Brevet FR2577343A1 — publié le 19860814

DISPOSITIF D'ESPACEMENT ET DE MAINTIEN DE CRAYONS COMBUSTIBLES DANS UN ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE La présente invention a pour objet un dispo- sitif d'espacement et de maintien de crayons combusti- bles dans un assemblage combustible de réacteur nu- cléaire à eau sous pression. Dans un assemblage combustible les crayons combustibles sont disposes en faisceau comme l'illus- tre la figure 1. Les crayons combustibles 2 sont rangés selon un réseau régulier dans des grilles 4, 4a, 4b. Deux plaques dites plaque d'extrémité inférieure 10 et pla- que d'extrémité supérieure 12 sont disposées de part et d'autre des extrémités des crayons. Un dispositif appelé "araignée" 14 supporte des crayons absorbants 16 qui sont plus ou moins enfiLés dans des tubes gui- des 18 afin de contrôler le régime du réacteur. Ces tubes guides 18 sont disposés à la place de quelques crayons combustibles. Les grilles 4, 6, 8 ou dispositifs d'espace- ment doivent remplir plusieurs fonctions: - le rangement des crayons combustibles selon un ré- seau précis et régulier, assurant entre chaque crayon une lame d'eau d'épaisseur déterminée pour exercer ses deux rôles de modérateur neutronique et de réfrigérant; - le maintien des crayons combustibles pour éviter des vibrations; - le support axial des crayons combustibles à leurs extrémités; - une résistance mécanique suffisante et un maintien du réseau en cas d'impacts transversaux entre assem- blages résultant par exemple d'un séisme; - une résistance hydraulique à l'écoulement du liquide réfrigérant la plus faible possible. Habituellement, les assemblages de crayons combustibles comportent des grilles constituées d'un réseau d'alvéoles o sont ménagés des appuis rigides tels que des bossettes, et des appuis élastiques tels que des ressorts exerçant un effort opposé auxdites bossettes. Un tel assemblage est décrit dans le brevet français n 2 168 059. Ce type d'assemblage demande des grilles suffisamment épaisses pour que la résistance mécanique et la rigidité soient suffisantes et ceci entraîne une résistance hydraulique élevée. D'autre part, les con- tacts entre la grille et les crayons combustibles sont relativement localisés. Le guidage des crayons est donc insuffisant pour empêcher les vibrations des crayons. L'invention a pour objet un dispositif d'es- pacement et de maintien de crayons combustibles dans un assemblage combustible de réacteur nucléaire per- mettant de pallier les inconvénients énoncés précédem- ment. Selon l'invention, ce dispositif comporte une structure d'espacement définissant un réseau mail- lé, des manchons cylindriques comprenant deux anneaux reliés par des bandes élastiques incurvées vers l'in- térieur de chaque manchon, et des moyens de fixation des manchons sur ladite structure. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la structure d'espacement comprend des alvéoles régulièrement disposés selon ledit réseau maillé et des moyens de fixation entre alvéoles. Les moyens de fixation des manchons sur la structure peu- vent alors comporter des languettes rectangulaires fixées d'une part sur les anneaux et fixées d'autre part aux parois des alvéoles. Selon une première variante de ce mode de réalisation de l'invention, les moyens de fixation en- tre alvéoles et de fixation des manchons sur La struc- ture comportent des pièces en forme de U fixées par leurs extrémités à deux manchons adjacents et venant chevaucher les parois des aLvéoLes contenant ces man- chons adjacents, Lesdites pièces étant fixées sur ces parois. Selon une seconde variante du mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens de fixation des manchons sur la structure comportent des pièces de liaison comprenant des languettes fixées sur les an- neaux de deux manchons adjacents et traversant les parois des alvéoles contenant ces manchons adjacents et une partie intermédiaire reliant lesdites languet- tes. Selon une troisième variante du mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens de fixation des manchons sur la structure comportent des languet- tes découpées dans chaque alvéole et rabattues vers le manchon contenu dans chaque alvéole et fixées sur les anneaux dudit manchon. Selon une quatrième variante du mode préféré de réalisation de l'invention, les moyens de fixation des manchons sur la structure comportent des languet- tes découpées dans les anneaux et rabattues vers l'ex- térieur du manchon et fixées sur les alvéoles. Dans certains cas, les bandes élastiques sont coupées de manière à former deux demi-manchons. De façon avantageuse, au moins un des al- véoles comporte des fenêtres dans sa partie centrale. Selon un autre mode de réalisation de l'in- vention, les fenêtres des alvéoles sont dites déflec- trices et comportent des arêtes inférieures et supé- rieures déformées en sens opposé vers l'intérieur et l'extérieur de l'alvéole. Selon un autre mode de réalisation de l'in- vention, Les bandes élastiques des manchons comportent au moins une collerette faisant saillie vers l'inté- rieur de chaque manchon et apte à pénétrer dans une gorge d'un crayon combustible. L'un des anneaux de chaque manchon est avantageusement fixé à la structure d'espacement constituée d'une plaque d'extrémité as- surant l'espacement et Le maintien selon ledit réseau maillé des manchons. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront plus précisemment de la des- cription qui suit, donnée à titre explicatif mais nul- lement limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles: - la figure 1, déjà décrite, représente en perspective une vue d'ensemble d'un assemblage combus- tible comportant des dispositifs selon l'invention; - la figure 2 représente une vue en perspec- tive d'un mode préféré de réalisation du dispositif selon l'invention; L- a figure 3 représente une vue en perspec- tive d'une première variante des moyens de fixation des manchons sur la structure et des moyens de fixa- tion entre alvéoles; - La figure 4 représente une vue en perspec- tive d'une seconde variante des moyens de fixation des manchons sur la structure; - les figures 5a et 5b représentent une vue en perspective d'une troisième variante des moyens de fixation des manchons sur la structure; - la figure 6 représente une vue en perspec- tive d'une quatrième variante des moyens de fixation des manchons sur la structure; - la figure 7 représente une vue en perspec- tive d'un autre mode de réalisation de l'invention comportant des fenêtres déflectrices; - la figure 8 représente une vue en perspec- tive d'un autre mode de réalisation de l'invention illustrant la fixation des extrémités des crayons com- bustibles; et - la figure 9 représente une vue en perspec- tive de deux demi-manchons. Sur la figure 2, un mode préféré de réalisa- tion d'un dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles appelé grille 4 est représenté. Le dispositif comprend une structure d'es- pacement constituée d'alvéoles carrés 20 disposés se- lon un réseau maillé. Les alvéoles sont obtenus de façon classique par des plaquettes 22 entrecroisées. Chaque alvéole contient soit un tube guide 18 (voir figure 1), soit un manchon 24 cylindrique destiné à assurer le positionnement et le maintien d'un crayon combustible 2. Chaque manchon 24 est constitué, à ses extrémités, de deux anneaux 26, 28 reliés par des ban- des élastiques 30 par exemple au nombre de quatre, incurvées vers l'intérieur du manchon 24. Les bandes et les anneaux forment une seule et même pièce. Les deux anneaux 24, 26 assurent le centrage du crayon combustible 2 (figure 1) dans le manchon 24. Les bandes élastiques 30 exercent un serrage sur le crayon combustible 2 et permettent ainsi son maintien transversal et l'amortissement des vibrations. Chaque manchon 24 est centré dans l'alvéole correspondant par des languettes 32, 34 de centrage soudées aux coins de l'alvéole 20 et sur chaque anneau 26, 28. Les languettes 32, par exemple au nombre de quatre, sont soudées radialement à l'anneau 28. Il en est de même pour les quatre languettes 34 qui *sont soudées radialement à l'anneau 26. Le dispositif selon l'invention se distin- gue donc des réalisations habituelles en ce que l'es- pacement et le maintien des crayons combustibles ne sont pas assurés par des appuis rigides et élastiques disposés en vis-à-vis, mais par des guidages rigides (les anneaux 26, 28) et des lames élastiques (les ban- des 30) situées tout autour des crayons. Les anneaux 26, 28 assurent le centrage des crayons et les bandes élastiques 30 permettent le maintien longitudinal de ces crayons par l'effort de serrage qu'elles exercent sur lesdits crayons. De plus la présence des manchons 24 dans les alvéoles 20 de la grille associée aux languettes de centrage 32, 34, confère aux dispositifs ou grilles une rigidité nettement accrue par rapport aux grilles constituées seulement de plaquettes entrecroisées 22 sans manchons 24. On peut donc par ce dispositif conserver la même épaisseur pour les plaquettes que celles de l'art antérieur et obtenir ainsi une meilleure résistance mécanique aux efforts transversaux (dûs à un séisme par exemple) grâce aux renforts constitués par les languettes. On peut aussi utiliser des plaquettes plus minces et donc avoir une résistance mécanique identi- que à celles des grilles actuelles tout en diminuant alors notablement la résistance hydraulique. Le dispositif d'espacement et de maintien est utilisable pour des assemblages combustibles de toutes sections et de tous pas. Le choix d'un tel dis- positif permet d'éviter le problème créé par le passa- ge des tubes guides 18 (figure 1) dans un dispositif de l'art antérieur o il est nécessaire d'avoir la présence simultanée d'appuis rigides et d'appuis élas- tiques. L'assemblage de la grille selon l'invention peut s'effectuer de la manière suivante. Les languet- tes 32, 34 sont soudées sur les manchons 24. Les pla- quettes 22 sont montées en un réseau d'alvéoles 20 carrées. Les manchons 24 sont introduits dans ces al- véoles et des points de soudure sont réalisés aux in- tersections 36 du réseau solidarisant ainsi en même temps les plaquettes et les languettes. Les soudures sont par exemple effectuées par Laser ou faisceau d'électrons. La figure 2 décrit des grilles selon l'in- vention o le réseau mailLé présente un pas carré. On peut aussi envisager, par exemple, des alvéoles cylin- driques disposés selon un réseau à pas triangulaire à l'intérieur d'un cerclage fermé. Les moyens de fixa- tion des manchons dans les alvéoles sont similaires à ceux décrits précédemment. On peut envisager de combi- ner les moyens de fixation des manchons sur La struc- ture et les moyens de fixation entre alvéoles comme le représente la figure 3. Des alvéoles cylindriques 40 sont disposés selon un réseau à pas triangulaire à l'intérieur d'un cerclage 42 fermé. Des pièces 44 en forme de U sont soudées par leurs extrémités 44a, 44b aux anneaux 26, 28 de deux manchons 24 adjacents et viennent chevau- cher les parois de leurs alvéoles 40 juxtaposées con- tenant ces manchons 24 adjacents. Une demi-fente 46 est pratiquée sur chaque pièce 44, et vient s'emboîter dans une demi-fente 48 correspondante pratiquée dans la paroi desdits alvéoles 40. Ces pièces 44 sont par exemple au nombre de 6 par alvéole. Elles réalisent d'une part la liaison entre les alvéoles juxtaposés et d'autre part le cen- trage et la fixation des manchons dans les alvéoles. L'assemblage d'une telle grille peut s'ef- fectuer de la manière suivante. On commence par monter le réseau d'alvéoles, en disposant et soudant les pièces 44 aux points de jonction 50 entre alvéoles. Puis les manchons 24 sont glissés puis soudés aux extrémités 44a, 44b des pièces 44 au niveau de leurs anneaux 26, 28 respectifs. Une autre variante de réalisation des moyens de fixation des manchons 24 sur Les alvéoles 40 est représentée sur La figure 4. Deux languettes 52a, 52b sont fixées sur Les anneaux 26, 28 de deux manchons 24 adjacents et s'ap- puient sur les parois des alvéoles 40 juxtaposées et sont soudées sur les manchons. Une partie intermédiaire 52c relie ces deux languettes 52a, 52b pour former une seule et même pièce 52. L'assemblage peut s'effectuer de la manière suivante: on commence par monter le réseau d'alvéoles en disposant et soudant les pièces 52 aux points de jonction 54 entre alvéoles. Puis les manchons 24 sont glissés puis soudés aux extrémités des languettes 52a, 52b. Une telle disposition permet de garantir que la pièce de liaison 52 ne peut se détacher sous l'ef- fet du courant d'eau circulant entre les crayons à vitesse élevée; la forme de cette pièce 52 assure qu'elle ne peut migrer et occasionner des dégâts. Dans les modes de réalisation précédents, les moyens de fixation des manchons sur les alvéoles sont constitués par des pièces rapportées. On peut aussi envisager de découper des languettes 60 dans la paroi de l'alvéole 40, puis de les rabattre vers l'in- térieur de l'alvéole comme le représentent les figures a et 5b. Ces languettes sont soudées par leur extré- mité sur les anneaux 26, 28 du manchon 24 contenu dans l'alvéole 40. Sur la figure 6, des languettes 70 sont dé- coupées dans les anneaux 26, 28 du manchon 24 puis rabattues vers l'extérieur du manchon afin d'être sou- dées à l'intérieur de la paroi de l'alvéole 40 par leur extrémité. Dans le cas d'alvéoles carrés, les languet- tes seront par exemple au nombre de quatre et décou- pées dans le manchon. Afin de favoriser le refroidissement des éléments combustibles, il est recommandé de créer des turbulences dans le fluide réfrigérant. La déviation du courant hydraulique est réalisée au travers de fe- nêtres dites déflectrices 82 découpées dans la paroi des alvéoles (figure 7). On réalise sur les arêtes inférieure 84 et supérieure 86 des fenêtres, des dé- formations préférentiellement de forme conique en sens opposé, vers l'intérieur et l'extérieur de l'alvéole. Ces déformations réalisées sur les fenêtres en regard de deux alvéoles juxtaposés sont compatibles entre elles, c'est-à-dire que si la déformation est orientée vers l'extérieur sur l'arête d'une fenêtre, elle doit être orientée vers l'intérieur dans l'alvéole voisin. Les moyens de fixation des manchons dans les alvéoles et des alvéoles entre eux sont similaires à ceux déjà décrits. De préférence les manchons sont constitués d'un alliage à base de zirconium du type zircaloy. Ce matériau a la particularité de présenter une relaxa- tion totale sous irradiation. Le serrage exercé par les bandes élastiques 30 est donc susceptible de dis- paraître en cours de fonctionnement. Pour assurer le maintien axial des crayons, la grille, référencée 4a sur la figure 1, disposée habituellement à proximité de la plaque d'extrémité inférieure 10 est supprimée et remplacée par des man- - chons 90 selon l'invention qui enserrent chaque crayon combustible 2 et sont rendus solidaires de ladite pla- que 10, comme il est représenté sur la figure 8. Chaque manchon 90 comporte deux anneaux 94, 96 reliés par des bandes élastiques 98 incurvées vers l'intérieur du manchon. Ces bandes 98 comportent une collerette 100 faisant saillie vers l'intérieur du manchon. Cette collerette 100 prend place dans une gorge 102 usinée sur l'extrémité du crayon combustible 2. L'anneau 96 situé au niveau de l'extrémité du crayon se prolonge de manière à former un bout fileté 104. Ce bout 104 est vissé dans la plaque d'extrémité inférieure 10. L'ensemble des manchons 90 vissés sur la plaque 10 assure un espacement rigide et un main- tien axial efficace des crayons combustibles 2 même sous irradiation grâce à la collaboration des colle- rettes 100 avec les gorges 102. On a également repré- senté sur la figure 8 un tube guide 18 de la figure 1. La grille 4a (figure 1) peut donc être sup- primée par un tel dispositif, ce qui se traduit par un gain appréciable pour la résistance hydraulique de l'assemblage. Bien sûr on peut envisager d'avoir plusieurs collerettes et plusieurs gorges associées pour un même assemblage manchon-crayon. De la même manière, la grille, référencée 4b sur la figure 1, disposée habituellement à proximité de la plaque d'extrémité supérieure 12 peut être rem- placée par un dispositif similaire à celui qui vient d'être décrit. Sur la figure 9, deux demi-manchons 110 et 112 sont représentés. Pour les fabriquer, on coupe un manchon selon l'invention tel que le manchon 24 de la figure 2 au milieu des bandes élastiques 30. L'utili- sation de deux demi-manchons permet de supprimer l'ef- fort longitudinal qui apparaît dans le manchon lors de l'effacement des bandes élastiques pendant l'intro- duction des crayons combustibles. Bien entendu, la description ci-dessus n'a été donnée qu'à titre d'exemple, toutes modifications dans les formes de réalisation peuvent être envisagées sans modifier le principe fondamental de l'invention. On peut par exemple découper des fenêtres dans les parois des alvéoles sans qu'elles soient dé- flectrices. Sur les figures 5a, 5b, des fenêtres 62 rectangulaires sont ainsi découpées dans la partie centrale des alvéoles 40. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles dans un assemblage combustible, caractérisé en ce qu'il comporte une structure d'espa- cernent définissant un réseau maillé, des manchons (24) cylindriques comprenant deux anneaux (26, 28) reliés par des bandes élastiques (30) incurvées vers l'inté- rieur de chaque manchon et des moyens de fixation des manchons (24) sur ladite structure. 2. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ladite structure d'espacement com- prend des alvéoles (20, 40, 80) régulièrement disposés selon ledit réseau maillé et des moyens de fixation entre alvéoles. 3. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de fixation des manchons (24) sur la structure comportent des languettes (32, 34) rectangulaires fixées d'une part sur les anneaux et fixées d'autre part aux parois des alvéoles (20). 4. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 3, carac- térisé en ce que les moyens de fixation entre alvéoles et de fixation des manchons (24) sur la structure com- portent des pièces (44) en forme de U fixées par leurs extrémités (44a, 44b) à deux manchons (24) adjacents et venant chevaucher les parois des alvéoles (40) con- tenant ces manchons (24) adjacents, lesdites pièces 0 (44) étant fixées sur ces parois. 5. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de fixation des manchons (24) sur la structure comportent des pièces de liaison (52) comprenant des languettes (52a, 52b) fixées sur les anneaux (26, 28) de deux manchons (24) adjacents et traversant les parois des aLvéoles (40) contenant ces manchons (24) adjacents et une partie intermédiai- re (52c) reliant lesdites languettes (52a, 52b). 6. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de fixation des manchons (24) sur la structure comportent des languettes (60) découpées dans chaque alvéole (40) et rabattues vers le manchon (24) contenu dans chaque alvéole (40) et fixées sur les anneaux (26, 28) dudit manchon (24). 7. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les moyens de fixation des manchons (24) sur la structure comportent des languettes (70) découpées dans les anneaux (26, 28) et rabattues vers l'extérieur du manchon (24) et fixées sur les alvéoles (40). 8. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 7, caractérisé en ce que les bandes élastiques (30) sont coupées de manière à former deux demi-manchons (110, 112). 9. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selqn l'une quelconque des reven- dications 2 à 8, caractérisé en ce qu'au moins un des alvéoles (20, 40, 80) comporte des fenêtres (62, 82) dans sa partie centrale. 10. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 9, ca- ractérisé en ce que les fenêtres (82) dites déflectri- ces comportent des arêtes inférieures (84) et supé- rieures (86) déformées en sens opposé vers l'intérieur et l'extérieur de l'alvéole (80). 11. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les bandes élastiques (30, 98) des manchons (24) comportent au moins une collerette (100) faisant saillie vers l'intérieur de chaque manchon et apte à pénétrer dans une gorge (100) d'un crayon com- bustible. 12. Dispositif d'espacement et de maintien de crayons combustibles selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 11, caractérisé en ce que l'un des anneaux (96) de chaque manchon (90) est fixé à la structure d'espacement constituée d'une plaque d'ex- trémité (10) assurant l'espacement et le maintien se- lon ledit réseau maillé des manchons.