de l'assemblage combusti- ble, cette extrémité supérieure étant représentée en perspective écla- tée la plaque 13 apparaît comme présentant une ouverture à chaque an- gle, les barres 17 de poussée passant dans ces ouvertures dans lesquel- les elles peuvent exécuter un mouvement alternatif en raison de leur fixation à la plaque de maintien 15 à mouvement alternatif Les ressorts 16 sont représentés en position autour de colonnes de blocage qui forment les ex- trémités supérieures des tubes de guidage de l'assemblage des éléments de com- mande la -plaque 15 de maintien se déplace verticalement contre la force des ressorts, les colonnes de blocage passant dans des ouvertures convenables de la plaque de maintien. L'agencement complet, tel que représenté sur ces deux figures, permet d'actionner les barres de poussée dans leurs tubes d'angle respectifs de l'assemblage combustible lorsque la plaque de maintien est déplacée. La figure 4 représente en coupe transversale un angle de l'assemblage combustible 3 montré sur la figure 2 Cette figure re- présente en coupe et à échelle agrandie un tube carré d'angle 12 En outre, elle montre la barre 17 de poussée en position dans le tube 12. L'objectif final du dispositif selon l'invention est de faire dépasser un ressort 20 latéralement du tube 12 afin qu'il por- te contre le c 8 té d'lun tube carré adjacent 21 faisant partie d'un as- semblage combustible voisin de l'assemblage combustible 3 les barres combustibles 10 sont représentées comme étant maintenues par l'ossatu- re d'une grille 11 d'entretoisement Il est évident que cet agencement est répété à chaque angle de l'assemblage combustible La différence entre les dispositifs des différents angles réside dans la direction dans laquelle les quatre ressorts 20 font saillie Il est prévu que la structure à ressort dépasse de chaque c 8 té de l'assemblage combus- tible afin de porter contre un assemblage combustible adjacent De cette manières tous les assemblages combustibles du coeur sont bloqués les uns contre les autres avec un certain degré de rigidité permettant d'atteindre les objectifs fondamentaux de l'invention. les figures 5 et 6 représentent un exemple de tube car- ré d'angle d'assemblage combustible 3 la figure 5 montre le tronçon du tube carré 12 présentant une ouverture 22 Un ressort 20 est monté à l'intérieur du tube afin qu'une partie de son tronçon médian dépasse latéralement par l'ouverture 22 lorsqu'il est actionné par le mouve- ment de descente d'une barre 17 de poussée. le ressort 20 peut être fixé de nombreuses manières différentes à la paroi du tube carré 12 La figure 5 représente ce qui peut être considéré comme le moyen le plus simple, selon lequel l'ex- trémité 23 du ressort est rivée sur la paroi intérieure du tube, au- dessus de l'ouverture, et présente la forme d'une boucle 24 Cette cer- nière aboutit à un tronçon médian 25 préalablement cintré du ressort , placé en face de l'ouverture 22 Une boucle 25, analogue à la boucle 24, s'étend au-delà du tronçon médian cintré 25 Le ressort 20 se ter- mine par une extrémité 27 qui peut ou non être rivetée sur la paroi in- térieure du tube Dans la position montrée sur la figure 5, le ressort est maintenu de façon à pouvoir faire saillie par l'ouverture 22 lorsque les boucles 24 et 26 sont déformées par la barre de poussée La figure 6 représente la barre de poussée ayant été abaissée dans le tube afin de porter contre les boucles 24 et 20 du ressort 20 jusqu'à ce que le tronçon médian de ce dernier soit poussé à travers l'ouverture du tube, suffisamment loin pour porter contre la surface d'un assemblage com- bustible adjacent. la forme et l'agencement du ressort 20, représenté sur les figures 5 et 6, constituent des formes préférées de réalisation de l'invention Cependant, le ressort 20 peut avoir d'autres formes et d'autres agencements lui permettant d'être actionné efficacement par un mouvement de descente de la barre 17 de poussée afin qu'une partie de ce ressort dépasse par l'ouverture du tube et exerce la force demandée sur l'assemblage combustible adjacent les figures 5 et 6 représentent d'une façon générale aussi bien que particulière une forme de réalisa- tion de l'invention dans laquelle le ressort est monté sur la paroi du tube carré d'angle et la barre de poussée descend dans le tube pour porter contre ce ressort, le déformer et le faire dépasser latérale- ment de l'intérieur du tube En variante, la structure à ressort peut être montée sur la barre de poussée elle-même et être actionnée latéra- lement les figures 7 et 8 représentent une forme de réalisation et une disposition correspondant à ce concept du ressort monté sur la barre de poussée v les figures 7 et 8 représentent l'agencement à barre de poussée, à ressort et à tube avant et après actionnement Un monta- ge particulier de la structure à ressort est représenté à l'extrémité de la barre de poussée, bien qu'il soit aisément concevable de pouvoir N 3 monter un ou plusieurs ressorts en des points particuliers le long de la barre et de les actionner à travers des ouvertures correspondantes ménagées dans la paroi de leur tube. les figures 7 et 8 représentent un tube carré d'angle qui coopère avec une barre de poussée 31 pouvant se déplacer vers le bas dans ce tube Une lame de ressort 32 est fixée par son extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du tube 31 de poussée Un cintrage est donné à l'avance au tronçon médian du ressort 32 Une butée dure 33 est disposée au-dessous de l'ouverture 34 Ainsi, la figure 7 montre la barre de poussée prête à être déplacée vers le bas jusqu'à ce que l'extrémité inférieure du ressort 32 porte contre la butée dure 33, la poursuite du mouvement de descente de la barre de poussée provoquant ensuite un cintrage du tronçon médian du ressort jusqu'à ce qu'il dé- passe par l'ouverture et établisse le contact d'importance primordiale avec la surface d'un assemblage combustible adjacent. Si une seule structure à ressort doit être mise en pla- ce le long du tube carré d'angle, l'agencement des figures 7 et 8 peut être utilisé Le passage de la position représentée sur la figure 7 à celle montrée sur la figure 8 pour produire l'extension latérale du ressort et atteindre les objectifs de la présente invention apparait de façon très simple Il est possible de monter plusieurs ressorts sur la barre de poussée, mais il ne s'avère pas indispensable de les repré- senter en détail Les figures 7 et 8 soulignent convenablement le con- cept de la structure à ressort montée sur la barre de poussée elle- m 4 me, plut 8 t que le concept de la structure à ressort montée sur la pa- roi du tube, comme représenté sur les figures 5 et 6. Il peut 9 tre utile de rappeler ce qui peut à présent ressortir de manière évidente de la description Il convient de ne pas perdre de vue le concept global de l'invention, parmi toutes les dimen- sions et matières particulières indiquées les objectifs simples ne doivent pas être masqués par des détails des formes préférées de réalisation. le coeur d'un réacteur nucléaire est constitué de nom- breuses parties soumises à des forces hydrauliques, thermiques et sis- miques qui tendent à modifier les dispositions spatiales des éléments. Ia présente invention est conçue pour s'opposer à un tel déplacement à la séparation entre les assemblages combustibles En particulier, la présente invention constitue un moyen d'entretoisement à structures à ressorts élastiques. Les positions des structures à ressortssont situées le long des assemblages combustibles Comme décrit précédemment et en par- ticulier, les tubes sont montés aux angles des assemblages et ils pré- sentent des ouvertures espacées judicieusement sur leur longueur et par lesquelles des structures à ressorts sont d 4 placées latéralement pour venir en contact avec des assemblages voisins Les structures supérieu- res lourdes reposant sur le dessus du coeur actionnent les structures à ressorts de manière que, lorsque tous les éléments sont en place dans la cuve, les ressorts "se coudent" entre les assemblages voisins en formant un ensemble solidaire f ui résiste aux forces cycliques pré- vues. Il ressort de la description précédente que l'invention est d'une conception lui permettant d'atteindre tous les buts et ob- jectifs indiqués précédemment, tout en présentant d'autres avantages évidents et inhérents au dispositif. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'assemblage décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONTS 1 Assemblage de barres ( 10) de combustible nucléaire disposées sur le trajet suivi par de l'eau à chauffer, caractérisé en ce qu'il comprend un châssis destiné à supporter verticalement un as- semblage ( 3) de barres de combustible nucléaire et ayant une section carrée, un tube ( 12) monté à chaque angle du châssis, parallèlementaux barres combustibles de l'assemblage, au moins une ouverture ( 22) ména- gée dans la paroi de chaque tube d'angle et dirigée vers la surface extérieure d'un tube d'angle ( 21) dans l'assemblage combustible adja- cent, une structure ( 20) à ressorts montée dans chaque tube d'angle et pouvant âtre actionnée de façon à dépasser par au moins l'une des ou- vertures du tube pour s'appliquer sous une certaine force contre la surface extérieure du tube d'angle de l'assemblage combustible adja- cent, une barre ( 17) qui descend dans chaque tube d'angle et qui porte contre la structure à ressorts montée dans le tube afin de l'actionner et une liaison réalisée entre les barres et une structure supérieure ( 5) de guidage afin de faire descendre les barres dans leur position d'actionnement de la structure à ressorts lorsque la structure supé- rieure de guidage est dans sa position de travail. 2 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les structures ( 20) à ressorts sont montées sur leurs tubes d'angle. 3 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les structures ( 32) à ressorts sont montées sur les barres ( 31). 4 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les structures à ressorts se présentent sous la forme de lames et sont actionnées de façon à dépasser par leurs ouvertures par une déformation en forme de boucle d'un tronçon ( 25) compris entre leurs extrémités. 5 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tube d'angle présente une section carrée. 6 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures de chaque tube d'angle sont dirigées vers un assemblage combustible voisin qui est adjacent à un c 8 té du tube d'an- gle. 7 Assembla ge de barres ( 10) de combustible nuclaire, formé de façon à avoir une section ayant la configuration d'un carry de l'ordre de 20 cm de c 8 té, caractérisé en ce qu'il comporte un chú- sis destiné à cet assemblage et comportant au moins une grille ( 11) d'entretoisement réalisée en "Zircaloy", un tube ( 12) de "Zircaloy" de configuration carrée, placé à chaque angle de l'assemblage et s'éten- dan le long de ce dernier, ce tube ayant une épaisseur de paroi de l'ordre de 0,6 mm, une ouverture ( 22) ménagée dans la paroi de chaque tube d'angle et tournée vers l'extérieur de l'assemblage, en direction de la surface d'un tube d'angle ( 21) d'un assemblage adjacent, un corps plat ( 20) de ressort en acier inoxydable du type AM-350, ayant une épaisseur de l'ordre de 0,6 à 0,9 mm dans son tronçon médian ( 25), ce corps de ressort pouvant être actionné afin d'être cintré pour dépas- ser latéralement de l'ouverture du tube et pour porter contre la sur- face du tube d'angle placée en face de l'ouverture, une tige cylindri- que ( 17) conçue pour descendre dans chaque tube d'angle afin d'action- ner le corps de ressort logé dans ce tube, et une liaison réalisée en- tre l'extrémité supérieure des tiges et une structure supérieure ( 5) de guidage de façon que les tiges puissent être descendues dans leurs tubes pour actionner leurs ressorts respectifs lorsque la structure supé- rieure de guidage est dans sa position de travail.