Brevet FR2541809A1 — publié le 19840831

Assemblage combustible pour un réacteur nucléaire L'invention concerne un assemblage combustible pour un réacteu nucléaire dont les crayons combustibles sont fixés sur l'embout inférieu de l'assemblage. Les assemblages combustibles pour réacteurs nucléaires et en par ticulier les assemblages combustibles pour les réacteurs nucléaires à eai sont constitués par un faisceau de crayons combustibles parallèles mainte nus par une structure constituée par des grilles entretoises, deux embout d'extrémité et des tubes guides reliant les grilles entretoises et les em bouts. Les crayons combustibles de forme cyclindrique et de grande lon gueur sont engagés dans les grilles entretoises qui les maintiennent en po sition dans le faisceau. Les grilles entretoises réalisent généralement à la fois le main tien transversal et le maintien axial des crayons dont la longueur est infé rieure à la longueur des tubes guides qui se substituent à certains crayon: de l'assemblage Les extrémités des crayons sont donc libres et situées une certaine distance des embouts. Pour réaliser à la fois la fixation axiale et transversale de: crayons grâce aux grilles entretoises, il est nécessaire d'utiliser des res- sorts exerçant une force transversale importante sur les crayons. Pour améliorer le rendement neutronique du coeur du réacteur, oi utilise généralement un alliage de zirconium à faible absorption neutroni- que pour constituer les grilles de l'assemblage. Cependant, les ressorts doivent être réalisés en alliage de ni- ckel pour qu'il soit possible d'obtenir des propriétés élastiques et mécani- ques suffisantes du ressort sous irradiation. On a donc songé à séparer les fonctions de maintien transversal et de maintien axial des crayons en fixant ceux-ci à l'une de leurs extrémi- tés, sur l'embout inférieur de l'assemblage Celà a cependant l'inconvé- nient de compliquer la structure de l'embout inférieur, de rendre plus mal aisé son démontage et de diminuer la section de passage du fluide primair E dans l'assemblage. Le but de l'invention est donc de proposer un assemblage combusti- ble pour un réacteur nucléaire constitué par un faisceau de crayons combus- tibles cylindriques sur une partie au moins de leur longueur, parallèles el maintenus par une structure constituée par des grilles entretoises transver- sales par rapport aux crayons, par deux embouts d'extrémité transversaux et par des tubes guides reliés aux grilles entretoises et aux embouts se subs- tituant à certains crayons du faisceau, les crayons étant fixés à l'une de leurs extrémités sur l'un des embouts disposés à la partie inférieure de l'assemblage, lorsque cet assemblage est en position verticale de service dans le coeur du réacteur, cet assemblage combustible devant avoir un em- bout inférieur d'une structure simple permettant un démontage facile et une section de passage de fluide primaire suffisante, tout en permettant un maintien axial et transversal efficace des crayons. Dans ce but, l'assemblage comporte en outre une plaque de fixa- tion superposée à l'embout inférieur et fixée sur celui-ci contre sa face supérieure comportant des orifices sur toute son épaisseur correspondant chacun, en diamètre et position, à un crayon combustible et débouchant dans des rainures parallèles correspondant chacune à une rangée de crayons, usi- nées sur la surface inférieure de la plaque en contact avec l'embout qui est lui-même percé de trous en face de chacun des crayons, et chaque crayon comporte une partie inférieure dont la section transversa- le présente trois branches à 1200, chacune des expansions radiales corres- pondantes se terminant vers le bas par un rebord saillant dans la direction radiale par rapport au contour de la partie cylindrique du crayon, les crayons traversant la plaque de fixation de façon que leur partie inférieu- re saillante d'une hauteur sensiblement égale à la profondeur des rainures soit disposée dans la rainure correspondante pour leur blocage en rotation et leur fixation axiale entre l'embout et la plaque de fixation. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décri- re un assemblage combustible suivant l'invention utilisé dans le cas d'un réacteur nucléaire à rendement neutronique amélioré La figure 1 représente une vue en élévation latérale avec coupe partielle d'une partie d'un assemblage combustible suivant l'invention. La figure 2 représente une vue partielle suivant CC de la figure 1. La figure 3 représente une vue en coupe verticale suivant AA de la figure 2. La figure 4 représente une vue en coupe suivant BB de la figure 2. Sur la figure 1, on voit un assemblage combustible utilisé dans un réacteur nucléaire à rendement amélioré tel que décrit dans la demande de brevet N 082-18012 de la demanderesse. Cet assemblage comporte un ensemble de crayons combustibles 1 constitués par un tube de gainage renfermant des pastilles de matériau com- bustible Le tube est fermé à son extrémité inférieure par un bouchon 2 et à son extrémité supérieure par un bouchon 3 La zone la du crayon située juste au-dessus du bouchon inférieur 2 est remplie de matériau fertile rem- plaçant le matériau combustible fissile remplissant la zone médiane du crayon Il en est de même de la zone lb située en-dessous du bouchon supé- rieur 3 du crayon. On constitue ainsi dans chacun des assemblages et pour tout le coeur, une couverture supérieure et une couverture inférieure de matériau fertile permettant d'améliorer le rendement neutronique du réacteur comme il est décrit dans la demande de brevet 82-18012. Les crayons 1 sont maintenus dans une structure constituée par des grilles entretoises 5 de maintien transversal des crayons 1, l'embout inférieur 6, l'embout supérieur 8 et les tubes guides 7 reliés aux grilles et fixés à l'une de leurs extrémités sur l'embout inférieur 6 et à-leurs autres extrémités sur l'embout supérieur 8 Les tubes guides 7 assurent ain- si le maintien et la rigidité de la structure de support des crayons 1. Les tubes guides 7 sont fixés dans des orifices traversant les em- bouts 6 et 8, par une partie d'extrémité taraudée surtlaquelle on peut enga- ger la partie filetée d'une douille 9 (pour l'embout inférieur) ou 10 (pour l'embout supérieur). Après vissage des douilles 9 et 10 dans les extrémités taraudées des tubes guides 7, on réalise le blocage en rotation de ces douilles. L'assemblage combustible est fixé par sa partie inférieure sur la plaque inférieure de coeur 12 par un dispositif à commande centrale 13 re- présenté sommairement sur la figure lo Ce dispositif de fixation de la partie inférieure de l'assemblage a fait l'objet d'une demande de brevet N 81-22754 de la Société FRAMATONE. En se reportant aux figures 1, 2, 3 et 4, on va maintenant décri- re le dispositif de fixation de la partie inférieure des crayons combusti- bles sur l'embout inférieur 6. Le bouchon inférieur 2 des crayons combustibles est usiné sur la plus grande partie de sa longueur suivant une section visible sur la figure 2 présentant trois branches radiales 2 a, 2 b et 2 c à 1200, Chacune de S expan- sions radiales correspondant aux branches 2 a, 2 b et 2 c comporte de plus à sa partie inférieure un rebord 15 en saillie par rapport à la section circu- 4 254 ' 09 o laire du crayon dans sa partie cylindrique dans laquelle siinscrit la sec- tion du bouchon, à l'exception des parties saillantes dans la direction ra- diale 15, Une plaque de fixation 14 vient reposer par sa face inférieure sur la face supérieure de l'embout 6 sur lequel cette plaque 14 est fixée par des douilles creuses filetées 16 engagées dans des lumières 17 traver- sant l'embout inférieur 6 Chacune des lumières 17 comporte un épaulement 17 a sur lequel vient en appui la tête 16 a de la douille 16. La partie filetée 16 b de la douille 16 vient se visser dans un trou taraudé ménagé dans la plaque 14 dans le prolongement de la lumière 17 de l'embout 6 Après vissage de la douille 16: on effectue son blocage en rotation par déformation d'une collerette supérieure 16 c prolongeant la tête 16 a de la douille, dans des embrèvements prévus à l'entrée de la lumiê- re 17. On peut ainsi fixer de façon parfaitement stable la plaque 14 sur l'embout 6. La plaque 14 comporte des orifices 18 d'un diamètre sensiblement égal au diamètre de la partie cylindrique des crayons combustibles 1 et dans des positions correspondant aux positions des crayons du faisceau - Dans le prolongement de chacun des crayons et des orifices 18, l'embout 6 est également traversé par des trous 20 d'un diamètre voisin de celui des crayonc. L'embout 6 comporte donc trois sortes de perçages le traversant de part en part, les orifices de fixation des tubes guides, les lumières-de passage des douilles creuses de fixation I 6 de la plaque 14 et les trous 20 permettant le passage de l'eau de refroidissement du réacteur autour de la partie inférieure des crayons 1 o Les douilles creuses 16 permettent égaie- ment le passage de l'eau de refroidissement. De meme la plaque de fixation 14 comporte trois sortes de perça- ge la traversant de part en part, les trous de passage des tubes guides 7, les orifices 18 de fixation des crayons combustibles 1 et les trous tarau- dés pour le vissage des douilles 16. La surface inférieure de la plaque de fixation 14 présente d'au- tre part un ensemble de rainures 21 parallèles les unes aux autres et cor- respondant chacune à une rangée de crayons combustibles Les orifices 18 de passage de la partie inférieure des crayons débouchent à leur partie infé- rieure à l'intérieur des rainures 21. Comme il est visible sur la figure 1, la profondeur des rainures 254 1809 21 correspond à la hauteur du rebord radial 15 ménagé sur les bouchons des crayons combustibles 1 Dans le cas d'un assemblage Rour réacteur nucle aire à rendement amélioré tel que décrit, cette profondeur est de 5 mm L dimension dans la direction radiale des rebords 15 est de 2 mm. La largeur des rainures 21 usinées sur la surface inférieure d la plaque 14 est choisie de façon que l'une des branches radiales de la par tie inférieure du crayon soit perpendiculaire à l'axe de la rainure, coma il est visible sur la figure 2 Les trois branches étant à 1200, l'axe d crayon est quelque peu décalé par rapport au plan médian de la rainure, s bien qu'il est nécessaire de prévoir des embrèvements cylindriques 24 dan une paroi de la rainure, pour pouvoir effectuer la mise en place de crayons sur la plaque 14. Dans le cas d'un assemblage ayant des crayons d'un diamètre di 9,5 mm, la largeur de la rainure est de 8 mm. Nous allons maintenant décrire les opérations nécessaires pour 1 l montage et la fixation des crayons dans l'assemblage, On effectue ce montage sur un assemblage dont la structure compor- te l'embout supérieur, les tubes guides et les plaques entretoises, l'em- bout inférieur n'étant pas encore mis en place. On commence par la mise en place de la plaque de fixation 14 sui l'extrémité inférieure des tubes guides, la plaque 14 comportant un réseau de trous correspondant à la position de ces tubes guides On enfile alors les crayons dans la plaque de maintien 14 et dans les grilles entretoises , ces crayons étant arrêtés par les rebords 15 des bouchons inférieurs 2 qui viennent buter sur le fond des rainures 21 usinées dans la plaque de fi- xation 14 Les crayons ne peuvent être mis en place que d'une seule façon dans les rainures qui assurent leur blocage en rotation. On met alors en place l'embout inférieur 6 sur les extrémités des tubes guides, la plaque 14 venant alors reposer sur la surface supérieure de l'embout 6 On fixe alors l'embout inférieur sur les tubes guides grâce aux douilles filetées 9 qui sont bloquées en rotation en fin de vissage dans l'extrémité des tubes guides. On fixe alors la plaque 14 sur l'embout 6 grâce aux douilles file- tées 16 qui sont également bloquées en rotation en fin de vissage grâce à la collerette 16 c qui est déformée à l'intérieur d'embrèvements prévus dans l'embout 6. Les crayons 1 sont alors parfaitement immobilisés dans l'assembla- ge tant en translation axiale qu'en rotation Ces crayons sont maintenus la- téralement par les grilles 5 qui ne comportent que des bossettes de main- tien des crayons et non plus des ressorts en Inconel comme les grilles en- tretoises des assemblages de l'art antérieur. Les essais de la demanderesse ont montré que les crayons ainsi fi- xés ne sont pas soumis à des régimes de vibration anormaux dans le réacteur en fonctionnement. D'autre part, ces crayons sont parfaitement maintenus dans la di- rection axiale par la plaque de fixation M 4 Cependant, la section de passa- ge de l'eau de refroidissement dans l'assemblage reste importante grâce à la forme des bouchons inférieurs qui permet le passage de l'eau à travers l'embout et la plaque de fixation, dans une section comparable à la section du crayon et grâce aux douilles creuses 16 e Enfin, le démontage de l'embout inférieur et des crayons est ex- trêmement facile puisqu'il suffit de dévisser les douilles d'assemblage 16 de la plaque 14 et les douilles d'assemblage 9 des tubes guides 7 Au cours du dévissage, la collerette de la douille se déforme pour supprimer le blo- cage en rotation de ces douilles. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on peut concevoir d'autres moyens de fixation de la plaque 14 sur l'embout 6, à partir du moment o ces moyens de fixation permettent un démontage aisé comme les douilles qui ont été décrites. On peut également concevoir une forme de la partie profilée du bouchon inférieur des crayons un peu différente de celle qui a été décrite, pourvu que cette forme permette une orientation et un blocage en rotation des crayons dans les rainures. Enfin, l'assemblage suivant l'invention s'applique non seulement dans le cas des réacteurs nucléaires à rendement amélioré o le coeur com- porte une couche de matériau fertile à sa partie supérieure et à sa partie inférieure, mais également dans le cas de tous les réacteurs nucléaires o l'on cherche à améliorer le bilan neutronique en diminuant la quantité de matériau absorbant les neutrons dans les assemblages combustibles. REVENDICATIONS 1. Assemblage combustible pour un réacteur nucléaire constitué par un faisceau de crayons combustibles ( 1) cylindriques sur une partie au moins de leur longueur, parallèles et maintenus par une structure consti- tuée par des grilles entretoises ( 5) transversales par rapport aux crayons ( 1), par deux embouts d'extrémité ( 6) et ( 8) transversaux et par des tubes guides ( 7) reliés aux grilles entretoises ( 5) et aux embouts ( 6) et ( 8) se substituant à certains crayons ( 1) du faisceau, les crayons ( 1) étant fixés à l'une de leurs extrémités ( 2) sur l'un des embouts ( 6) disposés à la par- tie inférieure de l'assemblage, lorsque cet assemblage est en position ver- ticale de service dans le coeur du réacteur, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une plaque de fixation ( 14) superposée à l'embout inférieur ( 6) et fixée sur celui-ci contre sa surface supérieure, comportant des orifices ( 18) sur toute son épaisseur correspon- dant chacun en diamètre et position à un crayon combustible ( 1) et débou- chant dans des rainures parallèles ( 21) correspondant chacune à une rangée de crayons usinées sur la surface inférieure de la plaque ( 14) en contact avec l'embout ( 6) qui est lui-même percé de trous ( 20) en face de chacun des crayons ( 1), et que chaque crayon ( 1) comporte une partie inférieure ( 2) dont la section transversale présente au moins trois branches radiales ( 2 e, 2 b et 2 c) à , chacune des expansions radiales correspondantes se terminant vers le bas par an rebord ( 15) saillant dans la direction radiale par rapport au contour de la partie cylindrique du crayon ( 1), les crayons ( 1) traversant la plaque de fixation ( 14) de façon que leur partie inférieure saillante ( 15) d'une hauteur sensiblement égale à la profondeur des rainures ( 21) soit disposée dans la rainure ( 21) correspondante pour leur blocage en rota- tion et leur fixation axiale entre l'embout ( 6) et la plaque de fixation ( 14). 2 Assemblage combustible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la plaque de fixation ( 14) est fixée sur l'em- bout ( 6) par l'intermédiaire de douilles creuses filetées ( 16) placées à l'intérieur de lumières ( 17) traversant l'embout ( 6), vissées dans des trous taraudés de la plaque ( 14) et comportant une collerette déformable ( 16 c) pour son blocage en rotation par déformation de la collerette dans des embrèvements prévus dans l'embout ( 6). 3. Assemblage combustible suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, É 541809 caractérisé par le fait que les crayons combustibles ( 1) comportent, audes- sus du bouchon inférieur ( 2) et en-dessous du bouchon supérieur ( 3), respec- tivement, du matériau fertile sur deux zones (la) et ( 1 b) d'épaisseur fai- ble par rapport à la longueur du crayon. 4 Assemblage combustible suivant l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que les grilles entretoises ( 5) ne comportent que des excroissances latérales ou bossettes pour le maintien transversal des crayons ( 1)i HUIT PA 4 GES FR"IATO O E & Cie