Brevet FR2541810A1 — publié le 19840831

Assemblage combustible à tubes-guides refroidis pour un réacteur nucléaire L'invention concerne un assemblage combustible pour un réactet nucléaire, en particulier pour un réacteur nucléaire à eau sous pression. De tels assemblages combustibles sont constitués par un faiscea de crayons combustibles parallèles maintenus dans une ossature assurant 1 S rigidité de l'assemblage Cette ossature comporte des grilles entretoise pour le maintien transversal des crayons espacées suivant la longueur d l'assemblage correspondant à la direction axiale des crayons, des tubes rem plaçant certains crayons combustibles du faisceau et des embouts d'extrémi té fixés au moins sur certains tubes guides. Les tubes guides permettent le guidage de barres en matériau ab- sorbant les neutrons à l'intérieur de l'assemblage Certains de ces tubeî guides qui sont reliés à chacun des embouts par leurs extrémités assurent également la rigidité de l'assemblage D'autres tubes guides qui ne sont fi- xés qu'à l'un des embouts d'extrémité peuvent servir au maintien des gril- les entretoises, en plus de leur fonction de guidage. Les assemblages combustibles sont généralement disposés à la ver- ticale dans le coeur du réacteur, si bien que l'un des embouts d'extrémité constitue l'embout inférieur et l'autre embout l'embout supérieur de l'as- semblage. Le fluide de refroidissement du réacteur, c'est-à-dire l'eau sous pression, traverse le coeur de bas en haut et circule à l'intérieur des as- semblages en contact avec les crayons combustibles dont elle prélève les ca- lories. Les barres de matériau absorbant introduites dans les tubes gui- des sont rassemblées sous forme de grappes qu'on déplace dans leur ensemble à l'intérieur des assemblages pour régler la puissance du réacteur Ces bar- res cylindriques s'engagent dans les tubes guides avec un très faible jeu, si bien que l'eau de refroidissement ne circule pratiquement pas à l'inté- rieur des tubes guides Celà n'a d'ailleurs pratiquement pas d'inconvénient puisque les barres absorbantes s'échauffent peu et que le refroidissement par la surface extérieure du tube guide est suffisant. On connaît par ailleurs un nouveau type de réacteur nucléaire à rendement amélioré qui a été décrit dans la demande de brevet 82-18 012 du 27 Octobre 1982 déposée par la Société FRAMATOME, dans lequel on produit une variation du spectre neutronique dans le coeur, par introduction dans les assemblages d'un nouveau type de barres en matériau absorbant qui pro- duit une variation de spectre à la fois par diminution du volume d'eau dans les tubes guides et par absorption des neutrons de plus faible énergie De façon préférentielle, ces barres de variation de spectre sont en un maté- riau fertile tel que l'uranium appauvri en uranium 235. Dans ce cas, l'échauffement des barres en uranium appauvri qui sont le siège de réactions neutroniques conduisant par exemple à la forma- tion de matériaux fissiles à partir du matériau fertile est beaucoup plus important que dans le cas de barres de commande en matériau absorbant. Il devient nécessaire de provoquer une circulation d'eau à l'inté- rieur des tubes guides réservés pour les barres en matériau fertile. On a pensé à augmenter le jeu entre les tubes guides et les bar- res en matériau fertile ce qui va toutefois amener les barres à occuper une position excentrée dans le tube guide Le refroidissement de la barre de va- riation de spectre est alors dissymétrique, ce qui conduit à des risques de vaporisation de l'eau dans la zone voisine de la ligne de contact et par suite à une augmentation de la température de la barre entrainant la dégra- dation du matériau de gainage et des déformations. De façon plus générale, la structure actuelle des tubes guides des assemblages combustibles ne permet pas un refroidissement efficace de la barre de matériau absorbant introduite dans le tube guide Si cette bar- re est amenée à s'échauffer, par exemple dans le cas o elle est le siège de réactions neutroniques dégageant de la chaleur, la lame d'eau de faible épaisseur subsistant entre la barre de matériau absorbant et la surface in- térieure du tube guide peut entrer en ébullition, ce qui réduit encore les échanges thermiques permettant le refroidissement de la barre L'échauffe- ment de la barre peut alors conduire d'une part à des risques de caléfac- tion et de corrosion, d'autre part à sa déformation, ce qui rend difficile ou impossible son déplacement ultérieur dans le tube guide. Le but de l'invention est donc de proposer un assemblage combusti- ble à tubes-guides refroidis pour un réacteur nucléaire constitué par un faisceau de crayons combustibles parallèles maintenu dans une ossature com- portant des grilles entretoises pour le maintien transversal des crayons, des tubes guides remplaçant certains crayons du faisceau et servant au gui- dage de barres en matériau absorbant les neutrons à l'intérieur de l'assem- blage et des embouts fixés sur les extrémités d'au moins certains tubes gui- des, assemblage combustible qui permette un refroidissement efficace des barres de matériau absorbant sans que sa structure, son élaboration et son 41810 montage soient rendus beaucoup plus complexes que pour un assemblage combus- tible de l'art antérieur. Dans ce but, une partie au moins des tubes-guides comporte un en- semble de surfaces de guidage en saillie vers l'intérieur de ces tubes sur toute leur longueur, constituées chacune par repoussage de la paroi du tube correspondant permettant le guidage des barres et la réservation d'espaces de circulation pour le fluide de refroidissement, entre le tube et la barre en matériau absorbant. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décri- re à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un assemblage combustible pour un réacteur nucléaire à rendement amélioré tel que décrit dans la demande de brevet 82-18012 de la Société FRAMATOME. La figure 1 représente une vue en élévation de l'assemblage. La figure 2 représente une vue en coupe suivant AA de la figure 1. La figure 2 a représente une vue en coupe transversale d'un tube guide de l'assemblage représenté aux figures 1 et 2. La figure 3 représente une vue en coupe par un plan vertical de la partie inférieure de deux tubes guides. La figure 4 représente une variante de réalisation d'un tube gui- de d'un assemblage suivant l'invention. La figure 4 a représente une section transversale du tube guide re- présenté à la figure 4. La figure 5 représente une seconde variante d'un tube guide d'un assemblage suivant l'invention. La figure 5 a est une section transversale du tube guide représen- té à la figure 5. La figure 6 représente une troisième variante d'un tube guide d'un assemblage suivant l'invention. La figure 6 a est une section transversale du tube guide représen- té à la figure 6. Sur la figure 1, on voit un assemblage combustible destiné à un r 4 acteur nucléaire à rendement amélioré tel que décrit dans la demande de brevet 82-18012 de la Société FRAMATOE Un tel assemblage combustible com- porte des tubes guides pour le déplacement de grappes de variation de spec- tre comportant des crayons fertiles et d'autres tubes guides pour le dépla- cement de barres de commande de la puissance du réacteur. 2 54181 O L'assemblage combustible comporte un faisceau de crayons combusti- bles 1 maintenu transversalement par des grilles entretoises 2 espacées sui- vant la longueur des crayons qui correspond à la hauteur de l'assemblage, un embout inférieur 4 et un embout supérieur 5 ainsi qu'un ensemble de tu- bes guides 6 tous reliés à l'embout supérieur 5. L'embout supérieur 5 est solidaire d'une structure 7 servant de butée pour les grappes de crayons absorbant et permettant la fixation d'un cylindre 8 servant d'amortisseur hydraulique de fin de course pour le pom- meau 9 de la grappe de crayons fertiles de variation de spectre L'embout inférieur 4 est solidaire d'une pièce de centrage 3 de l'assemblage qui sert également à la protection du dispositif d'accrochage de l'assemblage sur le fond support de coeur. Sur la figure 2, on voit le réseau des crayons combustibles 1 dans toute la section de l'assemblage Certaines positions des crayons 1 sont occupées par des tubes guides 6 qui sont de deux types différents Les uns, tels que le tube 11, ont une section circulaire d'un type classique et permettent le guidage de barres de commande en matériau absorbant, pour le pilotage du réacteur L'ensemble de l'assemblage comporte seize tubes Il pour le guidage d'une grappe de crayons absorbants. Les autres, tels que le tube 10, ont une section quadrifoliée et sont utilisés pour le guidage des barres de crayons fertiles de variation' de spectre, en uranium appauvri L'ensemble de l'assemblage comporte quaran- te tubes guides tels que 10 permettant le guidage de la grappe de barres de variation de spectre. Comme indiqué dans la demande de brevet français 82-18012, la grappe de barres de pilotage et la grappe de variation de spectre sontmon- tées de façon coaxiale. Sur la figure 2 a on voit un tube à section quadrifoliée 10 à l'in- térieur duquel est engagée une barre de variation de spectre 12 comportant une gaine 13 et un remplissage d'uranium appauvri 14 Entre la gaine 13 et le remplissage d'uranium 14 est ménagé un jeu de très faible épaisseur 15 permettant la dilatation ou le gonflement de l'uranium 14. La section quadrifoliée du tube guide 10 comporte quatre surfaces de guidage 16 a, 16 b D 16 C et 16 d en saillies vers l'intérieur du tube guide 10, sur toute la longueur de celui-ci Ces surfaces de guidage 16 sont cons- tituées par repoussage de la paroi du tube 10 vers l'intérieur suivant qua- tre génératrices, par exemple à l'aide d'un galet de formage ou par passage dans une filière La barre de variation de spectre 12 est guidée par les saillies 16 lors de son déplacement dans le tube guide Quatre espaces de circulation d'eau 17 a'17 b, 17 c, 17 d sont ménagés entre la surface intérieu- re du tube 10 et la surface extérieure de la gaine 13 de la barre de varia- tion de spectre, entre deux saillies 16 successives A l'intérieur de ces espaces 17 l'eau de refroidissement peut circuler et refroidir la surface extérieure de la barre fertile 12. Sur la figure 3, on voit l'embout inférieur 4 de l'assemblage per- cé de trous 20 et 21 en face de deux tubes guides 6 a et 6 b- Le trou 20 permet la fixation de l'extrémité du tube guide 6 a sui: l'embout 4 par l'intermédiaire d'une douille creuse filetée démontable 22 venant se visser à l'intérieur de l'extrémité 23 du tube 6 a. L'extrémité du tube 6 b n'est pas fixée sur l'embout inférieur 4 et le trou 21 sert uniquement pour le passage de l'eau de refroidissement vers l'intérieur de l'assemblage. Sur tous les tubes 6 sont enroulés en hélice des fils métalliques 24 permettant d'améliorer le refroidissement des tubes guides par leur sur- face extérieure en cassant la couche limite froide qui a tendance à se for- mer autour des tubes guides lors de la circulation de l'eau de refroidisse- ment Ces fils enroulés en hélice sur tous les tubes guides et fixés à la partie inférieure et à la partie supérieure de ces tubes permettent donc d'homogénéiser la température de l'eau de refroidissement en circulation dans l'assemblage. En se reportant à la figure 2, on voit que pour l'ensemble de l'assemblage, on utilise vingt-quatre tubes guides tels que 6 a reliés à la fois à l'embout supérieur et à l'embout inférieur et participant à la rigi- dification de l'ossature de l'assemblage Ces tubes 6 a sont constitués par l'ensemble des tubes 11 de guidage des barres de commande et certains des tubes 10 de guidage des barres de variation de spectre. Les autres tubes 10 de guidage des barres de variation de spectre sont tous des tubes 6 b qui, outre la fixation des grilles entretoises, assu- rent principalement le guidage des barres de variation de spectre. Sur les figures 4 et 4 ai on voit une première variante de réalisa- tion des tubes 10 pour le guidage des barres de variation de spectre Ces tubes comportent trois surfaces de guidage 26 dirigées suivant trois généra- trices à 1200 du tube constituées par repoussage de la paroi du tube le long de ces trois génératrices On voit sur la figure 4 a que ces surfaces de guidage de la barre 27 permettent de réserver trois espaces de circula- tion de l'eau de refroidissement. Sur les figures 5 et 5 ae on voit une seconde variante de réalisa- tion d'un tube guide d'un assemblage suivant l'invention o la paroi du tu- be guide présente des surfaces de guidage 36 disposées suivant trois files ayant la direction de trois génératrices & 120 du tube. Ces trois files discontinues constituent dans leur ensemble un guidage pratiquement continu sur toute la longueur du tube, tout en réser- vant un espace continu de circulation d'eau de refroidissement entre la bar- re de variation de spectre 37 et la paroi du tube Comree précédemment, les saillies de guidage 36 vers l'intérieur du tube sont obtenues par repoussa- ge de la paroi de ce tube, par exemple grâce à un galet. Sur les figures 6 et 6 ai on voit une troisième variante de réali- sation d'un tube guide suivant l'invention dont la paroi comporte un ensem- ble 46 de surfaces de guidage en saillies vers l'intérieur du tube et dispo- sées suivant une hélice ayant pour axe l'axe du tube Cette surface en sail- lie 46 permet le guidage de la barre de variation de spectre 47 tout en mé- nageant un espace continu de circulation d'eau de refroidisseisnt autour de cette barre 47, La surface 46 en saillie vers l'intérieur du tube est obtenue par repoussage de la paroi du tube Cette opération peut Gtre obtenue en fai- sant tourner le tube et en le déplaçant en translation suivant son axe sous un galet de formage ou en passant dans une filière réalisant la déformation en hélice. On voit que les principaux avantages de l'assemblage combustible suivant l'invention sont de permettre un refroidissement efficace des bar- res de matériau absorbant déplacées dans les tubes guides tout en évitant de compliquer les opérations de formage et de montage des tubes guides dans l'assemblage. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on peut prévoir des surfaces de guidage en saillie dans la paroi des tubes guides d'une forme et d'une répartition différentes de celles qui ont été décrites. On peut également prévoir une répartition des tubes participant à la rigidification de l'assemblage différente de celle qui a été décrite. Enfin, l'assemblage combustible suivant l'invention peut être uti- lisé non seulement dans un réacteur nucléaire à rendement amélioré compor- tant des grappes de variation de spectre, mais également dans tout autre ty- pe de réacteur nucléaire o peut se produire un échauffement et une déforma- tion des barres de commande déplacées dans les tubes guides des assemblages. REVENDICATIONS lo Assemblage combustible à tubes-guides refroidis pour un réac- teur nucléaire constitué par un faisceau de crayons combustibles parallèles maintenu dans une ossature comportant des grilles entretoises ( 2) pour le maintien transversal des crayons ( 1), des tubes guides ( 6) remplaçant cer- tains crayons ( 1) du faisceau et servant au guidage de barres ( 12) en maté- riau absorbant les neutrons à l'in Lérieur de l'assemblage-et des embouts ( 4, 5) fixés sur les extrémités d'au moins certains tubes guides ( 6), caractérisé par le fait qu'une partie au moins des tubes guides ( 6) compor- i 0 te un evsemble de surfaces de guidage ( 16) en saillies vers l'intérieur de ces tubes ( 10) sur toute leur longueur, constituées chacune par repoussage de la paroi du tube ( 10) correspondant, permettant le guidage des barres ( 12) et la réservation d'espaces de circulation ( 17) pour le fluide de re- froidissemrent, entre le tube ( 10) et la barre ( 12) en matériau absorbant. 2 Assemblage combustible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces de guidage en saillie ( 26) sont di- rigées suivant un ensemble d'au moins trois génératrices du tube ( 10) et sont continues sur toute la longueur du tube ( 10)o 3. Assemblage combustible suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les surfaces en saillie ( 16) sont dirigées sui- vent quatre génératrices à 90 du tube ( 10)o 4 Assemblage combustible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces en saillie ( 36) sont dirigées sui- vent au moins trois génératrices du tube ( 10), sont discontinues et dispo- sées, dans leur ensemble, sensiblement sur: toute la longueur du tube ( 10)o Assemblage combustible suivant la revendication 1, - caractérisé par le fait que l'ensemble de surfaces de guidage ( 46) est diri- gé suivant une hélice ayant pour axe l'axe du tubes suivant laquelle il est continu sur toute la longueur du tube ( 10)o 6 Assemblage combustible suivant-l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, dans le cas d'un réacteur nucléaire à variation de spectre, caractérisé par le fait que les barres absorbant les neutrons sont consti- tuées par un matériau fertile ( 14) disposé à l'intérieur d'une gaine ( 13) permettant le guidage de la barre ( 12) par sa surface externe sur une surfa- ce en saillie ( 16). 7. Assemblage combustible suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'une partie des tubes guides ( 11) servant au gui- dage des barres de pilotage du réacteur a une section circulaire uniforme. 8. Assemblage combustible suivant l'une quelconque des revendica. tions i ( 6).