Brevet FR2585499A1 — publié le 19870130

-1 Dispositif de maintien hvdraulique pour assemblage combustible nucléaire et réacteur nucléaire en compor- tant aDpplication L invention concerne les dispositifs de maintien hydraulique destinés à contrecarrer l'envol des assem- blages de combustible sous l'action des forces exercées sur eux par le réfrigérant en circulation ascendante dans le coeur. Ces dispositifs sont conçus pour provo- quer l'apparition d'une force hydraulique dirigée vers le bas et s'exerçant sur les assemblages, s'opposant à celle due à la perte de charge subie par le réfrigérant à la traversée du coeur ou du moins d'une partie de celui-ci. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les réacteurs refroidis et modérés à l'eau légère, dont les assem- blages sont démunis de boltier. On connait déjà des dispositifs de maintien hydraulique destinés aux assemblages comportant un fais- ceau de crayons combustibles dans un boîtier prolongé vers le bas par un pied muni d'une partie centrale d'appui sur un sommier de répartition du réfrigérant et s'ouvrant vers le haut dans un collecteur en communica- tion avec l'espace résiduel entre boitiers adjacents.Il suffit dans ces conditions que la partie centrale pré- sente une section notablement plus faible que la partie courante de l'assemblage pour que le poids apparent de l'assemblage compense la force d'envol, Cette solution, déjà adaptée dans des réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, semble impos- sible à transposer aux assemblages démunis de boltier, dont la cohésion est généralement assurée par un sque- lette comportant des grilles réparties le long du fais- ceau de crayons et fixées à des tirants, reliant deux embouts dont l'un constitue le pied d'assemblage. Il n'y a alors en effet pas de différence de pression appré- ciable entre l'intérieur et l'extérieur des assemblages, à un même niveau donné dans le coeur. L'invention vise à fournir un dispositif de maintien hydraulique surmontant cette impossibilité apparente en créant une force de pression dirigée vers le bas et appliquée au pied d'assemblage. Elle propose dans ce but un dispositif destiné à un réacteur compre- nant un sommier inférieur support de coeur et des assem- blages combustibles sans boltier comprenant chacun un faisceau de crayons maintenus par un squelette ayant un pied d'admission de réfrigérant dans l'assemblage et d'appui-sur le sommier, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire régner une pression réduite dans un espace limité par la face inférieure d'une zone annu- laire du pied autour de l'admission du réfrigérant, qui a une section inférieure à la section courante de l'as- semblage. Une solution simple consiste à maintenir à l'intérieur du sommier une pression inférieure à la pression d'admission et à relier ledit espace au som- mier. En particulier, on peut créer un trajet de fuite présentant une perte de charge importante, depuis le coeur vers l'intérieur du sommier, à travers ledit espace. La pression inférieure peut notamment être celle qui règne dans le collecteur de réfrigérant, au-dessus du coeur. Il suffit alors de relier le collecteur à l'intérieur du sommier. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en consti- tuent des modes particuliers d'exécution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe, en élé- vation, montrant le sommier d'un réacteur et un assem- blage combustible monté sur le sommier, montrant le montage du pied dans le sommier et les paramètres qui interviennent pour déterminer la force de maintien, - la Figure 2 est un schéma en élévation et en coupe suivant un plan passant par l'axe d'un assemblage, - les Figures 3 et 4 montrent, respectivement en coupe suivant un plan vertical et en élévation, un pre- mier mode de réalisation du dispositif, - la Figure 5, similaire à la Figure 3, montre une variante de réalisation, - les Figures 6 et 7, similaires aux Figures 3 et 4, montrent un autre mode de réalisation. Le dispositif sera maintenant décrit dans son application à un réacteur ayant une constitution gêné- rale qui est celle des réacteurs à eau sous pression, généralement utilisés à l'heure actuelle, et dont on pourra trouver une description par exemple dans la brochure "Centrales Nucléaires EDF de 1300 MWe", EDF, Paris, Octobre 1984. La Figure 1 montre une fraction de la cuve 10 de résistance à la pression de l'eau légère constituant réfrigérant et modérateur d'un réacteur. Une enveloppe 12 placée dans la cuve sépare la circulation descendante de réfrigérant admis par une tubulure 14 de la circula- tion montante à travers le coeur. Ces circulations sont indiquées par des flèches fO. Une plaque inférieure de coeur 16 solidaire de l'enveloppe porte les assemblages de combustible dont un seul, 18, est représenté. Chaque assemblage comprend un squelette constitué par un embout supérieur 20, un embout inférieur muni d'un pied 22, des tirants 24 reliant le pied et la tète et des grilles 26 réparties le long des tirants- 24. L'assemblage comporte encore un faisceau de crayons de combustible 28 répartis aux noeuds d'un réseau régulier dont certains noeuds sont occupés par les tirants 24. Ces crayons sont main- tenus par les grilles 26. Le réfrigérant admis dans l'assemblage par le pied 22 s'échappe par l'embout supé- rieur 20 dans un collecteur avant de quitter l'enveloppe 10 du réacteur par une tubulure de sortie (non représen- tée). Le réfrigérant, amené à la pression P1 dans le réacteur par la tubulure 14, subit à la traversée des assemblages une perte de charge qui réduit sa pression à une valeur inférieure P2 dans le collecteur. La disposition décrite jusqu'ici est classique. Mais la constitution du pied de l'assemblage est nota- blement différente de celle des assemblages classiques. Pour créer une force de retenue hydraulique, le dispo- sitif suivant l'invention doit faire apparaître une zone de basse pression située sous le pied et à pression in- férieure à celle qui règne dans l'assemblage. Si l'ali- mentation de l'assemblage se fait axialement par un con- duit de diamètre extérieur d1 et si le pied est soumis à la basse pression sur une zone limitée par un cercle de diamètre d2, la force de maintien hydraulique pourra au plus s'exercer sur une zone annulaire limitée par les cercles de diamètre d et d2 et elle sera au maximum égale à 1-p ) (d -d1 2), P2 étant la pression ré- duite disponible. Les modes de réalisation de l'invention qui se- ront décrits utilisent le sommier 16 constituant plaque inférieure de coeur comme puits de pression. Pour cela, le sommier délimite un volume 30 à pression réduite P par rapport à la pression d'admission P1. Une solution simple pour obtenir cette pression réduite consiste à relier le volume 30 au collecteur de sortie du réfri- gérant par un espace annulaire ou des conduits 32 ne présentant qu'une perte de charge faible: dans ces conditions, la pression P0 dans le volume 30 est proche de P2. L'espace annulaire 32 est par exemple ménagé entre l'enveloppe 12 et le cloisonnement 33 épousant la forme du coeur. Le pied présente de son côté une forme telle qu'on cree sous une surface annulaire une pression 9 proche de PO' la différence entre la pression à la partie basse de l'assemblage (très proche de la pression P1) et la pression P0 dans le volume 30 exerçant sur le pied une force dirigée vers le bas. Dans les modes de réalisation particuliers qui seront maintenant décrits, ce résultat est atteint en créant un trajet de fuite présentant une perte de charge importante (de façon a limiter le débit) depuis la par- tie inférieure du coeur, o le réfrigérant est à pres- sion pratiquement égale à Pl, vers le volume 30, l'es- sentiel de la perte de charge intervenant en amont d'un espace délimité par la face inférieure d'une zone annu- laire de diamètre d2 du pied correspondant à une section effective d'action de la pression représentant une fraction notable de la section totale de l'assemblage. Le trajet de fuite, indiqué schématiquement par les flèches fi sur la Figure 1, est délimité, d'une part, par le pied d'assemblage 22, d'autre part par un dispo- sitif d'alimentation 34 solidarisé de façon permanente au sommier 16. Dans le mode de réalisation schématisé en Fi- gure 2. dont les composants sont montrés séparés sur les Figures 3 et 4, le trajet de fuite à perte de charge élevée est double. Le dispositif d'alimentation 34 com- prend deux tubes coaxiaux. Le tube interne 38 est fixé à la plaque basse 40 du sommier et constitue passage d'ad- mission du réfrigérant. Le tube externe 42 est fixé à la plaque haute de sommier 44 et sert.-d'appui au pied 22. Dans la réalisation montrée en Figures 3 et 4, une douille 46 formant entretoise relie les plaques aux sommiers 44 et 40. Les tubes 38 et 42 ne sont pas fixés aux plaques 40 et 44 directement, mais par l'intermé- diaire de la douille 46. Cette dernière est percée de trous 48 mettant en communication le volume intérieur 30 du sommier avec des cannelures 49 ménagées dans la douille 46 et débouchant dans un espace 50. Une première branche du trajet de fuite est délimitée par le tube interne 38 et l'alésage interne du pied d'assemblage 22. La perte de charge dans cette branche doit correspondre à P1-PO pour un débit restant acceptable. Pour arriver à ce résultat sans nécessiter un centrage précis du pied 22 dans le dispositif 36, ces organes sont prévus pour que le trajet présente une série de rétrécissements et d'élargissements constituant un labyrinthe. Ce labyrinthe peut ëtre constitué en laissant lisse l'alésage du pied 22 et en usinant, sur la partie supérieure du tube interne 38, un filetage ou des rainures circonférentielles qui ont avantageusement un profil dissymétrique, comme le montrent les Figures 2 et 3. Le second trajet de fuite est fermé lorsque l'assemblage de combustible est correctement en appui sur le dispositif d'alimentation 36. Il comporte un jeu annulaire prévu entre la face interne du tube 42 et la face externe du pied. Ce trajet est également muni d'un labyrinthe, délimité par la face interne lisse du tube 42 et la face externe filetée de la partie basse du pied, de forme cylindrique et de diamètre d1 définissant une section nettement inférieure à la section droite de la partie courante de l'assemblage et du haut du pied. Le pied 22 prend appui sur le tube 42 dans une zone de diamètre proche du diamètre extérieur du tube 42. A cet effet, le pied 22 présente une partie sphé- rique 51 destinée à s'appuyer sur une portée tronconique 52. Cette partie sphérique est reliée à un embout termi- nal de forme polygonale, correspondant à la forme du faisceau de crayons 28, par une zone de raccordement. La portée de la partie 51 sur un cône donne en général une étanchéité annulant le débit de fuite du labyrinthe externe. Celui-ci reste cependant nécessaire pour assurer la stabilité du dispositif en cas de léger soulèvement de l'assemblage et conserver dans ce cas l'effort de maintien hydraulique. On voit que les deux débits de fuite sont col- lectés dans le volume 30 puis ramenés à la sortie du coeur par un passage à faible perte de charge. On dispose en conséquence, sous le pied, d'une différence de pression pratiquement égale à P1-PO. On voit par ailleurs que le tube interne 38 se termine au-dessous du niveau du tube externe 42, de sorte qu il se trouve protégé. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit présente de nombreux avantages: le pied 22 est de cons- titution simple et peut être usiné en une seule pièce à partir d'une ébauche forgée. La longueur du pied est pratiquement minimale. Lorsqu'on cherche à rendre maximale la force de maintien hydraulique, on pourra substituer le mode de réalisation montré en Figure 5 à celui des Figures 2 à 4. Dans le cas de la Figure 5, o les organes corres- pondant à ceux des Figures précédentes sont désignés par le même numéro de référence, le tube externe 42 se réduit à une enveloppe mince. Dans ces conditions, cette enveloppe ne peut supporter des efforts transversaux importants lors des manutentions et il est nécessaire de prolonger vers le haut le tube interne 38 pour qu il soit en saillie. Dans certains cas, il peut être souhaitable de rendre le tube interne plus facilement accessible afin de pouvoir l'examiner et, éventuellement, le réparer et de rechercher un montage parfaitement coaxial de sur- faces en regard des deux tubes, ce qui peut être diffi- cile à réaliser lorsqu'ils ne sont pas d'une seule pièce. Dans ce cas. on peut adopter la disposition mon- trée en Figures 6 et 7. Le dispositif représenté sur ces Figures com- prend encore un pied d'assemblage 22 et un dispositif d'alimentation 34. Le trajet de fuite comporte une seule branche, à deux labyrinthes débitant en sens opposé. Le premier labyrinthe comporte l'alésage lisse de la partie haute du dispositif 34, de grand diamètre, et un file- tage usiné sur la surface externe de la partie haute 56 du pied 22. L'écoulement de fuite F1 qui traverse ce labyrinthe s'échappe ensuite, par l'espace 50 et des perçages 58 d'une douille 46, dans le volume 30. Le second labyrinthe est délimité par l'alésage de la douille 46, ayant un diamètre notablement infé- rieur à celui de la partie 34, et un filetage usiné sur la partie basse 60 du pied 22. Cette partie basse est reliée à la partie haute 56 par un raccord tronconique qui délimite l'espace 50 avec le dispositif 34. On voit que les faces internes des parties cylindriques du dispositif d'alimentation 34 sont lisses et peuvent être traitées, par exemple par stellitage, de façon à avoir une grande dureté. Les gorges ou le file- tage sont ménagés sur le pied, c'est-à-dire sur un organe qui est enlevé en même temps que l'assemblage et peuvent donc être inspectés et réparés facilement. Le pied reste cependant simple et peut être réa- lisé à partir d'une ébauche forgée. Par ailleurs, le dispositif d'alimentation 34 peut être aisément consti- tué en une seule pièce, plutôt qu'en plusieurs pièces assemblées comme dans le cas des Figures 6 et 7. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représen- tés et décrits à titre d'exemples et il doit être enten- du que la portée du présent brevet s'étend à toutes variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Dispositif de maintien hydraulique d'assem- blage combustible pour réacteur comprenant un sommier inférieur (16) support de coeur et des assemblages com- bustibles (18) sans boútier comprenant chacun un fais- ceau de crayons (28) maintenus par un squelette ayant un pied d'admission de réfrigérant dans l'assemblage et d'appui sur le sommier, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire régner une pression réduite dans un espace (50) limité par la face inférieure d'une zone annulaire du pied autour de l'admission du réfrigérant. qui a une section inférieure à la section courante de l'assemblage. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, l'intérieur du sommier (16) étant re- lié à une zone du réfrigérant à une pression inférieure à la pression d admission lesdits moyens relient ledit espace au sommier. 3. térisé en qui règne du coeur. Dispositif selon la revendication 2, carac- ce que ladite pression inférieure est celle dans un collecteur de réfrigérant, au-dessus 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un trajet de fuite présentant une perte de charge importante, depuis le coeur vers l'intérieur (30) du sommier, à travers ledit espace. 5. Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que, le pied étant à admission axiale de réfrigérant à travers le sommier, le trajet de fuite est délimité par un labyrinthe ménagé entre la surface in- terne d'un tube (42) solidaire du sommier et une partie du pied, située au-dessous d'un appui (51, 52) du pied sur le tube, le labyrinthe délimitant une section cir- culaire de diamètre nettement supérieur à la section i0 d'alimentation axiale en réfrigérant et débouchant dans ledit espace qui est relié à l'intérieur (30) du som- mier. 6. Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le trajet de fuite comporte une seconde branche, ménagée entre une surface interne cylindrique du pied (22) et une partie d'un tube interne (68) sol- idaire du sommier et en saillie dans le pied. 7. Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que le trajet de fuite comporte une seconde branche, ménagée entre un prolongement du pied (22) en saillie dans une douille traversant le sommier et la surface interne lisse de ladite douille (46). 8. Dispositif selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque labyrinthe est délimité par une surface lisse cylindrique et une surface munie de rainures circonférentielles ou d'un filetage. 9. Réacteur nucléaire comprenant un sommier inférieur (16) supportant des assemblages combustibles (18) sans boitier, ayant chacun un faisceau de crayons (28) maintenus par un squelette ayant un pied d'admis- sion de réfrigérant dans l'assemblage et d'appui sur le sommier, caractérisé en ce que le sommier délimite un volume (30) à une pression inférieure à la pression d'admission de réfrigérant dans les assemblages et en ce que le pied de chaque assemblage délimite, avec un dis- positif d'alimentation porté par le sommier, un espace (50) relié à l'intérieur du sommier et dans lequel la pression exerce sur le pied une force dirigée vers le bas.