Brevet FR2529371A1 — publié le 19831230

Ressort de chambre de crayon de combustible. La présente invention se rapporte à un ressort perfectionné de chambre pour les crayons de combustible utilisés dans les assemblages com- bustibles de réacteurs nucléaires. Le coeur d'un réacteur nucléaire comprend généralement un Lais- ceau d 9 assemblage Scombustibles comprenant chacun une grappe de crayons de combustible Un crayon de combustible est formé d'un empilement de pastil- les cylindriques de combustible contenues dans un tube extérieur appelé gaine Au cours du fonctionnement du réacteur nucléaire, le processus de fission provoque la libération de gaz de fission à partir des pastilles de combustible En conséquence, une chambre de gaz de fission est géné- ralement prévue dans le crayon de combustible pour recevoir le gaz de fission au fur et à mesure de sa production Cette chambre de gaz de fis- sion est habituellement située au-dessus de l'empilement de pastilles de combustible. Les pastilles de combustible sont maintenues en contact l'une avec l'autre par un ressort placé dans la chambre de gaz de fission qui exerce une force élastique généralement égale à 5 à 10 fois le poids de l'empilement de pastilles. Les augmentations de température du crayon de combustible peuvent provoquer un gonflement en longueur de l'empilement de pastilles, supérieur à celui de la gaine qui l'entoure, ce qui a pour conséquence une augmenta- tion indésirable de la force exercée par le ressort de la chambre et de la contrainte-appliquée aux pastilles individuelles de combustible. La force de maintien du ressort est cependant nécessaire princi- palement lorsque les pastilles se trouvent aux températures ambiantes afin de retenir les pastilles pendant le transport des assemblages combustibles car ces derniers sont transportés en position horizontale Une force impor- tante exercée par le ressort au cours du fonctionnement du réacteur aux hautes températures, pourrait avoir des effets nuisibles sur le crayon de combustible en provoquant une dilatation thermique du combustible qui serait dirigée radialement vers l'extérieur, occasionnant des contraintes accrues et (ou) des augmentations de diamètre de la gaine. L'objet principal de la présente invention est donc de fournir un montage qui maintient solidement les pastilles dans un crayon de com- bustible pendant le transport mais qui n'exerce pas de forces excessives sur les pastilles de combustible au cours du fonctionnement du réacteur. Afin de réaliser cet objet, la présente invention consiste en un crayon de combustible pour un assemblage combustible de réacteur nu- cléaire, comprenant un empilement de pastilles de combustible enfermées dans le crayon et un ressort placé dans ce dernier afin d'exercer une force axiale sur les pastilles La caractéristique de la présente invention réside dans le fait que ce ressort est constitué d'un matériau dont la constante d'élasticité dépendant de la température a été choisie de manière à réduire la force exercée par le ressort lorsque la température de celui-ci augmente. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 représente un assemblage combustible; et la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale d'un crayon de combustible. On se reportera maintenant à la figure 1 qui représente un as- semblage combustible nucléaire caractéristique 10 Plusieurs assemblages de ce type sont placés c 8 te à c 8 te pour former le coeur d'un réacteur nu- cléaire Le coeur est traversé par un fluide de refroidissement qui extrait l'énergie calorifique et l'utilise pour entraener un groupe turbo-généra- teur Chaque assemblage combustible 10 comprend plusieurs crayons 12 de combustible, montés entre un manchon supérieur 14 et un manchon inférieur 16 et supportés par des sommiers 18 disposés sur leur longueur L'assem- blage 10 est représenté avec une grappe 20 de barres de commande intro- duites dans l'assemblage. Un crayon caractéristique 12 de combustible est représenté de manière simplifiée à la figure 2 Les éléments représentés comprennent une gaine 22 du crayon de combustible, des pastilles 24 de combustible, des bouchons 26 d'extrémité et un ressort 30 de maintien des pastilles de combustible, placé dans une région 28 formant la chambre supérieure Com- me le représente la figure, plusieurs pastilles cylindriques 24 de com- bustible sont empilées dans la gaine 22 qui est fermée hermétiquement par les bouchons 26 d'extrémité Un espace annulaire 34 est prévu entre les pastilles 24 et la gaine 22 pour permettre le chargement des pastilles et le déplacement des gaz produits par la fission, et pour diminuer des coin- cements indésirables des pastilles dans la gaine Une région 28 formant la chambre supérieure est prévue pour recevoir les gaz de fission qui, s'ils n'étaient pas évacués, pourraient créer une augmentation indésirable de pression dans le crayon 12 de combustible. Le ressort 30 suivant la présente invention est constitué d'un matériau ayant une constante K d'élasticité dépendant de la température, cette constante K diminuant lorsque la température augmente et diminuant donc la force F du ressort exprimée par l'équation suivante: F = KX dans laquelle F est la force du ressort et X le déplacement linéaire du ressort On peut utiliser un certain nombre de matériaux tels qu'un acier doux du type AISI 1020 par exemple D'autres exemples de matériaux compren- nent le laiton, la famille des alliages de nickel, la famille des alliages de magnésium et la famille des alliages de bronze. Les ressorts peuvent prendre la forme de ressorts hélicoïdaux classiques, de rondelles de Belleville ou d'autres dispositifs de flexion. Etant donné que la force du ressort diminue en fonction de l'é- chauffement du réacteur depuis la température ambiante jusqu'à la tempé- rature de fonctionnement (peut-%tre 3200 C ou davantage), la force théori- que du ressort à froid peut être relativement élevée sans qu'il y ait de danger d'imposer des contraintes excessives à l'empilement de pastilles du fait du gonflement de ces dernières. L'invention décrite ci-dessus a été conçue dans le cadre de l'exécution du contrat N O DE-AC 14-76 FF 02170 conclu avec le Gouvernement des Etats-Unis. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réali- sation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Crayon ( 12) de combustible pour un assemblage combustible ( 10) de réacteur nucléaire comprenant un empilement de pastilles ( 24) de combustible enfermées dans le crayon ( 12) et un ressort ( 30) placé dans ce dernier afin d'exercer une force axiale sur les pastilles ( 24), carac- térisé en ce que ce ressort ( 30) est constitué d'un matériau dont la cons- tante d'élasticité dépendant de la température a été choisie de manière à réduire la force exercée par le ressort lorsque la température de ce der- nier augmente. 2 Crayon de combustible suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort ( 30) est constitué d'un acier du type AISI 1020. 3 Crayon de combustible suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le ressort ( 30) est un ressort hélico Ydal. 4 Crayon de combustible suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le ressort ( 30) est composé de rondelles de Bel- leville. Crayon de combustible suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau constituant le ressort est choisi de manière à provoquer une diminution d'environ 50 % de la force du ressort pendant l'échauffement de la température ambiante à la tempé- rature de fonctionnement du réacteur.