Brevet FR2560422A1 — publié le 19850830

La présente invention concerne les ensembles combustibles pour réacteur nucléaire et notamment des ensembles combustibles ayant plusieurs aiguilles qui sont contenues dans une enveloppe tubulaire hexagonale et stabilisées par une série de grilles espacées. De tels ensembles sont utilisés notamment dans les réac- teurs à neutrons rapides, refroidis par un métal liquide. Habituellement, des ensembles ayant une enve- loppe hexagonale ne comportent pas d'aiguilles de combus- tible aux coins de la configuration hexagonale. Ceci est du au fait soit que le refroidissement est difficile à cet emplacement, soit que cet emplacement est néces- saire à la disposition d'organes du bâti, par exemple des montants de coins, destinés à maintenir les grilles à distance les unes des autres (comme représenté par exemple par l'organe 17 de la figure 2 du brevet britan- nique n 2 079 033 B). Il est préférable qu'une aiguille de combustible soit disposée à cet emplacement afin que la puissance disponible soit maximale, et l'inven- tion est destinée à une telle réalisation. En outre, on a observé qu'une enveloppe ayant simplement une fonction de protection et ayant une fonction minimale de support mécanique pouvait présenter des avantages, car elle permettait la sélection de maté- riaux plus divers pour l'enveloppe et en particulier elle permettait la sélection de matériaux ne gardant pas de bonnes caractéristiques mécaniques sous irradia- tion. De tels matériaux, par exemple ceux qui se fragi- lisent sérieusement sous rayonnement, auraient été rejetés jusqu'à présent comme ne tolérant pas le soudage ou le perçage en vue du raccordement à d'autres organes (tels que décrits). On connait déjà l'utilisation, dans les réac- teurs refroidis par eau, d'organes longitudinaux de support comme organes d'espacement des aiguilles de combustibles (comme décrit dans le brevet britannique n 1 137 621), mais ces organes sont placés aux coins de l'enveloppe ou du boitier externe et seraient inac- ceptables dans le type d'ensemble combustible que con- cerne l'invention car le courant du fluide de refroidis- sement dans les coins de l'arrangement hexagonal des aiguilles combustibles serait limité de façon excessive. L'invention concerne un ensemble combustible du type décrit précédemment, ayant une structure perfec- tionnée de support des aiguilles qui permet l'introduc- tion d'aiguilles aux coins et qui permet l'utilisation, pour l'enveloppe, de matériaux qui poseraient par ail- leurs des problèmes dans les situations nécessitant un soudage ou une fixation mécanique des grilles à l'enve- loppe à des emplacements auxquels les flux neutroniques sont importants. Plus précisément, l'invention concerne un ensemble combustible pour réacteur nucléaire, du type qui comprend plusieurs aiguilles placées dans une enve- loppe de section hexagonale et stabilisées par une série de grilles espacées formant une structure cellu- laire, l'ensemble étant caractérisé en ce que plusieurs éléments sont disposés suivant la longueur de l'enve- loppe, entre les sommets de l'enveloppe et sont fixés aux grilles afin que, avec celles-ci, ils forment une structure ayant la configuration d'une cage, à l'inté- rieur de l'enveloppe. Cet arrangement ne nécessite pas l'occupation d'une grande section dans les zones occupées par les grilles, si bien que la totalité de la section des grilles peut être traversée uniformément par des ai- guilles combustibles. En particulier, l'emplacement des éléments, entre les sommets, permet l'utilisation d'aiguilles aux coins sans que la circulation du fluide de refroidissement soit gênée dans les régions des coins. La construction en forme de cage permet des réalisations dans lesquelles l'accès des électrodes de soudage des parties de grilles à la cage ne pose pas de problèmes. La cage n'exerce qu'une résistance très faible et acceptable à la circulation du fluide refroidi dans l'ensemble et ne crée qu'une très faible turbulence. Les réalisations des soudures peuvent être choisies afin qu'elles tolèrent bien les forces de traction. L'enveloppe peut être formée d'un matériau n'ayant qu'une faible capacité de résistance aux forces. L'invention est surtout intéressante dans le cas d'ensembles ayant des grilles délimitant des cellules unitaires aux périphéries des grilles, car ces cellules peuvent être réalisées afin qu'elles comportent des pattes solidaires ou d'autres parties solidaires exposées pour le soudage à des parties repliées de la cage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'une partie d'un ensemble combustible selon l'invention; la figure 1A est une coupe partielle agrandie de la figure 1, dans la région A de celle-ci; la figure 2 est une perspective d'un détail d'une partie de la cage de la figure 1; la figure 3 est une perspective agrandie sim- plifiée d'une partie de la figure 2 représentant une cellule unitaire et une partie d'une branche d'une cage; la figure 4 est une élévation de l'extrémité inférieure de l'ensemble combustible de la figure 1, représentant la fixation à la cage indiquée en coupe; la figure 5 est une perspective d'un autre mode de réalisation de cellule unitaire; la figure 6 est une coupe analogue à la figure 1, représentant une variante de structure de cage, les éléments analogues portant des références identiques à celles de la figure 1; la figure 7 est une perspective d'une branche latérale d'une variante de structure en forme de cage; la figure 8 est une perspective partielle représentant le soudage par point d'un bord de grille et de cellules des coins à des branches latérales; la figure 8A est analogue à la figure 8 mais elle représente une variante des branches latérales; et la figure 9 est une coupe longitudinale schéma- tique d'un ensemble combustible ayant une structure de cage en deux parties, les éléments analogues portant les mêmes références numériques que sur les autres figures. Les figures 1 et 1A représentent un ensemble combustible pour réacteur nucléaire ayant plusieurs aiguilles combustibles 10 (par exemple 271) disposées dans une enveloppe tubulaire hexagonale 11 et stabilisées par une série de grilles espacées 12 (une seule étant représentée) par rapport auxquelles les aiguilles 10 peuvent coulisser, en fonction de leur dilatation ther- mique différente. L'enveloppe a une cage interne 13 de support ayant des parties 14 repliées vers le haut, au contact des parois 15 des cellules unitaires 16, à la périphérie de la grille 12, l'ensemble de la grille étant aussi formé de cellules unitaires, bien que ceci ne soit pas primordial. Sur la figure 1, un premier coin de l'enveloppe 11 est représenté. Ce coin est libéré de la cage 13 et on note (contrairement aux réalisations antérieures) qu'une aiguille combustible 10A se loge dans la position du coin. Les aiguilles combustibles sont positionnées dans les cellu].es unitaires de la grille par des fos- settes 18. La cage 13 est constituée de six branches verticales 20 solidaires de colliers supérieurs et infe- rieurs. La figure 2 représente une branche 20 de la cage 13. Elle représente aussi les parties repliées 14 et une cellule unitaire périphérique 16 qui est écartée et qui est destinée à être placee entre deux parties repliées 14. La cellule 16 a des pattes 21 qui sont utilisées pour son soudage par point aux parties re- pliees. La figure 3 représente une branche 20 de la cage, n'ayant qu'une seule partie repliée 14. Une seule cellule unitaire périphérique 16 ayant des pattes 21 est representée en position "éclatéet" par rapport à la partie repliée 14. Des points de soudure 22 sont indiqués pour la connexion des pattes 21 et des parties repliées 14. L'accès des électrodes de soudage ne pose pas de problmes et les soudures formées ont une bonne résistance mécanique aux forces de traction. Sur la figure 4, la grille inférieure 12 de l'ensemble combustible est représentée soudée par points en 42 au niveau des cellules unitaires 16, à une grille inférieure d'appui 40 qui est fixée dans une enveloppe 12, les extrémités inférieures des aiguilles combustibles étant ancrées sur la grille 40. Les branches 20 de la cage 13 se terminent au niveau d'un axe 41 au-dessus duquel elle sont soudées aux pattes 21 des cellules de la grille inférieure 12. Il faut noter que le seul point d'accrochage de la cage à l'enveloppe se trouve à l'extrémité inférieure de celle-ci, c'est-à-dire dans une position dans laquelle le flux neutronique est relativement faible si bien que la fragilisation par rayonnement du matériau de l'enveloppe ne pose pas de problèmes importants. La figure 5 représente une cellule unitaire périphérique 50 (qui peut remplacer les cellules 16 de la figure 3) qui a une partie découpée 51 qui forme en fait deux pattes 52 de raccordement au niveau des- quelles des soudures 53 peuvent être réalisées sur les parties repliées 54. Une fossette 55 (il en existe trois au total) est représentée dans la paroi de la cellule afin que l'aiguille combustible soit positionnée dans la cellule. La longueur de la cellule 50 est choisie afin qu'elle soit égale à la profondeur de la grille dans laquetle elle est disposée. Cette cellule 50 permet l'utilisation de l'appareillaqe existant de soudiage de grille afin que la cellule 50 soit soudie aux parties repliées 54. Les figures 6 a 8 représentent une variante de structure de cage. Dans ce mode de réalisation, les branches 20 de la cage ont des parties plastiquement déformables 60 destinées à être en appui contre les faces internes de l'enveloppe et assurant un support latéral élastique de la cage à l'intérieur de l'enve- loppe. Ainsi, comme representé, les parties déformées peuvent être des cavités formées par emboutissage, le long de la branche latérale 20, près de ses bords. Les branches 20 ont aussi des flasques 62, à leurs bords, destinés à faciliter le soudage par points au raccord entre chaque cellule de coin 64 et les cellules adjacentes 16 des bords, de part et d'autre. Comme décrit précédemment, les cellules 16 des bords ont des pattes 21 de raccordement qui sont soudées par points en 22 sur les parties repliées 14. Aux raccords des cellules des coins et des bords, les pattes de raccordement 21A, 66 d'une cellule de bord et d'une cellule de coin ont des longueurs différentes, si bien qu'une patte dépasse au-delà de l'autre et vient en recouvrement avec le flasque 52. Cette disposition permet la réalisation de points de soudure 22A entre les pattes 21A, 66 de raccordement et le point 68 de soudure entre la patte 21A et le flasque 62, dans une double épaisseur du matériau et non dans une triple épaisseur. Un arrangement analogue de soudure dans une double épaisseur peut être adopté entre les cellules adjacentes des bords, par réalisation avec des pattes de raccordement de longueurs différentes et par modifica- tion des parties repliées 14 afin qu'elles ne recouvrent que les pattes les plus longues. Cette disposition est représentée sur la figure 8A sur laquelle on note que les parties repliées 14 sont interrompues afin que les côtés les plus courts des cellules des bords puissent se loger entre les parties supérieure et inférieure 14A, 14B, alors que les côtés les plus longs des cellules des bords recouvrent ces parties 14A, 14B. Ainsi chaque longue patte 80 de raccordement est soudée par points en 82 sur une partie respective 14A ou 14B alors que la patte plus courte 84 est soudée par points en 86 sur la patte adjacente longue 80. Dans tous les modes de réalisation décrits précédemment, on note que les parties 14 de chaque bran- che latérale 20 dépassent vers l'intérieur de l'enveloppe et dans la structure cellulaire décrite, sans empiétement sur les sections ouvertes des cellules. Les zones des branches latérales 20 qui sont placées entre les jeux de parties repliées 14 peuvent etre munies de nervures de renforcement, bien que cette caractéristique ne soit pas représentée sur les dessins. La figure 9 représente une autre variante dans laquelle une cage a une structure en deux parties, une cage inférieure ayant des tranches latérales 20A et une cage supérieure ayant des branches latérales 20B. La cage inférieure est fixée à l'enveloppe 11 par une grille inférieure 40 d'appui et de support alors que la cage supérieure est fixée par une structure 70 de support placée sous une grille 72 de support d'aiguilles mixtes. Les cages inférieure et supérieure sont fixées a l'enveloppe uniquement à leur extrémité inférieure et supérieure respectivement, et elles sont séparées par un espace 74 permettant la compensation des différences de dilatation thermique des cages. En outre, cet espace constitue un emplacement commode auquel l'enveloppe 11 peut être découpée lors du démantèlement ultérieur du sous-ensemble en vue du retraitement du combustible irradié. REVENDICATIONS 1. Ensemble combustible pour réacteur nucléaire, du type qui comprend plusieurs aiguilles (10) placées dans une enveloppe (11) de section hexagonale et stabi- lisées par une serie de grilles espacées (12) ayant une structure cellulaire, caractérisé en ce que plusieurs éléments (20) sont disposés le long de l'enveloppe (11) à des emplacements compris entre les sommets de l'enveloppe et sont fixés aux grilles (12) afin qu'ils forment, avec les grilles, une structure en forme de cage à l'intérieur de l'enveloppe. 2. Ensemble selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chaque grille comprend une cellule (16) de logement d'aiguilles, à chaque sommet de l'enveloppe. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque élément (20) com- porte des saillies (14) dirigées vers l'intérieur à chaque emplacement de grille et qui sont en position de recouvrement par rapport à la structure cellulaire de chaque grille 12, sans empiétement sur la section ouverte de chaque cellule. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément (20) est sous forme d'une plaque allongée, et les saillies dirigées vers l'inté- rieur sont constituées par des parties embouties (14) dépassant de la plaque. 5. Ensemble selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les cellules des bords de chaque grille (12) ont des pattes (21) dépassant axialement qui sont fixées en face des saillies (14) dirigées radialement desdits éléments. 6. Ensemble selon l'une quelconque des reven- dications I à 5, caractérisé en ce que les cellules des bords (16) de chaque grille ont une construction en une seule pièce. 7. Ensemble selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que certains des !léments au moins (20) ont des parties déformées (60) qui peuvent fléchir élastiqueïnent et qui sont en appui contre les faces internes de lenveloppe (1 1) et assurent le support latéral de la cage à l'intérieur de l'enve- loppe. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendi- cations I à 7, caractérisé en ce que les cellules (16) disposées à la périphérie de chaque grille ont des pattes dépassant axialement, et les pattes (21Aï 66) de certaines cellules adjacentes au moins ont des lon- gueurs différenftes et sont fixées afin qu'elles laissent une partie plus longue partiellement exposée, la partie exposée étant disposée en face d'une saillie dirigée vers l'intérieur d'un élément correspondant et étant fixee a cette saillie. 9. Ensemble selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits éléments (20) sont fixés à l'enveloppe (11) à un seul emplacement axial, la cage étant dépourvue de toute connexion a l'enveloppe sur le reste de la longueur desdits éléments. 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend deux groupes desdits éléments (20A, 20B), associés chacun à un jeu respectif de grilles afin que deux structures en forme de cage soient formées à des emplacements axiaux successifs. 11. Ensemble selon la revendication 10, caracté- risé en ce que les structures en forme de cage sont séparées par un espace (74). 12. Ensemble selon l'une des revendications et 11, caractérisé en ce que chaque structure en forme de cage est fixée à l'enveloppe (11) à l'extrémité opposée à l'autre cage, et les deux structures ne sont pas raccordées à l'enveloppe dans l'espace compris entre les extremités de fixation des structures en forme de cage.