Brevet FR2569489A1 — publié le 19860228

Grille d'espacement et de maintien et assemblage de com- bustible nucléaire en comportant application L'invention concerne de façon générale les as- semblages de combustible pour réacteur nucléaire du type incorporant un faisceau de crayons de combustible dis- posés aux noeuds d'un réseau régulier, maintenus de place en place par des grilles réparties le long de l'assemblage. L'invention concerne plus particulièrement les grilles destinées à de tels assemblages, comportant une ceinture périphérique et au moins deux séries d'élé- ments parallèles délimitant des alvéoles de passage des crayons de combustible et des éléments substitués à eux en certains points du réseau. Bien que l'invention soit de portée générale, elle trouve un intérêt tout particulier dans les assem- blages de combustible dont les crayons sont disposés suivant un réseau triangulaire dont le pas est serré, c'est-à-dire peu supérieur au diamètre des crayons. L'emploi d'un tel réseau triangulaire est souhaitable lorsqu'on cherche à constituer un coeur de réacteur sous-moderé, qui impose que les lames de réfrigérant entre les crayons soient faibles, tout en permettant le passage du débit de réfrigérant requis et un bon mélange des filets de réfrigérant, sans pour autant apporter une perte de charge excessive. Les grilles des assemblages de combustible nu- cléaire destinés aux réacteurs modérés et refroidis à l'eau sont en règle générale prévues pour retenir les crayons aux noeuds d'un réseau carré. Ces grilles com- prennent une ceinture et deux jeux de plaquettes ortho- gonales. On a également proposé (US-A-3 068 163) un assemblage de combustible comportant des grilles desti- nées à maintenir les crayons aux noeuds d'un réseau carré ou rectangulaire, grilles constituées par une bande sans fin droite ou ondulée, passant entre les crayons, avec assemblage à mi-fer aux points de croise- ment. Cette solution, si on tente de l'appliquer à l'as- semblage à pas "'serré", ne permet pas d'assurer tout à la fois le passage du réfrigérant dans des conditions satisfaisantes, le mélange des différents filets et une perte de charge acceptable. On a également proposé (FR- A-2 509 078) une grille d'espacement pour un assemblage de combustible à réseau carré qui se différencie de celle décrite dans le document US précédent en ce que les bandes orthogonales de retenue des crayons sont su- perposées et raccordées par des languettes fendues. Cette solution ne permet pas non plus d'adopter un pas serré. L'invention vise à fournir une grille pour as- semblage de combustible nucléaire assurant un maintien élastique efficace des crayons, n imposant qu'une perte de charge faible, assurant un bon mélange des filets fluides, et représentant une faible quantité de maté- riaux neutrophages. Dans ce but, l'invention propose notamment une grille d'espacement comportant une ceinture périphérique et au moins deux séries d'éléments parallèles délimitant des alvéoles de passage des crayons, caractérisée en ce que lesdits éléments parallèles sont constitués par des fils répartis en au moins deux lits espacés dans le sens longitudinal de l'assemblage et comportant chacun au moins deux séries de fils entrecroisés dont les extrémi- tés sont fixées à la ceinture. Dans l'application de l'invention à un assem- blage à réseau triangulaire, chacun des côtés du réseau triangulaire sera parallèle aux fils d'une série au moins. Les fils de chaque lit peuvent fournir soit deux appuis par crayon, les fils de deux lits successifs fournissant à un crayon donné des appuis en des points diamétralement opposés, soit quatre appuis par crayon. Pour assurer le mélange des filets de réfrigérant, chaque lit pourra comporter deux séries de fils, les fils d'une des séries de chaque lit faisant un angle de avec les fils des deux séries du lit qui précède ou qui suit. On crée ainsi des mouvements tourbillonnaires. Si les lits présentent une répartition qui se reproduit de façon cyclique, on obtient un écoulement global d'al- lure hélicoïdale. Le terme "fil" devra être interprété comme dési- gnant un élément allongé, dont la section droite pré- sente dans toutes ses directions une dimension du même ordre, inférieure de plusieurs ordres de grandeur à sa longueur, de façon que cet élément soit déformable dans tous les sens. Un fil aura généralement une section cir- culaire. On peut cependant utiliser également des sec- tions ovalisées ou aplaties. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécu- tion donnés à titre d'exemples non limitatifs. La des- cription se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est une vue partielle et schéma- tique, en élévation, d'un assemblage mettant en oeuvre l'invention; - la Figure 2 est une vue en coupe partielle suivant la ligne II-II de la Figure 1, le contour des assemblages adjacents étant indiqué schématiquement en traits mixtes; - la Figure 3 est une vue de détail à grande échelle d'une fraction de la Figure 2, - les Figures 4 et 5 sont des vues de détail à grande échelle montrant un mode de fixation possible des fils à une ceinture de grille plate (Figure 4) ou ondu- lée au pas des crayons (Figure 5); - les Figures 6 et 7, similaires à la Figure 4, montrent d'autres modes possibles de fixation des fils; - la Figure 8 est un schéma de principe en perspective montrant une grille à trois lits de fils: - la Figure 9 est une vue schématique, en coupe suivant un plan vertical, d une grille à trois lits de fils; - les Figures 9A, 98 et 9C sont des vues en coupe partielle au niveau des plans A, B et C de la Figure 9; - la Figure 10, similaire à la Figure 8, montre une grille à deux lits inclinés de fils. La Figure 1 montre schématiquement les seuls composants concernés par l'invention d'un assemblage de combustible nucléaire qui comporte, de façon habituelle, un embout supérieur 10 et un embout inférieur 12 reliés par des éléments cylindriques allongés 14 et 15. Aux éléments allongés 14 et 15 sont fixées plusieurs grilles 16 réparties le long de l'assemblage. Ces grilles main- tiennent les crayons de combustible 18 selon un réseau régulier. L'assemblage décrit à titre d'exemple a une sec- tion hexagonale et les grilles maintiennent les crayons 18 aux noeuds d'un réseau en forme de triangle équilaté- ral dont les côtés sont parallèles aux plaquettes qui constituent la ceinture 20 de la grille 16. Certains noeuds du réseau sont occupés non par des crayons 18, mais par des éléments allongés 14 qui peuvent notamment constituer des tubes guides et qui sont fixés aux em- bouts 10 et 12. D'autres éléments allongés 15, situés à la périphérie du réseau, sont fixés aux ceintures 20 pour constituer l'ossature de l'assemblage. Ces éléments 15 peuvent être constitués par des tiges ou des tubes. Chaque grille 16 comporte plusieurs lits paral- lèles de maintien et d'espacement des crayons, fixés à la ceinture 20 et décalés dans le sens longitudinal. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, la grille 16 a deux lits de fils, perpendiculaires à l'axe longitudinal de l'assemblage. Chaque lit est constitué de deux séries de fils parallèles. Les fils d'une des séries constituant le lit 24 sont à 60" des fils des deux séries du lit 22. Les fils de l'autre série cons- tituant le lit 24 sont donc parallèles aux fils d'une des séries du lit 22. Dans la réalisation montrée en Figures 2 et 3, la ceinture est constituée de plaquettes plates aux- quelles sont fixés deux lits de fils soit ondulés, soit mis sous tension pour mieux s'appliquer sur les crayons et générer ainsi des forces de maintien. Les fils des deux séries peuvent être liés les uns aux autres aux points de croisement, par exemple par soudage. Les plaquettes constituant la ceinture sont de leur côté fixées, généralement par soudage, sur les éléments allongés 15, au nombre de trois par face de la grille dans le mode de réalisation montré en Figures 2 et 3. La ceinture peut être en alliage dit "inconel" ou en acier inoxydable, tandis que les fils seront généralement en acier inoxydable hyperécroui, bien que d'autres maté- riaux puissent convenir. Le diamètre des fils variera suivant le pas du réseau et le diamètre des crayons: un diamètre de fil de 0,6 mm environ procure souvent un ma- ximum d'avantages. Dans une variante de réalisation, les fils sont fixés aux éléments allongés 14, par exemple par engage- ment des fils dans des rainures ou encoches de ces élé- ments. Les éléments allongés 15 peuvent alors être soit conservés, soit omis. Le réfrigérant du réacteur traversera chaque lit de fils, autour d'un crayon, essentiellement par deux passages de forme générale triangulaire, comme indiqué en a sur la Figure 3. Les deux passages associés à un même crayon sont décalés de 60' lorsqu'on passe d'un lit au suivant, qu'il y ait deux lits 22 et 24 (Figure 1) ou davantage. On obtient ainsi un brassage et un mélange des différents filets de réfrigérant et une bonne homogénéisation de la température. Les extrémités des fils entrelacés qui consti- tuent les lits doivent être fixées à la ceinture 20. De nombreux modes de fixation sont utilisables et ceux qui seront maintenant décrits ne constituent que des exem- ples, généralement avantageux. Dans le mode de réalisation montré en Figure 4, les extrémités des fils 26 sont engagées dans des trous de la ceinture, puis bloquées par déformation thermique donnant naissance à une bossette 27. La liaison peut être complétée par une brasure. La Figure 5 montre l'adaptation de ce mode de fixation au cas d'une grille comportant une ceinture 20a ayant une ondulation au pas des crayons. Une rondelle fendue 28, ou circlip, peut être engagée sur le fil avant déformation thermique et brasage, pour compléter sa retenue (Figure 6 et fil en haut de la Figure 4). On voit sur la Figure 4 que les bossettes exté- rieures résultant de la déformation thermique consti- tuent des butées d'entretoisement réciproque des assem- blages de combustible à hauteur des grilles. Les appuis réciproques des bossettes périphériques constituent des butées assurant un maintien radial qui évite les défor- mations lors du fonctionnement dans le coeur du réac- teur. L'emploi de circlips 28 pour monter et fixer les fils sur les plaquettes de ceinture autorise l'emploi de matériaux différents et non soudables entre eux pour constituer la ceinture d'une part, les fils d'autre part, et permet donc de constituer la ceinture en maté- riau choisi pour sa faible absorption neutronique. Une autre solution, utilisable lorsque la grille ne comporte que deux lits de fils ou pour les lits extrêmes des grilles comportant plus de deux lits, est montrée en Figure 7: les extrémités des fils sont coin- cées dans des encoches 30 de la ceinture 20 avant d'être déformées thermiquement et/ou brasées. Alors que la grille montrée en Figure 1 comporte deu>x lits seulement de fils, celle de la Figure 8 com- porte trois lits parallèles. Si l'on désigne par 1, 2 et 3 trois directions à S0 l'une de l'aàtre (Figure 8), les fils du premier lit sont dans les directions 1 et 2, ceux du second lit dans les directions 2 et 3, ceux du troisième lit dans les directions 3 et 1. La faible di- mension des fils réduit la perte de charge. Le mélange est amélioré du fait que, dans deux lits successifs, la moitié des fils sont orientés différemment. Les passages a (Figure 3) vont se trouver décalés de 60' à chaque passage d'un lit au suivant. Les grilles successives prévues tout le long de l'assemblage peuvent être dispo- sées de façon que les passages de réfrigérant s'alignent suivant une même hélice ou suivant des éléments d'hélice en quinconce. Alors que dans le cas illustré en Figures 3 et 4, chaque lit assure quatre appuis ponctuel par crayon, ce qui se traduit dans le cas d'une grille du genre mon- tré en Figure 8 par trois couples de doubles appuis ré- partis sur la périphérie, la grille montrée en Figures 9, 9A, 9B et 9C n'assure que deux appuis ponctuels par crayon dans chaque lit. Pour cela, les fils de chaque série ont un espacement double de celui des fils de la Figure 3. Mais les fils parallèles à la même direction dans deux lits différents sont décalés d'un demi-pas, de façon que tous les crayons présentent le même nombre d'appuis (trois doubles appuis par crayon dans le cas de trois lits). Cette disposition augmentee la section de passage de réfrigérant offerte par chaque lit et permet d'augmenter le nombre des lits en limitant la perte de charge à une valeur acceptable. Au lieu de disposer les lits parallèlement les uns aux autres, on peut leur donner des inclinaisons différentes sur l'axe longitudinal de l'assemblage. Cette solution, dont un exemple de réalisation est montré en Figure 10, améliore encore le mélange des filets de réfrigérant et permet notamment de dériver une fraction du débit d'un assemblage vers les assemblages périphériques. Plusieurs modes de montage peuvent être utilisés pour constituer l'assemblage. Une première solution, utilisable notamment lorsque les fils sont préalablement mis en forme par ondulation et ne présentent pas une tension excessive, consiste à les aligner dans un sque- lette puis à enfiler les tubes guides et les crayons. Une autre solution, qui permet de mettre les fils en tension avant fixation définitive, consiste à monter les fils dans les grilles en les fixant à une seule extremi- té, l'autre étant simplement passée dans la plaquette opposée de la grille et maintenue sans tension. Une fois les crayons en place, les fils sont soumis à une force de traction calibrée, puis immobilisés. REVENDICATIONS 1. Grille d'espacement pour assemblage de combustible nucléaire incorporant un faisceau de crayons de combustible (18) disposés aux noeuds d'un réseau régulier, grille comportant une ceinture périphérique (20) et au moins deux séries d'éléments parallèles (26) délimitant des alvéoles de passage des crayons, caracté- risée en ce que lesdits éléments parallèles sont consti- tués par des fils (26), répartis en au moins deux lits espacés dans le sens longitudinal de l'assemblage et comportant chacun au moins deux séries de fils dont les extrémités sont fixées à la ceinture (20). 2. Grille d'espacement pour assemblage de combustible nucléaire incorporant un faisceau de crayons de combustible (18) disposés aux noeuds d'un réseau dont la maille a une forme de triangle équilatéral, grille comportant une ceinture périphérique hexagonale et au moins deux séries d'éléments parallèles (26) délimitant des alvéoles de passage des crayons, caractérisée en ce que lesdits éléments parallèles sont constitués par des fils (26), répartis en au moins deux lits espacés dans le sens longitudinal de l'assemblage et comportant chacun au moins deux séries de fils dont les extrémités sont fixées à la ceinture, les fils de chaque série étant parallèles à un côté de la ceinture et l'ensemble des lits de la grille présentant des fils parallèles à chacun des côtés de la ceinture. 3. Grille selon la revendication 1 ou 2, carac- térisée en ce que les fils de chaque lit fournissent deux appuis par crayon et en ce que les fils de deux lits successifs fournissent à un crayon donné des appuis en des points diamétralement opposés. 4. Grille selon la revendication 1 ou 2, carac- térisée en ce que les fils de chaque lit fournissent quatre appuis par crayon. 5. Grille selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fils des deux séries de chaque lit sont entrelacés et éventuellement solidarisés par soudage aux points de croisement. 6. Grille selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les extrémités des fils (26) sont fixées à la ceinture (20) par passage dans des orifices et déformation thermique à l'extérieur des ceintures pour générer des bossettes d'appui entre assemblages adjacents. 7. Grille selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que les extrémités des fils sont fixées à la ceinture par passage dans des ori- fices ou engagement dans des encoches (30), puis bra- sage. 8. Grille selon la revendication 7, caractérisée en ce que des rondelles fendues (28) sont engagées sur les extrémités des fils avant soudage. 9. Grille selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que la ceinture périphérique est constituée de plaquettes planes ou ondulées au pas des crayons. 10. Grille selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que des lits suc- cessifs font des angles différents avec l'axe longitudi- nal de la grille. 11. Assemblage de combustible nucléaire incorpo- rant un faisceau de crayons de combustible (18) disposés aux noeuds d'un réseau régulier, maintenus de place en place par des grilles réparties le long de l'assemblage, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs grilles selon l'une quelconque des revendications précédentes, dispo- sées de façon que les passages (a) de réfrigérant s'ali- gnent suivant une même hélice ou suivant des éléments d'hélice en quinconce. 12. Assemblage selon la revendication 11, caractérise en ce que les grilles sont fixées à des tiges (15) réparties à leur périphérie et solidaires des embouts.