Brevet FR2551248A1 — publié le 19850301

DISPOSITIF D'ASSEMBLAGE DETACHABLE POUR ENSEMBLES D'ELEMENTS COMBUSTIBLES NUCLEAIRES La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux ensembles d'éléments combustibles et concerne plus particulièrement un dispositif d'assemblage détachable pour relier une douille de manutention au tube ou à l'enveloppe 5 d'un ensemble d'éléments combustibles Le gouvernement des Etats-Unis d'Amérique a des droits sur cette invention par suite du contrat n DE-AC 06-76 FF 02170 entre le "U S Department of Energy" et la société "Westinghouse Electric Corporation". Le coeur d'un réacteur nucléaire typique est conçu 10 pour entretenir une séquence continue ou une chaîne de réactions de fission et contient généralement un grand nombre d'ensembles d'éléments combustibles interchangeables et de même construction qui sont orientés verticalement les uns à c 8 té des autres De son côté, chaque ensemble d'éléments combusti15 bles contient un grand nombre de minces éléments combustibles allongés ou de "goupilles" ou de "chevilles" contenant une matière fissile, telle que l'uranium, le thorium et/ou le plutonium, par exemple Comme l'on sait, la chaleur engendrée par les réactions de fisson est transférée à un réfrigérant, tel que le sodium liquide, et elle est ensuite transmise à un second réfrigérant, tel que l'eau, afin de transformer celui-ci en vapeur pour la production d'énergie électrique. En plus de la multiplicité de goupilles, chaque ensemble d'éléments combustibles comprend généralement un tube 25 relativement mince servant de chemise ou de logement pour les goupilles de combustible, ainsi qu'un conduit pour la circulation du réfrigérant, un ensemble blindage/buse d'entrée pour introduire le réfrigérant dans l'ensemble d'éléments combustibles et une douille de manutention à l'autre extrémité du tube, afin de faciliter l'introduction et l'enlèvement de l'ensemble du coeur du réacteur Chaque ensemble d'éléments combustibles doit maintenir son intégrité structurale au cours des diverses étapes du fonctionnement du réacteur, y compris pendant les phases d'échauffement, de refroidissement, d'arrêt 35 et de régime, et il doit être capable de supporter les conditions de fonctionnement les plus sévères prévues au cours de sa vie. Chacun des éléments combustibles ou des "goupilles" comprend un certain nombre de pastilles cylindriques d'uranium et d'oxyde plutonium, empilées bout à bout, dans un tube rela5 tivement mince comportant, à l'une de ses extrémités, un espace d'air et qui est fermé à son autre extrémité, par un capuchon ou un bouchon Le revêtement contenant les goupilles de combustible est formé d'un alliage métallique qui "économise" les neutrons, c'est à dire, qui a une section de capture neutro10 nique relativement basse et qui est capable de supporter les effets nuisibles des cyclages thermiques, de la corrosion, des rayonnements et le fluage thermique, et les changements des propriétés de la matière dus aux rayonnements. Les tubes servent à la fois à supporter axialement et 15 latéralement l'ensemble d'éléments combustibles et à les séparer du courant de réfrigérant Dans le cas des goupilles de combustible, les tubes sont également formés d'un alliage métallique spécial conçu pour résister aux effets nuisibles qui découle d'un environnement radioactif à haute température Les 20 ensembles d'éléments combustibles sont orientés verticalement dans le coeur et pour en assurer la continuité structurale, sont pourvus à leurs extrémités inférieures, d'ensembles comprenant des buses d'entrée et des blindages et à leurs extrémités supérieures, de douilles de manutention. Les ensembles de buse dentrée et de blindage permettent au réfrigérant d'entrer dans l'ensemble d'éléments combustibles, tout en assurant une protection contre les neutrons Il relie structuralement les goupilles de combustible à un organe de support et normalement il est soudé au tube, 30 afin d'assurer l'intégrité structurale de l'ensemble. La douille de manutention permet au réfrigérant de sortir de l'ensemble d'éléments combustibles et, tout comme l'ensemble buse/entrée, est normalement soudée audit tube, afin d'assurer l'intégrité structurale La douille de manuten35 tion permet de manipuler l'ensemble d'éléments combustibles et facilite la fixation des disposiifs de préhension ou de levage destinés à faciliter l'introduction et l'enlèvement de celui-ci du coeur du réacteur. 2551248, A cause des conditions extrêmement hostiles dans lesquelles les ensembles d'éléments combustibles sont exposés pendant leur service, on les enlève périodiquement du coeur pour une inspection interne, des essais et pour l'entretien, ou pour le remplacement des goupilles de combustible en cas de défaillance On conçoit que les procédés de fabrication de la technique antérieure utilisant des opérations de soudage pour relier la douille de manutention au tube contenant les éléments combustibles, imposent des techniques destructives pour sépa10 rer la douille dudit tube, ce qui se traduit par des pertes de composants et de matières coûteux En conséquence, on a trouvé souhaitable de relier mécaniquement la douille et le tube, afin de permettre une séparation non-destructive de la douille de manutention et dudit tube, en vue de réutiliser ceux-ci en faisant partie d'ensembles d'éléments combustibles reconstitués. Des tentatives ont été faites dans ce sens en utilisant des éléments mécaniquement détachables pour relier la douille de manutention et le tube contenant les éléments com20 bustibles Bien que ces efforts aient eu pour résultat des ensembles d'assemblage ayant admirablement servi à ces fins, ils n'ont pas été entièrement satisfaisants dans tous les cas. C'est ainsi, par exemple, qu'un agencement comportant une douille de manutention mécaniquement amovible utilise une ba25 gue de transition soudée au tube, afin d'obtenir un soutien structural adequat et qui en reste partie intégrante Bien que la douillede manutention puisse être facilement enlevée pour accéder à l'intérieur du tube à combustible, la bague de transition qui fait ainsi partie intégrante du tube empêche 1 'équi30 pement destiné à enlever les goupilles de combustible d'accéder à certaines de ces goupilles En conséquence, les goupilles de combustible situées dans cette région non-accessible ne peuvent pas être remplacées et le tube à combustible, qui autrement, aurait été réutilisable, doit être mis au rebut De 35 plus, l'introduction du tube de transition dans le tube à combustible produit une petite crevasse dont on ne peut pas être assuré qu'elle a été complètement débarrassée du sodium par l'opératinn de nettoyage En conséquence, la reconstitution de l'ensemble des goupilles de combustible, opération qui exige que l'ensemble soit soigneusement débarrassé de tout sodium, ne peut être exécutée et l'intégrité de la structure des joints soudés risque d'être compromise par des fissures dues à la corrosion par les contraintes caustiques. En conséquence, le but principal de la présente invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en apportant un ensemble d'assemblage perfectionné pour relier de façon amovible ou détachable une douille de manipulation 10 à un tube d'un ensemble d'éléments combustibles. Un autre but de l'invention est de fournir une douille de manutention détachable pour un tube contenant un ensemble d'éléments combustibles qui peut être facilement démontée, de façon non-destructive, aux fins de réutilisation et à l'in5 térieur duquel on peut accéder complètement et librement. L'invention a également pour but d'apporter un nouveau dispositif d'assemblage détachable entre un tube et une douille de manutention qui comporte des moyens de retenue pour fixer ensemble les composants dans une relation assemblée interconnec20 tée. Un autre but de la présente invention est de permettre d'enlever de façon non-destructive, une douille de manutention d'un tube, afin de faciliter les opérations d'inspection, de contrôle, de maintenance, de remplacement des goupilles de 25 combustible et de reconstitution de l'ensemble-de goupilles de combustible tout entier aux fins de réutilisation. Pour atteindre les buts ci-dessus, l'invention fournit un dispositif d'assemblage pour relier de façon détachable une douille de manutention au tube d'un ensemble d'éléments com30 bustibles nucléaires Le dispositif d'assemblage comprend un logement ou une enveloppe de cale de chargement reliéemécaniquement au tube, une douille de manutention fixée par vissage dans l'enveloppe et une bague de retenue interposée entrc la douille et l'enveloppe et qui constitue un moyen de blocage 35 s'appliquant contre la douille et contre l'enveloppe pour les solidariser, en même temps que la bague de retenue, dans une relation assemblée interconnectée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 5. ressortiront de la description qui va suivre, en référence au dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue partielle en perspective, partiellement en coupe, montrant un dispositif d'assemblage d'une douille de manutention et d'un tube à combustible construit en accord avec l'invention, et dont certaines parties sont représentées en écorchée pour plus de clarté; la figure 2 est une coupe longitudinale partielle du dispositif d'assemblage représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective d'une bague de retenue faisant partie du dispositif d'assemblage de l'invention; et, la figure 4 est une vue en coupe d'un détail représentant une forme préférée du blocage entre les deux composants 15 du dispositif d'assemblage de l'invention. En se référant maintenant plus en détail à l'exemple de réalisation représenté sur le dessin annexé, on voit notamment sur la figure 1 la partie supérieure d'un ensemble d'éléments combustibles, désignée en son entier par 10, qui 5 comprend l'extrémité supérieure d'un tube Il et une douille de manutention 12 reliée solidement, mais de façon détachable à celui-ci par des moyens de liaison qui se présentent sous la forme d'un système ou d'un dispositif d'assemblage 13 construit conformément à l'invention L'extrémité inférieure du tube Il est convenablement fixée à un ensemble (non représenté) comprenant une buse d'entrée et un blindage, comme il est bien connu dans la technique Dans la présente description, les termes "supérieur", "inférieur", "sommet","base","vertical", "horizontal" et autres analogues n'ont été utilisés que pour 15 la commodité de l'exposé en regard de la figure 2 et il est bien évident qu'ils n'ont aucun caractère limitatif en ce qui concerne la portée de l'invention. Le tube Il est formé d'un alliage spécial, tel que l'acier AISI 316 usiné à froid, par exemple, ou de n'importe 20 quel autre alliage approprié conçu pour résister aux effets nuisiblesdi cyclage thermique, de la corrosion, de l'irradiation et du rampement thermique à haute température, dans des environnements radioactifs De pr(férence, le tube l a une section hexagonale et sert de chemise ou de logement pour un grand nombre d'éléments combustibles allongés ou de "chevilles" (non représentés) Le tube 11 l assure le soutien axial et latéral nécessaire à l'ensemble d'éléments La paroi du tube Il est mince et elle présente une partie plus épaisse, (non représentée), connue sous le nom de "cale de chargement", située 30 entre ses extrémités, afin de contrôler l'espacement latéral entre les ensembles adjacents. L'ensemble d'assemblage 13 de l'invention comprend un organe d'extrémité, qualifié ci-après 'enveloppe" d, cale de chargement" 15 qui est fixé de façon amovible à l'extré35 mité supérieure du tube 1 l L'enveloppe 15 comprend un corps creux allongé 16 présentant une partie plus épaisse 17 qui, avec la cale de chargement,détermine l'espacement latéral entre les ensembles adjacents d'éléments combustibles. L'enveloppe 15 présente un perçage axial défini par une paroi intérieure annulaire 18 et qui est adapté à recevoir la douille de manutention 12. Une gorge annulaire 20 est prévue dans la surface 18 de la paroi pour recevoir une bague d'arrêt désignée en son entier par 21. Une cavité 22 ayant une forme générale rectangulaire, est formée dans la paroi de la gorge 20 et produit un épaulement 23 dont l'utilité apparaîtra par la suite Un filetage hélicoïdal s'étend le long de la surface de la paroi intérieure dm l'en10 veloppe 15 de la cale de chargement, immédiatement sous la cavité 22 et permet une liaison par filetages avec la douille de manutention 12. L'extrémité inférieure de l'enveloppe se termine par un certain nombre de doigts de blocage 26 quisont espacés latéralement les uns des autres par des fentes allongées 27 partant du bord inférieur ou libre de l'enveloppe en s'élevant vers le filetage 25, mais avec un certain espacement Comme on le voit sur la figure 2, ces doigts 26 ont des surfaces extérieures planes 28 et des surfaces intérieures 20 lisses 30 qui s'inclinent vers le bas en direction de leurs extrémités libres Chaque doigt de blocage 26 est pourvu d'une bosse ou d'un ergot 31 s'avançant radialement vers l'extérieur sur sa surface extérieure 28 et qui vient s'engager dans l'une des di 5 rentes ouvertures 32 formées dans le tube 11 l L'enve25 loppe 15 de la cale de chargement présente une encoche annulaire 33 à l'intersection de l'extrémité inférieure de la partie plus épaisse 17 avec l'extrémité supérieure des doigts 26, afin de recevoir l'extrémité supérieure du tube 11 quand ils sont assemblés, comme représenté sur la figure 2. La douille de manutention 12 comprend un corps creux allongé 35 comportant un filetage extérieur 36, sur lequel peut venir se visser le filetage intérieur 25 de l'enveloppe de la cale de chargement La partie du corps 35 située sous le filetage 36 présente une surface extérieure 37 s'in35 clinant vers l'extérieur (figure 2) qui est complémentaire aux surfaces intérieures inclinées 30 des doigts 26 et qui est destinée à solliciter et à maintenir ces derniers écartés radialement vers l'extérieur. La surface extérieur du corps 35 présente une rainure allongée 38 s'étendant longitudinalement à partir de la paroi supérieure du corps 35 et se terminant par un épaulement 40 espacé au-dessus de la partie filetée 36 Une bordure inté5 rieure 41 est prévue à l'extrémité supérieure du corps 85 pour faciliter les manutentions de l'ensemble d'éléments combustibles 10 avec un appareil de manutention ou de préhension approprié. Comme le montre clairement la figure 3, la bague de 10 retenue 21 de la présente invention comprend un corps annulaire 42 fendu ou coupé longitudinalement le long d'une droite parallèle à son axe, de manière à former des bords opposés 43 et 45 Cet arrangement permet de comprimer et de dilater radialement la bague en faisant varier son diamètre Deux ou15 vertures allongées 46 et 47 sont formées dans le corps 42 près des bords 43 et 45 pour recevoir un outil approprié (non représenté) destiné à faciliter l'introduction et l'enlèvement de la bague 21 de la gorge 20 du logement ou de l'enveloppe de la cale de chargement. Un prolongement ayant la forme d'une languette de blocage 48 est découpé dans le corps 42 et est plié vers l'extérieur suivant un certain angle en laissant une ouverture 50 dans le corps 42 Comme on le voit sur la figure 2, la languette 48, orientée vers l'extérieur, est reçue dans la cavi25 té 22 de l'enveloppe 15,de manière que N bord transversal 51 puisse venir s'appliquer contre l'épaulement 23 de l'enveloppe en produisant ainsi une interconnexion entre eux Une dépression formant une seconde languette de blocage 52, qui est espacée de la languette 48, tout en étant alignée longitu30 dinalement avec celle-ci, est également découpée dans le corps 42 de la bague de retenue et est pliée vers l'intérieur suivant un certain angle en laissant ainsi une ouverture 53 dans celui-ci Après l'assemblage (voir figure 2), cette languette intérieure 52 est reçue dans la gorge 38 de la douille de ma35 nutention 12 pour empêcher une rotation entre cette dernière et la bague 21, le bord transversal 54 de la languette 52 pouvant venir s'appliquer contre l'épaulement 40 pour empêcher un déplacement axial vers l'extérieur de la douille de manutention 12 par rapport à la bague 21 et, partant, empêchant son extraction. Les languettes 48 et 52 sont flexibles et sont sollicitées par une pression en direction du corps 42 et à l'in5 térieur de leurs ouvertures respectives 50 et 53, afin de faciliter l'assemblage et le démontage de l'ensemble d'assemblage 13 Toutefois, la matière dont les languettes 48 et 52 sont faites, est suffisamment élastique pour les slliciter vers leurs positions inclinées vers l'extérieur et vers l'inl 0 térieur normales après l'assemblage final avec l'enveloppe ou le logement 15 de la cale de chargement et la douille de manutention 12 En conséquence, ces languettes 48 et 52 peuvent, d'une manière répétée, être mises en place et enlevées et peuvent être soumises à des forces d'impact durant les manu15 tentions sans qu'elles soient suffisamment endommagées ou déformées pour devenir inutilisables. Avant de fixer la douille de manutention 12 au tube 1 l, on comprime radialement la bague de retenue 21 et on l'introduit dans la gorge 20 formée le long de la paroi intérieure 20 de l'enveloppe 15 Au besoin, la bague 21 peut être tournée par rapport à l'enveloppe 15 jusqu'à ce que la languette de blocage 48 vienne s'aligner avec la cavité 22 et s'engage dans celle-ci, empêchant ainsi la bague 21 à la fois de tourner et de se déplacer axialement par rapport à l'enveloppe 15. 25 Ensuite, on introduit la douille de manutention 12 dans l'enveloppe 15 et on la iisse à fond, de sorte que la languette de blocage 52 de la bague 21, qui a été repoussée élastiquement, s'engage dans la gorge 38 de la douille de manutention, audessus de l'épaulement 40 Ceci empêche à la fois la douille 30 de manutention de tourner et d'être extraite axialement de l'enveloppe 15 de la cale de chargement. Pour mettre en place ce sous-ensemble comprenant la douille de manutention, la bague de retenue 21 et l'enveloppe de la cale de chargement dans le tube 11, on peut introduire 35 une clé (non représentée) qui a la forme d'une barre allongée, dans la gorge 38, afin de guider la languette de blocage 52 vers et dans son ouverture 53 Ce sous-ensemble peut ensuite être fixé au tube 11 l en introduisant les doigts de blocage 26 dans ce dernier, de manière que son extrémité supérieure soit reçue dans l'encoche 33 Ensuite, on tourne le sousensemble comme il convient pour l'amener à la position dans laquelle les ergots 31 des doigts de blocage 26 sont alignés avec les ou5 vertures 32 du tube On continue alors à visser la douille de manutention 12 à l'intérieur de l'enveloppe 15, de façon que la surface inclinée 37 de la douille 12 sonicite les doigts 26 radialement vers l'extérieur, en engageant fermement les ergots 31 dans les ouvertures correspondantes 32 La surface l O inclinée 37 développe une force radiale agissant sur les doigts pour maintenir les ergots 31 engagés dans les ouvertures 32, en empêchant ainsi le sous-ensemble de se déplacer axialement et de tourner par rapport au tube 11. Après l'installation, la clé placée dans la gorge 38 peut être retirée axialement de celle-ci, en permettant à la languette de blocage 52, déplacée élastiquement, de sauter dans cette gorge, au-dessus de l'épaulement 40 Ainsi, tous les composants du dispositif d'assemblage sont interconnectés mécaniquement, de manière à former une liaison serrée empêchant 20 les rotations et les déplacements dans le sens axial entre les différents composants. Pour détacher la douille de manutention du tube 11, on repousse la languette de blocage 52 dans l'ouverture 53 au moyen de la clé mentionnée plus haut, de façon à écarter le 25 bord transversal 54 de la languette 52 de l'épaulement 40. Après que la languette de blocage 52 a été repoussée, la douille de manutention 12 peut être facilement dévissée par rapport à l'enveloppe 15, ce qui relâche la pression radiale exercée par la surface inclinée 37 sur les doigts 26 et permet à ceux30 ci de se redresser radialement en extrayant les ergots 31 des ouvertures 32 Après cela, toute la douille de manutention peut être extraite axialement du tube tl et peut être démontée en exécutant dans l'ordre inverse les étapes décrites ci-dessus, pour l'assemblage. Bien que la forme représentée des languettes de blocage 48 et 52 soit préférable, on comprend aisément que d'autres arrangements de blocage peuvent être utilisés pour fixer la bague de retenue 21 et la douille de manutention 12 en place, tout en empêchant ces composants de se déplacer axialement ou de tourner C'est ainsi, par exemple, que la bague métallique 21 pourrait être refoulée, notamment par étampage, de façon à former un élément saillant ou un cran adapté à être disposés respectivement dans la cavité 22 et dans la gorge 38 pour bloquer mécaniquement la bague 21 à l'enveloppe 15 et la douille de manutention 12 à la bague 21 D'autres arrangements de blocage pourront également être envisagés par les techniciens avertis. Il ressort clairement de ce qui précède que les buts de l'invention ont été complètement atteints Le résultat de cette invention est d'apporter un dispositif d'assemblage perfectionné qui permet de relier facilement une douille de manutention au tube contenant un ensemble d'élé15 ments combustibles, de manière à former une liaison solide et rigide entre eux qui peut être facilement démonté de manière non-destructive, afin d'accéder librement à l'intérieur dudit tube quand on le désire En utilisant une bague de retenue séparée comportant des éléments d'interconnexion libérables, 20 on empêche les mouvements relatifs ou les déplacements entre les divers composants formant l'ensemble résultant Le dispositif d'assemblage de l'invention non seulement facilite une fixation et un enlèvement rapides et aisés de la douille de manutentinn et du tube 11 l contenant l'ensemble d'éléments 25 combustibles, mais encore évite les opérations de soudage et les inconvénients qui en découlent. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples de réalisation représentés et décrits, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'assemblage pour relier de façon détachable une douille ( 12) à un tube ( 11) qui comprend: un tube ( 11) défini par une paroi présentant des ouvertures espacées circonférentiellement ( 32) près de l'une de ses extré5 mités, une enveloppe-( 15) ayant un filetage intérieur ( 25) et comportant un certain nombre de doigts espacés latéralement ( 26) à l'une de ses extrémités, lesdits doigts ( 26) comportant des ergots ( 31) pouvant s'engager dans lesdites ouvertures ( 32), une douille ( 12) reçue par vissage dans ladite enveloppe 10 ( 15) et comportant une partie inclinée ( 37) à l'une de ses extrémités, afin de solliciter lesdits doigts ( 31) radialement vers l'extérieur, une bague de retenue ( 21) interposée entre ladite enveloppe ( 15) et ladite douille ( 12) et comportant des moyens de blocage pouvant coopérer avec ladite enveloppe ( 15) 15 et ladite douille ( 12) pour solidariser la douille ( 12), la bague de retenue ( 21) et l'enveloppe ( 15) en un assemblage interconnecté. 2) Dispositif d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bague de retenue ( 21) comprend un 20 corps annulaire ( 42) fendu le long d'une droite ( 43) parallèle à son axe, afin de permettre de faire varier son diamètre. 3) Dispositif d'assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de blocage comprennent un prolongement ( 48) s'étendant à l'extérieur du pourtour dudit 25 corps annulaire ( 42). 4) Dispositif d'assemblage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le prolongement ( 48) est constitué par une languette flexible élastique découpée dans ledit corps annulaire ( 42) et s'étendant à l'extérieur du pourtour de 30 celui-ci suivant un certain angle. ) Dispositif d'assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de blocage comprennent une dépression ( 53) s'étendant à l'intérieur du pourtour dudit corps annulaire ( 42). 6) Dispositif d'assemblage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la dépression ( 53) comporte une languette flexible élastique ( 52) découpée dans ledit corps annulaire ( 42) et s'étendant à l'intérieur de son pourtour suivant un certain angle. 7) Dispositif d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe ( 15) présente une cavité interne et en ce que lesdits moyens de blocage comprennent un prolongement ( 48) s'étendant à l'extérieur de ladite bague de retenue ( 21), afin de former un contact de blocage dans ladite cavité. 8) Dispositif d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite douill 12 ésente une rainure allnn10 gée ( 38) s'étendant le long de son pourtour et en ce que lesdits moyens de blocage comprennent une dépression ( 53) s'étendant à l'intérieur de ladite bague de retenue ( 21), afin de s'engager dans ladite rainure ( 38) pour empêcher la douille ( 12) de tourner par rapport à ladite bague ( 21). 9) Dispositif d'assemblage selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite rainure ( 38) se termine par un épaulement ( 40) et en ce que ladite dépression ( 53) est pourvue d'une partie ( 54) pouvant Nenir s'appliquer contre ledit épaulement ( 40) , afin d'empêcher ladite douille ( 12) de se déplacer 20 axialement par rapport à ladite bague ( 21). ) Dispositif d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe présente une rainure annulaire ( 33) pour recevoir l'extrémité dudit tube ( 11).