Brevet FR2531258A1 — publié le 19840203

ELEMENT COMBUSTIBLE NUCLEAIRE La présente invention.se rapporte aux éléments combustibles pour des réacteurs nucléaires et concerne plus particulièrement des éléments dans lesquels des barreaux combustibles sont engagés latéralement par des dispositifs élastiques qui maintiennent lgécartement entre les barreaux Le brevet des Etats-Unis d2Amérique Re 28079 décrit un appareil courant de cette catégorie dgéléments combustibles.L'élément combustible décrit dans ce brevet comporte des grilles dans lesquelles se trouvent des doigts ou des bandes élastiques qui engagent et positionnent latéralement les barreaux combustibles Selon ce brevet, les barreaux combustibles reposent sur une plaque d'extrémités inférieure 32 Dans les réacteurs nucléaires qui sont produits actuellement, chaque élément est intercalé entre une buse supérieure et une buse inférieure. Pendant le fonctionnement du réacteur, les barreaux combustibles se dilatent à la fois en raison de leaugmentation de température et aussi en raison du flux de neutrons auxquels les barreaux sont soumis Pour éviter de soumettre les barreaux à des contraintes excessives, il est souhaitable qu'ils soient suspendus au-dessus de la buse inférieure.La technique antérieure reposait sur le frot tement entre les doigts élastiques et les barreaux combustibles pour maintenir ces derniers suspendus audessus de la buse inférieure. Mais cela ne s'est pas avéré satisfaisant en raison du relâchement des doigts élastiques et de la réduction de leur force qui résultent du flux des neutrons. Ce phénomène est particulièrement marqué avec des doigts élastiques réalisés en ZIRCALLOY, alliage de zirconium. L'utilisation de cet alliage est préférée en raison de sa faible section d'absorption des neutrons. Des supports ont été proposes pour pallier le relachement.Dans ces supports, des ressorts en alliage de INCONEL ou simiiaiie sont encastrés dans des bandes de ZIRCAlLOY. Des élérc.nts cospenant-des supports bimétalliques sont coûteux et soulèvent des difficultés de fabrication. Une autre proposition faite pour combattre le relâchement des ressorts consiste à prévoir de larges doigts élastiques avec de grandes surfaces de contact avec les barreaux ccmljus-tihles. Nais les ensembles de grilles qui en résultent sont très grands. La production des éléments combustibles antérieurs décrits ci-dessus est également une opération coûteuse. Il est nécessaire que les écartements entre les barreaux combustibles, c'est-à-dire les canaux dans chaque élément soient maintenus dans les limites requises. Dans la technique antérieure, les écartements étaient mesurés quand les éléments étaient terminés. Si une mesure d'un écartement s'écarte des limites prescrites, l'élément doit être reconstruit. Un objet essentiel de l'invention est donc de pallier les inconvénients de la technique antérieure et de proposer un élément combustible nucléaire d'une structure relativement peu complexe et peu coûteuse et de dimensions modérées comprenant des supports pour les barreaux combustibles qui non seulement maintiennent le positionnement latéral des barreaux mais suppriment également la tendance des barreaux à descendre et à engager la buse inférieure. Compte tenu de cet objet, l'invention concerne donc un élément combustible pour un réacteur nucléaire comprenant un réseau de barreaux combustibles parallèles supportés dans des structures de grilles espacées axialement, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs blocs longitudinaux d'unités de gaine, les groupes d'unités de gaine correspondants des blocs étant coaxiaux, chaque unité de gaine comprenant une gaine avec à l'intérieur un dispositif élastique hélicoldal, un barreau combustible s'étendant dans chaque groupe d'unités de gaine coaxiale et étant engagé élastiquement par le dispositif élastique suivant une ou plusieurs régions de contact de longueur substantielle, de manière qu'au relâchement du dispositif élastique hélicoïdal résultant du flux des neutrons, tout déplacement longitudinal du barreau combustible le long des unités de gaine soit supprimé. Le dispositif élastique peut comprendre plusieurs ressorts hélicodaux dont les extrémités sont fixées, de manière que les ressorts soient uniformément espacés autour de la périphérie de la gaine et exercent symétriquement leurs forces sur le barreau combustible. Les gaines peuvent avoir une section circulaire, elliptique, ovale ou polygonale en fonction du réseau voulu des barreaux combustibles. Les ressorts hélicoldaux sont faits d'un fil qui peut être de section circulaire, elliptique, ovale ou polygonale. En général, un certain nombre ou un groupe d'unités de gaine sont montés uniformément espacés le long du barreau, ce dernier étant engagé par ressort dans les gaines sur des régions de contact de longueur substantielle. Une telle structure est appelée ici un module de barreau combustible. Les ressorts hélicodaux dans les gaines engageant chaque barreau combustible exercent leur force de manière à centrer le barreau.Un module de barreau combustible dans lequel le barreau combustible passe dans une seule unité de gaine avec de longs ressorts hélicoldaux montés à l'intérieur entre également dans le cadre de l'invention. Dans ce cas, les longs ressorts hélicoldaux engagent le barreau combustible sur des régions de contact de longueur subs tantielle et maintiennent le barreau centré. Etant donné que la région de contact de chaque structure a une longueur substantielle, les ressorts sont efficaces pour maintenir la position latérale et la position longitudinale du barreau, indépendarnment du relâchen;ent en fonctionnement. Lebarreau combustible comporte de préférence plusieurs brides à l'intérieur desquelles sont montés plusieurs modules de barreau combustible. Les modules sont montés dans les brides en un réseau rectangulaire, avec les unités de gaine en chaque position longitudinale de chaque module, appelé ci-après quelquefois un groupe ou un bloc de gaines, disposées couche sur couche dans une bride. Chaque bloc d'unités de gaine et la bride dans laquelle il est monté forment une structure rigide. Les joints entre les parois de chaque bride et au moins une partie, généralement la totalité, des gaines suivant la périphérie du bloc dans la bride sont soudés et certains, et généralement la totalité, des joints entre les gaines de couches contigües dans le bloc sont soudés. Bien que l'élément combustible selon l'invention comporte généralement, et avec un avantage marqué, plusieurs brides, un ensemble avec une seule longue bride maintenant les blocs de gaines entrent dans le cadre de l'invention. L'élément combustible comporte des barres de contrôle disposées dans les positions déterminées le long des barreaux combustibles du réseau. Les barres de contrôle sont des tubes continus d'un diamètre un peu inférieur à celui des gaines. Ces barres sont prévues avec des renflements par lesquels elles sont supportées par les gaines qui les entourent. Dans la mise en oeuvre pratique de -l'inven- tion, les gaines et les ressorts ainsi que le revêtement des barreaux combustibles sont en alliage ZIRCALLOY. Les ressorts se relâchent sous l'effet du rayonnement neutrons. Mais étant donné que les ressorts engagent les barreaux combustibles sur des régions de contact de longueur substantielle, la position latérale et la position longitudinales des barreaux sont maintenues malgré le relâchement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation ayant référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue en plan d'un élément combustible constituant un mode de réalisation de llinven- tion, La figure 2 est une coupe partielle vue de côté de l'ensemble de la figure 1, La figure 3 est une vue partielle en perspec tive de la partie de l'élément combustible passant dans une bride, La figure 4 est une vue en perspective d'une unité de gaine d'un module de barreau combustible faisant partie d'un élément selon leinventiona La figure 5 est une vue en plan de cette gaine, La figure 6 est une vue de côté de cette unité de gaine, La figure 7 est une vue en bout de la gaine seule (fils exclus) dans la direction VII de la figure 6, La figure 8 est une coupe suivant les lignes VIII-VIII de la figure 6, La figure 9 est une vue de côté d'un module de barreau combustible selon l'invention, La figure 10 est une coupe suivant les lignes X-X de la figure 9, La figure 11 est une vue partielle de côté montrant la manière dont un élément combustible selon l'invention est produit, La figure 12 est une vue partielle en plan de l'appareil de la figure 11, et La figure 13 est une vue en perspective d'un dispositif utilisé pour la production d'un élément selon l'invention, dans la mise en oeuvre de son procédé. L'élément combustible 21 représenté sur les figures comporte plusieurs modules 23 de barreau combustible entouré par des brides 25. Chaque module 23 (figure 9) comporte plusieurs unités de gaines 27 montées à des écartements uniformes sur un barreau combustible 29. En général, le diamètre d'un barreau combustible est de 9,50 min. Si cela est souhaitable, un écartement non uniforme entre également dans le cadre de l'invention. Chaque unité de gaine 27 (figures 4,6,8) comporte un tube ou gaine 31 dans lequel sont montés plusieurs ressorts hélicoldaux 33. Les ressorts sont espacés uniformément suivant la périt phérie intérieure de chaque gaine 31. Chaque gaine 31 comporte des fenêtres 35 espacées uniformément à sa périphérie. Les fenêtres 35 servent à éliminer la matière absorbant les neutrons parasites pour permettre le montage des ressorts hélicoXlclaux 33 et pour faciliter le passage du caloporteur afin que ce dernier soit bien mélangé. Les ressorts 33 sont soudés aux extrémités opposées 39 des fenêtres. Chaque ressort est soudé sur l'extrémité inférieure 39 d'une fenêtre et sur l'extrémité supérieure d'une autre fenêtre décalée circonférentiellement par rapport à la première. Le décalage dépend du pas et du nombre de spires de l'hélice. Si l'hélice comporte un nombre entier de spires, il n'y a aucun décalage. En général, chaque gaine 31 a un diamètre extérieur de 12,7 mm, une épaisseur de 0,76 mm et une longueur d'environ 50 mm. Le diamètre du fil qui forme le ressort hélicoldal 33 est environ 0,76 mm. Comme représenté, trois ressorts 33 sont prévus suivant la surface intérieure de la gaine 31. Trois fenêtres 35 sont prévues, dont les centres sont espacés suivant la périphérie 31 de 1200, suivant des courbes d'environ 1/3 de spires de l'hélice. Environ 8 unités de gaines 27 sont placées sur chaque barreau combustible 29. Les brides 25 qui entourent les modules de barreaux combustibles 23 ont une forme générale rectangulaire. Dans chaque élément combustible, les brides 25 sont alignées et les modules de barreaux combustibles sont disposés dans les brides avec les unités de gaines en couches comme le montre la figure 1. Les unités de gaine forment un bloc de forme générale rectangulaire dans chaque bride 25. Les joints 40 entre les gaines 31 suivant la périphérie de chaque bloc et les parois 41 des brides 25 sont soudés par points. En général, les soudures sont produites par fusion au moyen d'un laser. Les joints 42 entre les gaines 31 de chaque bloc sont egalement soudés par fusion. Le soudage par fusion est effectué de préférence à partir du-haut de l'élément. A des positions prédéterminées r des guides 43 Pour des barres de contrôle (non-représentées) s'étendent à travers les blocs. En général, les guides ont un diamètre extérieur de 1,22 mm et une épaisseur de 0,76 mm. Les guides 43 sont des tubes prévus avec des renflements 45. Les guides 43 sont supportés par des renflements qui engagent les gaines voisines 31. Les renflements 45 au-dessous des gaines voisines évitent tout déplacement vertical des guides. Des renflements 45 peuvent être formés avant ou après l'empilage. Les brides 25 sont munies d'amortisseurs sismiques 47 sur leurs parois 41. Les amortisseurs 45 sont des bossages dirigés vers l'extérieur des parois. Comme le montre la figure 1, des éléments combustibles continus sont montés dans le coeur d'un réacteur avec les amortisseurs 47 intercalés. La distance entre les gaines 31 est établie en fonction des barreaux combustibles. Les centres des barreaux combustibles sont écartés de t50 à 500 mm. Les modules de barreaux combustibles 23, les guides 43 de barres de contrôle et les brides 25 sont assemblés à l'aide de plusieurs dispositifs d'assemblage 51 (figure 13). Chaque dispositif d'assemblage 51 est un étrier comprenant une pièce transversale 53 et des branches 55 et 57. La pièce transversale 53 comporte deux doigts 59 sur chaque côté. Entre les doigts 59 se trouvé une partie centrale 61 mobile par rapport aux doigts. Les doigts 59 sont solidaires des branches 55. La pièce 61 est solidaire ou assemblée avec la branche 57. Une goupille de pivotement 63 passe dans l'angle à la jonction de la branche 55 et des doigts 59. La pièce centrale 61 et la branche 57 sont articulées sur la goupille 63. A l'extrémité opposée à la goupille 63, les doigts 59 et la pièce 61 sont prévus avec des ouvertures coaxiales 65 dans laquelle passe une goupille de blocage 67. A l'enlèvement de la goupille 67, la pièce 63 et la branche 57 peuvent pivoter vers le bas, en enlevant ainsi la branche 57 de sorte qu'un élément terminé dans le dispositif 51 peut être enlevé. A la fabrication d'un élément combustible selon l'invention, les gaines 31 avec les fenetres 35, les guides 43 de barre de contrôle avec les renflements 45, les ressorts 33, les barreaux combustibles 29 et les plaques 71 et 73 pour le dessus et les côtés respectivement de la bride 25 sont réalisés. Les plaques 71 et 73 sont réalisées avec les amortisseurs sismiques 47, Toutes les pièces, y compris le revêtement des barreaux combustibles 29 sont en alliage ZIRCALLOY. Mais, des éléments combustibles dans lesquels le revêtement est fait d'une autre matière, comme l'acier inoxydable, entrent dans le cadre de l'invention. Les ressorts 33 sont montés dans les gaines 31 formant les unités de gaine 27. Les extrémités des ressorts sont soudées sur les limites supérieure et inférieure 39 des fenêtres décalées 35. Soil y a trois ressorts et trois fenêtres et si la longueur du ressort est un tiers de spire, comme les montrent les figures, chaque ressort est soudé par son extrémité inférieure sur la limite inférieure 39 de la fenêtre 35 et sur la limite supérieure 39 de la fenêtre suivante dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à partir de la première fenêtre, vue par le dessus de l'unité de gaine 27 Un module 23 de barreaux combustibles est maintenant formé en montant plusieurs unités de gaine 27 sur un barreau combustible 29.Les unités de gaine sont uniformément espacées le long du barreau 29 Les ressorts 33 sont uniformément espacés suivant la périphérie de chaque gaine 31 et sont de toute manière positionnées de manière que le barreau combustible 29 soit centré dans toutes les gaines montées sur lui Plusieurs dispositifs d'assemblage 51 (figure 13) avec les goupilles de blocage 67 dans les trous 65 sont alignés, avec les pièces transversales 53 dans un même plan. Les plaques 71 et 73 sont disposées le long des surfaces intérieures des pièces transversales 53 et des branches 55 et 57 de chaque dispositif de montage (figure 12). De préférence, les plaques 71 et 73 sont assemblées sur leurs côtés en une structure en forme de U comme le montre la figure 12. Mais la disposition de plaques séparées 71 et 73 dans les dispositifs de montage reste dans le cadre de l'invention.Une rangée de modules de barreaux combustibles est placée le long des plaques transversales 71, avec les unités de gaine 27 en une première couche sur les plaques 71. es joints 40 entre les gaines 31 et la plaque 71 sont soudés. Les joints 40 entre les gaines 31 aux extrémités des premières couches et les plaques 73 sont également soudées. Une autre rangée de modules de barreaux combustibles 29 est placée sur la première couche, avec les unités de gaine 27 de cette rangée en une seconde couche sur les unités de gaine de la première couche. Les joints 42 entre les gaines de la première et de la seconde couche sont soudés. Les joints 40 entre les gaines aux extrémités de chacune des couches et des plaques 73 sont également soudés. De la manière, d'autres rangées de modules de barreaux conbustibles sont placées en une troisième, une quatrième, une cinquième, etc... couches avec les unités C1e gaine 27 dans les couches en structure en U. Les unités de gaine 27 de chaque couche supplémentaire sont sur les unités de gaine de la couche qui se trouve juste au-dessous. Les joints 42 entre les gaines de chaque couche supplémen taire et les gaines de la couche inférieure sont soudeées. Les joints 40 entre les plaques 73 et les gaines aux exré- mités de chacune des autres couches sont également soudés. Une structure essentiellement rigide est ainsi obtenue. En général, le réseau ainsi assemblé est carré, comprenant 17 positions d'unités de gaine dans chaque dimension, soit 289 positions de gaine. L'expression "positions d'unités de gaine" est utilisée volontairement car il n"y a pas des unités de gaine 27 dans toutes les positions. En fabrication; des espaces sont laissés pour les guides 43 qui sont introduits quand la structure est assemblée. Quand l'assemblage des plaques 71 et 73, des modules de barreaux combustibles 29 et des guides est terminé, les sommets 71 sont fixés sur les côtés 73 pour compléter les brides 25.Bien qu'il soit avantageux dans la realisation de l'élément de positionner les rangées de modules de barreaux combustibles 7 dans les plaques 71 et 73 en mode U, l'introduction des barreaux 29 dans des unités de gaine 27 coaxiales après que les réseaux rectangulaires de ces gaines ont été assemblés avec les plaques 71 et 73 reste dans le cadre de 1 'invention Quand l'élément combustible 21 est complètement réalisé, les goupilles de blocage 67 sont enlevées et les pièces 61 ainsi que les côtés 57 sont pivotés vers le bas et luélément est enlevé. Quand l'élément est ainsi formé, l'écartement entre les barres de contrôle, c'est-à-dire l'écartement des canaux, est progressivement mesuré pour assurer qu'il se situe dans les limites avant que l'assemblage soit terminé. La fonction de la bride 25 est d'encadrer le réseau de modules 23 de barreaux combustibles et les guides 43 de barres de contrôle. La bride 5 comporte des languettes de guidage 81 qui facilitent le chargement des éléments combustibles dans le coeur (non-représenté) d'un réacteur. Les amortisseurs 47 des brides 25 amortissent les mouvements latéraux entre les éléments combustibles 21 pendant des perturbations sismiques. Les avantages de l'élément combustible selon l'invention sont les suivants 1. Le maintien transversal et axial des barreaux combustibles 29 est assuré par la force combinée des ressorts hélicoldaux 33 uniformément opposés ou symétriquement espacés. 2. La configuration des ressorts hélicoldaux crée des turbulences du caloporteur éliminant la nécessité ou réduisant le nombre des ailettes mélangeuses qui sont nécessaires dans les éléments antérieurs. 3. Les modules de barreaux combustibles 23 peuvent être assemblés préalablement, puis combinés en des éléments combustibles 21. Le besoin est éliminé ou évité d'un ensemble squelette et d'un chargement des barreaux combustibles par poussée ou traction comme dans la technique antérieure. 4. Les rayures du revêtement et barreaux combustibles sont éliminées ou réduites au minimum 5. Grâce au procédé d'empilage, rangée par rangée, l'inspection en cours de fabrication de l'écartement des canaux, c'est-à-dire de l'écartement entre les barreaux est possible. Les avantages du nouveau procédé de réalisation de l'élément selon l'invention, en plus de permettre l'inspection en cours de fabrication sont 1. La réduction ou même l'élimination des contraintes de charge des barreaux combustibles. 2. L'élimination de la nécessité d'opérations intermédiaires, c'est-à-dire de la préparation d'ensembles squelettes. REVENDICATIONS 1. Elément combustible pour un réacteur nucléaire comprenant un réseau de barreaux combustibles parallèles (29) supporté dans des structures de grilles (25) espacées axialement, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs blocs longitudinaux d'unités de gaine (27), les groupes des unités de gaine correspondantes (23) des blocs étant coaxiaux, chacune desdites unités de gaine comprenant une gaine (27) dans laquelle se trouve un dispositif élastique héliocoidal (33) avec un barreau combustible (29) passant dans chaque groupe d'unités de gaine coaxiales (27) et étant engagé élastiquement par le dispo sitif élastique (33) suivant une ou plusieurs régions de contact de longueur substantielle de marnière qu'au relache- ment desdits dispositifs élastiques hélicoldaux (33) résultant du rayonnement du flux des neutrons7 tout déplacement longitudinal des barreaux combustibles le long desdites unités de gaine soit supprimé 2. Elémént combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque bloc d'unité de gaine (23) est entouré par une bride 125) 3.Elément combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que les gaines (31, les dispositifs élastiques (33) et les brides (25) sont faits deune matière dite ZIRCALLOY. g. élément combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que les gaines périphériques (27) de chaque bloc en contact avec les brides (25) sont soudées sur les brides t25) et les gaines intérieures (31) sont soudées sur les gaines périphériques (27) et entre elles, de manière que les unités de gaine (23) de chaque bloc constituent une unité nettement rigide. 5. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque unité de gaine (27) comporte au moins une fente longitudinale (35), les extrémités des dispositifs hélicoidaux (33) étant soudées sur les extrémités de ladite fente (35). 6. Elément combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs élastiques hélicoldaux (33) de chaque unité de gaine (27) comprennent plusieurs ressorts hélicoldaux (33) également espacés suivant la surface de chaque gaine (31), de manière que le barreau combustible (29) soit centré par les dispo- sitifs élastiques (33). 7. Elément combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les gaines (31) et les dispositifs éla-stiques hélicoïdaux (33) sont réalisées en une matière dite ZIRCiLLOY. 8 Procédé de réalisation d'un éldment combus- tible pour un réacteur nucléaire corIprenant plusieurs gaines, chaque gaine contenant des dispositifs élastiques hélicoldaux et un barreau combustible passant dans chacune desdites gaines, ledit barreau combustible étant maintenu en position latérale et en position longitudinale par lesdits dispositifs élastiques, procédé caractérisé en ce qu'il consiste es'entiellement à monter les dispositifs hélicoidaux dans la direction longitudinale dans chacune desdites gaines avec les extrémités desdits dispositifs élastiques fixes sur ladite gaine en des positions décalées dans la direction longitudinale de ladite gaine, à former un module de barreaux combustibles en introduisant un barreau combustible dans chacune desdites gaines avec les dispositifs élastiques dans lesdites gaines engageant élastiquement ledit barreau combustible sur une ou plusieurs régions de contact de longueur substantielle, placer un premier sous-ensemble desdits modules de barreaux combustibles en une première couche le long de la pièce transversale d'une structure en forme de U, formant trois côtés d'une bride, avec les gaines desdits modules en engagement avec ladite pièce transversale, à souder les joints entre chacune desdites gaines de ladite première couche et ladite pièce transversale, à placer un second sous-ensemble desdits modules sur ladite première couche, sous forme d'une seconde couche, avec les gaines de ladite seconde couche en contact avec les gaines de ladite première couche, à souder les joints entre chaque gaine de ladite première couche et chaque gaine de ladite seconde couche, à souder les joints entre les gaines aux extrémités de la seconde couche et les branches voisines de ladite structure en forme de U, à placer un nombre prédéterminé de sousensembles supplémentaires de modules en une couche supplémentaire, la couche supplémentaire commentant par une couche desdites couches supplémentaires sur ladite seconde couche et avec les gaines de chaque couche supe- rieure sur la gaine de la couche au-dessous, à souder les joints entre chaque gaine de chaque couche, en commen çant par les gaines de la seconde couche et la gaine de la couche au-dessous de ladite couche, à souder les joints entre chaque gaine à l'extrémité de chaque couche supplémentaire sur la branche voisine de ladite structure en forme de U de manière à former une unité essentiellement rigide de modules et de structures en forme de U, et à convertir ensuite la structure en forme de U en une bride de section générale rectangulaire.