Brevet FR2571171A1 — publié le 19860404

Structure de grille pour un assemblage combustible de réacteur nucléaire. La présente invention concerne la technique des réacteurs nucléaires et se rapporte, en particulier, aux agencements utilisés pour monter ou positionner, en en respectant l'intégrité, les éléments combustibles ou barres de combustible nucléaire d'un réacteur.Il est essentiel que les éléments combustibles de chaque assem- blage combustible soient supportés latéralement de ma- nière qu'ils résistent à un déplacement latéral notable. Ce déplacement entraînerait une répartition non uniforme de la chaleur le long des éléments combustibles. Des pointes de flux de neutrons et des points chauds appa- raltraient. Le brevet US Re 28 079 décrit des agencements qui sont utilisés pour monter et positionner des éléments combustibles et dans lesquels le support latéral est assuré par des grilles ou sommiers composés de lames fendues s'encastrant les unes dans les autres et défi- nissant des cellules ou cases pour les éléments combus- tibles. Chaque lame d'un premier ensemble s'entrecroise à travers ces fentes avec les lames d'un second ensemble et chaque lame du second ensemble s'entrecroise à tra- vers ces fentes avec les lames du premier ensemble. Chaque cellule est délimitée par des sections de parois des lames. Une section de paroi d'une paire de sections de parois opposées comporte un ressort et l'autre section de paroi comporte des saillies ou reliefs qui coopèrent avec les ressorts. L'élément combustible se trouvant dans une cellule est poussé de façon élastique latéralement par le ressort d'une section de paroi de chaque paire de sections de parois de manière à porter contre les saillies de la section de paroi opposée de chaque paire de sectionsde parois et est ainsi supporté latéralement. Habituellement, une paire de saillies décalées vertica- lement est présente et les régions de contact de ces saillies avec un élément combustible sont symétriques par rapport à la région de contact des ressorts coopé- rants.Pour résister à la déformation et à l'écrasement sous l'effet des pressions apparaissant dans un réacteur, on rigidifie la structure de grille en unissant de façon métallurgique,dans leur région d'intersection, les lames qui s'entrecroisent. O10 Dans la pratique antérieure, comme enseigné dans le brevet US mentionné ci-dessus, les lames étaient, de façon typique, composées d'acier inoxydable. Il était possible d'unir les lames à leurs intersections par un brasage au four. L'acier inoxydable présente une section efficace d'absorption de neutrons modérément faible (de façon typique, environ 2 barns en ce qui concerne les neutrons thermiques). Dans le but d'améliorer le rendement des réacteurs nucléaires, il est devenu souhaitable de disposer d'une structure de grille formée de lames en une matière pré- sentant une section efficace d'absorption de neutrons sensiblement plus faible et, à cette fin, on a choisi le zirconium ou l'alliage ZIRCALOY (qui a, de façon typique, une section efficace d'environ 0,17 barns en ce qui concerne les neutrons thermiques). Il n'est pas possible d'obtenir de façon métallurgique une union du zirconium ou de l'alliage ZIRCALOY par brazage. C'est pourquoi il est nécessaire de former une structure de grille rigide formée de lames d'alliage ZIRCALOY en soudant dans leur région d'intersection les lames qui s'encastrent les unes dans les autres. De façon typique, on peut former les joints par soudage à l'aide d'un faisceau laser mais il faut une quantité adéquate de métal pour sup- porter la soudure. La structure de grille décrite dans le brevet US mentionné ci-dessus ne se prêtepas d'elle-mme au soudage. La quantité de métal n'est pas suffisante dans la région d'intersection pour former un joint métal- lurgique solide. Epaissir le métal d'une façon générale augmenterait le poids et le prix de revient ainsi que les pertes de neutrons parasites et il en résulterait également des problèmes en ce qui concerne l'emboutissage des lames pour former les ressorts et les saillies Qui sont nécessaires pour maintenir les éléments com- bustibles. La présente invention a pour objectif principal de fournir une structure de grille pour supporter laté- ralement des éléments combustibles nucléaires, cette structure de grille se prêtant d'elle-même facilement à une réalisation sous forme d'un corps rigide résistant à l'écrasement par soudage aux régions d'intersection des lames et qui facilite également la déformation des saillies et des ressorts destinés à maintenir les élé- ments combustibles. Selon la présente invention, les lames qui forment la structure de grille ont une épaisseur non uniforme, l'épaisseur dans les régions ou les lames doivent être assemblées par soudage étant sensiblement plus grande que l'épaisseur du reste des régions des lames. Les lames comportent des bandes d'épaisseur relativement importante qui sont parallèles aux fentes et à travers lesquelles les lames s'encastrent ou s'enchevêtrent les unes dans les autres. Entre ces bandes, les lames ont une épaisseur sensiblement plus faible. Les bandes parallèles aux fentes s'étendent du haut jusqu'au bas des lames. Les lames sont unies métallurgiquement par soudage, de façon typique à l'aide d'un faisceau laser, dans les régions épaisses. Du fait que les bandes épaisses s'étendent sur toute la hauteur des lames, les lames ont une résistance et une épaisseur notables. Entre les bandes épaisses, les lames sont minces; dans ces régions minces, le métal peut être gauchi ou déformé facilement pour former les ressorts et les saillies ou reliefs. En raison de l'épaisseur non uniforme des bandes, on minimise la quantité de l'alliage ZIRCALOY ou autre matériau coûteux utilisé ainsi que la chute de pression et les pertes parasites de neutrons. Bien que la présente invention présente des avan- tages exceptionnels pour des grilles en alliage Zircaloy destinées à supporter des barres de combustible, elle présente également des avantages pour des grilles en autre matériau, tel que l'acier inoxydable, dans la mesure o elle améliore la résistance à l'écrasement et réduit les pertes parasites. On va maintenant décrire, à titre d'exemple uni- quement, un mode de réalisation préféré en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure lA est une vue en plan d'une grille selon l'invention; la figure lB est une vue en coupe par IB-IB de la figure lA et cette vue montre la disposition relative des ressorts et des saillies sur les lames internes; la figure 2 est une vue en élévation latérale d'une lame intérieure de la grille représentée sur la figure lA; la figure 3 est une vue en élévation partielle d'extrémité telle qu'on la voit en regardant dans la direction de la flèche III de la figure 2; la figure 4 est une vue isométrique partielle montrant la façon selon laquelle la grille représentée sur la figure lA est assemblée; la figure 5 est une vue isométrique montrant la façon selon laquelle on forme une ébauche pour une lame destinée à la grille selon la présente invention; et les figures 6 et 7 illustrent deux types carac- téristiques d'endommagement naissant des lames qui, po- tentiellement, peuvent se produire dans les grilles clas- siques sous la pression d'écrasement du réfrigérant du réacteur. On a représenté sur la figure 4, mais cela à titre purement illustratif et non limitatif, des dimensions approximatives typiques pour un mode de réalisation de grille selon la présente invention. L'appareil représenté sur les figures 1A et lB est un assemblage combustible 11 comprenant une pluralité de grilles espacées dans le sens longitudinal, comme par exemple la grille 13 selon la présente invention. La grille 13 est formée d'une pluralité de lames extérieures ou de délimitations 15a et 15b et de lames intérieures 17a et 17b entrecroisées et définissant des cellules ou cases 19 à travers chacune desquelles s'étend une barre de combustible ou élément combustible 21 (ou un tube- guide ou analogue). Chaque lame extérieure 15a de grille a une section droite variable comprenant des bandes longitudinales épaisses 23a interposées entre des bandes minces 25a. Des fentes 31a s'étendent vers le haut à partir des bords inférieurs des bandes épaisses 23a. Les lames 15b sont similaires aux lames 15a, sauf que les fentes 31b s'é- tendent du haut vers le bas.Hormis cela, les lames 15b comportent, comme les lames 15a, des bandes épaisses 23b interposées entre des bandes minces 25b. Les lames ex- térieures 15a et 15b présentent à leurs extrémités des coudes 27a et 27b formant un angle obtus.Les extrémités coudées 27a de chaque lame 15a portent contre les extré- mités coudées 27b des lames 15b respectivement dans une disposition sujacente et sous-jacente vis-à-vis de ces extrémités. Les extrémités en contact sont unies par soudage de sorte que les lames de délimitation 15a et 15b forment une enceinte analogue à une boîte. Des doigts élastiques (ressorts) 29a et 29b sont obtenus par défor- mation, emboutissage ou découpage au poinçon de chaque mince bande 25a ou 25b. Du fait que les bandes 25a et 25b sont minces, les rayons des coudes formés dans les doigts 29a et 29b à leur jonction avec les lames 15a et 15b sont relativement faibles et la déformation pour obtenir les doigts peut être effectuée sans engendrer de criques ou fissures dans le métal. Les propriétés élastiques méca- niques voulues peuvent être obtenues plus facilement avec les bandes minces qu'avec les lames plus épaisses que celles utilisées jusqu'à présent. Les lames intérieures 17a comportent également des bandes épaisses 33a et des bandes minces 35a inter- posées entre les bandes épaisses. Des fentes 37a (figure 2) s'étendent à travers les extrémités supérieures des bandes épaisses 33a. Des saillies 39a et des ressorts 41a sont déviés hors du plan de chaque lame intérieure 17a à des endroits disposés horizontalement le long de chaque mince bande 35a. Comme on peut le voir sur les figures lB et 4, les axes longitudinaux des saillies 39a et des ressorts 41a sont alignés avec une paire de saillies 39a disposées symétriquement au-dessus et au-dessous de chaque ressort 41a. Les lames intérieures 17b sont similaires aux lames intérieures 17a sauf que les fentes 37b s'étendent vers le haut depuis le bord inférieur. Hormiscela, les lames 17b, comme les lames 17a, comportent des bandes épaisses 33b, des bandes minces 35b, des saillies 39b et des res- sorts 41b positionnés et disposés de façon similaire aux parties correspondantes des lames 17a. Les saillies 39a et 39b s'étendent à partir des surfaces opposées de certaines des bandes 35a et 35b de certaines des lames 17a et 17b, respectivement. Par exemple, Ies lames 17a et 17b qui délimitent la cellule 19c au centre de la grille 13 représentée sur la figure lA ont cette structure. Dans ce cas, les paires de saillies 39a et 39b s'étendant à partir des surfaces opposées de chaque bande 35a et 35b sont décalées verticalement, comme représenté sur la figure lB. Comme pour les lames de délimitation 15a et 15b, les minces bandes 35a et 35b des lames intérieures 17a et 17b ont, de façon souhaitable, une épaisseur sensiblement plus faible que l'épaisseur des lames de la technique antérieure,et les bandes épaisses 33a et 33b ont, de façon souhaitable, une épaisseur sensiblement plus grande que celle des lames de la technique antérieure. Du fait que les saillies 39a et 39b et les ressorts 41a et 41b sont réalisées par déformation des minces bandes, les coudes des ressorts et des saillies, particulièrement à leurs jonctions avec les bandes, présentent des rayons faibles et ne sont pas le siège de contraintessuscep- tiblesde donner naissance à des criques et des fissures. Les lames 15a, 15b, 17a et 17b sont obtenues à partir d'ébauches 49 (figure 5) formées par laminage de plaques dimensionnées de façon appropriée. Le laminage forme des cloisons ou nervures 51 dans la direction du laminage. Les axes longitudinaux des cloisons 51 sont espacés en fonction de l'intervalle séparant les cellules ou cases des grilles 11 devant être formées à partir des ébauches 49. Quand chaque ébauche 49 a été laminée, on forme par étampage ou emboutissage les fentes 31a, 31b, 37a, 37b, les saillies 39a et 39b, et les ressorts 41a et 4lb dans les ébauches. On donne à la grille 13 la structure représentée sur la figure 1 en encastrant mutuellement, comme re- présenté sur la figure 4, les fentes 31a, 31b, 37a et 37b s'étendant vers le haut et vers le bas. Les fentes mutuellement encastrées sont dimensionnées de manière que les régions 53 (figure 1A), à l'endroit des bords supérieur et inférieur, ou les lames 15a et 15b, 17a et 17b s'interceptent, soient au même niveau. Comme on peut le voir sur la figure 2, dans chaque lame 17a, deux saillies 39a sont disposées symétriquement au-dessus et au-dessous d'un ressort 41a. Le ressort et les saillies s'étendent à partir de lames opposées. Les régions qui sont situées le plus à l'extérieur en direc- tion des barres 21 de combustible et que comportent les surfaces de saillie 39a portant contre les barres de combustible, sont, le long des bandes 35a, espacées de façon égale de la région extérieure extrême de la sur- face des ressorts 41a aui portent contre les barres de combustible. Les saillies 39b sont, de même, espacées symétriquement par rapport au ressort 41b. Les axes des régions extérieures extrêmes des saillies et les axes, parallèles à une bande 35a ou 35b, des régions extérieures extrêmes d'un ressort, sont centrés le long de la bande 35a et 35b. Les saillies 39a et 39b et les ressorts 41a et 4lb formés dans les bandes 35a et 35b des lames sé- parées 17a et 17b se trouvent dans les mêmes positions correspondantes sur les lames séparées. L'élément com- bustible 21 se trouvant dans une cellule 19 est maintenu solidement par la force exercée par un ressort 41a ou 41b se trouvant sur une lame 15a ou 15b ou bien 17a ou 17b et par les saillies 39a ou 39b se trouvant sur la lame op- posée 17a ou 17b qui sont disposées symétriquement par rapport au ressort s'étendant dans la direction opposée sur le côté opposé comme on peut le voir sur la figure 1A. Les surfaces extérieures extrêmes desressorts et des saillies portent contre la gaine 59 (figure 1). On a consolidé la grille 13 sous la forme d'une structure rigide par soudage. Bien que la présente in- vention soit applicable à des grilles formées de métaux QUd'alliages de n'importe quel type approprié, elle trouve une application particulière dansle cas des grilles formées par un alliage ZIRCALOY. Cet alliage ne se prête pas de lui-même au brasage et il n'est pas possible de braser les joints entre les lames comme enseigné dans le brevet US mentionné initialement dans le présent exposé. Pour le soudage, une quantité adéquate de métal est néces- saire pour supporter les soudures et ce métal est fourni par les bandes épaisses 23a, 23b, 33a et 33b. La grille 13 se présente sous la forme d'un ensemble rigide grâce aux soudures formées aux joints des fentes 31a, 31b, 37a, 37b mutuellement encastrées aux bords supérieurs et inférieurs des bandes épaisses, le métal de la soudure étant attiré par capillarité jusque dans les régions situées entre les bandes o il se solidifie pour former les joints. Les figures 6 et 7 illustrent deux façons carac- téristiaues suivant lesquelles les grilles classiques ont tendance à être endommagées dans le cas o seprésentent dans un réacteur nucléaire des conditions de haute pres- sion du réfrigérant. Dans l'exemple représenté en figure 6, les sections de lames associées à une des rangées de cellules de grilles ploient sous la force d'écrasement du réfrigérant. En figure 7, on a représenté le flambage de sections de lames similaires. Dans les deux cas, les sections de lames endommagées pivotent, pour ainsi dire, à l'endroit des soudures 61 o les lames 17a et 17b sont unies. Dans la grille selon la présente invention, ces points potentiels d'endommagement naissant des lames sont des emplacements o les lames ont leurs parties relativement épaisses 23a, b et 33a,b qui, du fait qu'elles sont plus épaisses, forment des joints d'une fixité améliorée et, par conséquent, d'une meilleure résistance à l'écrasement. REVENDICATIONS 1. Structure de grille pour un assemblage combus- tible nucléaire comprenant une pluralité d'éléments com- bustibles nucléaires, ladite structure de grille compre- nant une pluralité de lames comportant chacune une plura- lité de fentes qui s'étendent vers l'intérieur de la lame depuis un bord longitudinal de cette dernière, un premier ensemble desdites lames étant assemblé à un second en- semble desdites lames par enchevêtrement de chaque lame du premier ensemble, à l'endroit de ces fentes, avec les lames du second ensemble, et par enchevêtrement de-chaque lame du second ensemble, à l'endroit de ces fentes, avec les lames du premier ensemble, de manière à former ainsi des cellules ouvertes délimitées chacune par des sections, disposées de façon opposée, de deux paires des lames, au moins certaines desdites cellules étant adaptée chacune de manière à recevoir un des éléments combustibles et comportant, sur les sections de lames délimitant la cellule, des moyens élastiques qui y sont formés en vue de supporter latéralement l'élément combustible, carac- tériséeen ce que les fentes (31, 37)de chacune desdites lames (15, 17) sont formées dans des bandes (23, 33) que comporte la lame, ces bandes s'étendant en travers de cette dernière et ayant une épaisseur plus grande que les parties de lames (25, 35) comprises entre les bandes. 2. Structure de grille selon la revendication 1, caractérisée en ce que les lames assemblées mutuellement sont unies par des soudures formées à l'endroit des bandes (23, 33) d'épaisseur plus grande. 3. Structure de grille selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que lesdits moyens élastiques comprennent des doigts formant ressort qui s'écartent des lames respectives et font saillie vers l'intérieur des cellules associées, et des saillies formées par dé- formation ou déviation de parties de bandes vers l'in- térieur des cellules respectives, caractérisée en ce que lesdits doigts formant ressort (29, 41) et les saillies (39) sont formés dans les parties de lames (25, 35) d'épaisseur plus faible, ladite épaisseur plus faible étant telle qu'elle facilite la réalisation des doigts formant ressort et des saillies sans induire de contraintesexagéréesdans les parties coudées.