Brevet FR2607617A1 — publié le 19880603

La présente invention a trait à une m6thode de réalisa- tion d'assemblage de combustible à entretoisement par fils métalliques qu'on fabrique en.groupant une série d'éléments de combustible, autour desquels des fils métalliques sont enroulés en hélice, et en plaçant ces éléments de combustible dans un tube d'enveloppement et, plus particulièrement, à une méthode permettant de déterminer diverses dimensions d' un assemblage de combustible nucléaire de façon à éviter de manière fiable l'apparition de rayures, dues au frottement entre les éléments de combustible et les fils d'entretoise- ment enroulés autour d'éléments voisins, sur les surfaces des tubes de gainage des éléments de combustible. On réalise un assemblage de combustible à entretoisement par fils métalliques en logeant dans un tube d'enveloppement une série d'éléments de combustible dont les tronçons d'ex- trémités inférieurs sont fixes et dont les tronçons supé- rieurs sont maintenus espacés les uns des autres par les fils métalliques d'entretoisement enroulés autour des éé16- ments. Par exemple, comme représenté sur la figure 3, on dis- pose une multiplicité d'éléments de combustible 12 en un mo- tif triangulaire dans un tube d'enveloppement 10 à section hexagonale, les éléments de combustible 12 6tant maintenus à une distance déterminée des éléments voisins, sauf sur leurs tronçons d'extr6mité inférieurs, par les fils métalli- ques enroulés en hélice autour de leurs surfaces périphéri- ques extérieures de façon que les interstices séparant les éléments de combustible constituent des passages d'écoule- ment d'un agent de refroidissement ou caloporteur. Si l'on considère les éléments de combustible 12 sup- port6s les uns par les autres par l'intermédiaire des fils 14 faisant office d'entretoises, la surface ext6rieure d'un tube de gainage et le fil d'entretoisement d'un élément de combustible voisin frottent l'un contre l'autre en leurs points de contact du fait qu'ils vibrent sous l'effet de l'6coulement du caloporteur, comme indiqué sur la figure 4. Ceci risque de faire apparaître des rayures sur la surface extérieure du tube de gainage. Lorsqu'une rayure apparaît sur la surface extérieure du tube de gainage, l'épaisseur de ce dernier s'en trouve diminuée et l'on risque de voir une telle rayure provoquer dans certains cas la rupture du tube de gainage. Par consé- quent, il est nécessaire de réduire au minimum l'apparition de telles rayures. Parmi les méthodes s'opposant à l'apparition de telles rayures figure celle consistant à minimiser la porosité par anneau (P/a) existant à l'intérieur d'un faisceau d'éléments de combustible 12 de façon à entraver nettement les libres déplacements des éléments 12, et à fixer une valeur faible au pas L du fil métallique 14 enroulé autour de chaque élé- ment combustible 12, de façon à multiplier les points de support entre éléments 12. La porosité par anneau existant à l'intérieur du faisceau d'éléments de combustible est ex- primée par l'équation suivante: porosité par anneau = (A-B)/N o A représente la dimension ou distance entre surfaces intérieures opposées du tube d'enveloppement, B, le diamètre extérieur du faisceau serré d'éléments de combustible et N, le nombre d'anneaux (rangées annulaires concentriques d'élé- ments de combustible) existant dans l'assemblage de combus- tible, comme indiqué sur la figure 5. Ainsi (A-B) désigne le jeu entre le faisceau serré d'éléments de combustible et le tube d'enveloppement. Le faisceau d'éléments de combusti- ble représenté sur la figure 5 est un faisceau dans lequel les éléments de combustible sont séparés par des distances notables. Toutefois, B représente dans l'équation sus-indi- quée la mesure du diamètre extérieur d'un faisceau dans le- quel les éléments de combustible sont étroitement serrés. La figure 6 est un diagramme indiquant les résultats obtenus en utilisant un assemblage de combustible à entre- toisement par fils métalliques dans un réacteur surrégénéra- teur rapide quant à l'apparition ou à la non-apparition de rayures, diagramme portant en ordonnées la porosité par an- neau existant à l'intérieur du faisceau d'éléments de combus- tible et en abscisses, le pas L du fil métallique enroulé autour de chaque élément combustible. Le domaine d'appari- tion et celui de non-apparition de rayures peuvent être éta- blis sous forme de diagramme pour la plupart des assembla- ges de combustible nucléaire, mais non pour certains d'en- tre eux. En effet, si l'on détermine diverses dimensions d'un assemblage de combustible en se basant seulement sur la porosité par anneau et sur le pas L, on ne peut dans cer- tains cas empêcher l'apparition de rayures. Par conséquent, avec les techniques courantes de ce genre, on ne dispose pas encore d'une méthode rationnelle pour la conception d'un assemblage de combustible nucléaire de nature à assurer un degré suffisant d'intégrité des éléments de combustible. La présente invention a pour but de proposer une nou- velle méthode de réalisation d'un assemblage de combustible à entretoisement par fils métalliques de nature à résoudre les problèmes posés par la méthode courante de ce genre, en évitant de manière fiable l'apparition de rayures sur les éléments de combustible, ce qui assure un degré suffisant d'intégrité des éléments de combustible et en améliore la longévité et le rendement de fabrication de l'assemblage de combustible nucléaire. La présente invention a trait à une méthode de réalisa- tion d'assemblage de combustible nucléaire fabriqué en dis- posant régulièrement une multiplicité d'éléments de combus- tible sur lesquels sont enroulés des fils métalliques, et en plaçant ces éléments de combustible dans un tube d'enve- loppement, la distance séparant les éléments de combustible voisins étant maintenue à une valeur déterminée par ces fils métalliques. Attendu que l'apparition de rayures sur les éléments de combustible découle de vibrations de ces éléments, on a étudié les causes possibles de vibration des éléments de combustible et découvert que la résistance à la flexion des éléments de combustible intervenait dans l'apparition de rayures. En effet, un élément de combustible fléchit d'au- tant plus difficilement que sa résistance à la flexion aug- mente, et l'apparition de rayures est plutôt inversement proportionnelle à la résistance à la flexion de l'élément de combustible. La présente invention a été conçue en se basant sur ces données. Afin d'atteindre le but sus-indiqué, la présente inven- tion propose une méthode de réalisation d'un assemblage de combustible à entretoisement par fils métalliques, caracté- risée en ce qu'elle comprend les étapes consistant à prépa- rer un diagramme portant en coordonnées, d'une part, la po- rosité par anneau.(A-B)/N existant à l'intérieur d'un fais- ceau d'élément de combustible (o A représente la dimension ou distance entre surfaces intérieures opposées du tube d'enveloppement, B, le diamètre extérieur d'un faisceau serré des éléments de combustible et N, le nombre d'anneaux existant dans l'assemblage de combustible) et, d'autre part, l'aptitude à la flexion L3/I de l'élément de combustible (oû L représente le pas du fil métallique enroulé autour de l'élément de combustible et I, le moment d'inertie géométri- que du tube de gainage de l'élément de combustible), à por- ter sur le diagramme l'apparition et la non-apparition de rayures sur les éléments de combustible en fonction des co- ordonnées de façon à déterminer un domaine de non-apparition de rayures, et à fixer diverses dimensions de l'assemblage d'éléments combustibles de façon qu'elles soient comprises dans le domaine de non-apparition de rayures. Il existe aussi une méthode commode de réalisation d'un assemblage de combustible à entretoisement par fils métalli- ques selon laquelle on détermine diverses dimensions de 1' assemblage de combustible de façon a avoir: (A-B)/N x L3/I g 90 000. En utilisant ainsi ces deux facteurs, (A-B)/N et L3/I, on peut exprimer de manière simple les conditions d'appari- tion de rayures sur les éléments de combustible de l'assem- blage de combustible à entretoisement par fils métalliques sur un diagramme à coordonnées rectilignes planes comportant. des axes de coordonnées perpendiculaires entre eux représen- tant les deux facteurs, et déterminer clairement le domaine d'apparition de rayures. On peut faire correspondre les diverses dimensions de l'assemblage de combustible nucléaire, à savoir la distance ou dimension entre surfaces intérieures opposées du tube d'enveloppement, diamètres extérieur et intérieur du tube d'enveloppement de l'élément de combustible, ainsi que dia- mètre extérieur du fil d'entretoisement et pas d'enroulement de ce fil, à un domaine de non-apparition de rayures du dia- gramme à coordonnées rectilignes planes indiquant les condi- tions d'apparition de rayures. Ceci permet de réaliser très aisément un assemblage de combustible nucléaire très sain, non susceptible de se trouver rayé. En satisfaisant à la condition (A-B)/N x L3/I 4 90 000, on empêche l'apparition de rayures. Ces buts ainsi que d'autres, et des aspects avantageux de l'invention, apparaîtront d'après la description donnée ci-dessous d'un mode de mise en oeuvre préféré, en se réfé- rant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un diagramme, indiquant les conditions d'apparition de rayures, établi par la méthode suivant la présente invention; la figure 2 est un diagramme indiquant les conditions d'apparition de rayures, portant en ordonnées (A-B)/N x L3I et le nombre de Reynolds; la figure 3 est une vue en coupe d'un assemblage de combustible à entretoisement par fils métalliques; la figure 4 illustre le mode d'apparition de rayures sur un assemblage de combustible à entretoisement par fils métalliques; la figure 5 illustre la définition de la porosité par anneau existant à l'intérieur d'un faisceau d'éléments de Combustible; et la figure 6 est un diagramme indiquant les conditions d'apparition de rayures établi conformément à une méthode courante de ce genre. Il est jugé adéquat d'utiliser le moment d'inertie géométrique d'un tube de gainage d'élément de combustible en tant qu'indice représentatif de la résistance à la flexion de l'élément de combustible. Le moment géométrique I du tube de gainage est exprimé par l'équation: I = Or (Do - Di) o Do est le diamètre extérieur du tube de gainage et Di en est le diamètre intérieur. On se réfère à la figure 6; les éléments de combustible de l'assemblage de combustible dont on ne saurait établir les domaines d'apparition et de non- apparition de rayures comportent des tubes de gainage ayant un moment d'inertie géométrique I important. Pour cette rai- son, il est indiqué d'établir le diagramme d'apparition de rayures en prenant en considération le moment d'inertie géo- métrique I du tube de gainage en plus de la porosité par an- neau existant à l'intérieur du faisceau d'éléments de combus- tible et du pas L du fil d'entretoisement enroulé autour de chaque élément de combustible. Parmi ces trois facteurs, le pas L du fil métallique enroulé autour de chaque élément de combustible sert d'indi- ce représentatif du nombre de points de support établis avec un élément de combustible voisin. Plus le pas L du fil enrou- lé est faible et plus le nombre de points de support de cha- que élément de combustible devient grand. On considère que, si l'on réduit le pas L, la distance entre points de support voisins devient relativement petite, et il devient alors difficile de faire fléchir les éléments de combustible. Pour cette raison, on utilise une combinaison de L et I comme in- dice représentatif de la facilité de flexion des éléments de combustible. La facilité de flexion d'un élément de combustible peut être exprimée concrètement par la quantité de flexion par charge unitaire subie par une poutre, par exemple, sup- portée à ses deux extrémités et présentant une distance en- tre-points d'appuis de c.L (oc(est une constante). Pour cette raison, il est jugé adéquat d'exprimer la facilité de flexion d'un élément de combustible par L3/I. On a établi les conditions d'apparition de rayures sur des éléments de combustible sur un diagramme portant en co- ordonnées rectilignes planes (A-B)/N et L3/I en utilisant des données semblables à celles indiquées sur la figure 6, pour l'obtention des résultats indiqués sur la figure 1. Il est clair que, lorsqu'on a recours à ces deux facteurs,les domaines d'apparition et de non-apparition de rayures peuvent être nettement distingués l'un de l'autre. Par conséquent, en utilisant le diagramme selon la figure 1, on peut déter- miner les dimensions d'un assemblage de combustible nucléai- re correspondant à la régiof de non-apparition de rayures en fixant le diamètre extérieur du fil d'entretoisement en fonction, par exemple, de là résistance à la flexion du tu- be de gainage et du pas du fil métallique d'entretoisement entourant chaque élément de combustible. On a aussi étudié, en tant qu'autres facteurs, la lon- gueur de l'élément de combustible, la vitesse d'écoulement et la température du caloporteur et le temps d'irradiation mais il s'est avéré qu'aucun de ces facteurs n'exerçait un effet plus accusé que celui des facteurs (A-B)/N et L3/I. Il existe une méthode encore plus commode selon laquel- le on utilise le facteur sans dimension (A-B)/N x L3/I conim- me représenté sur la figure 2 avec pour autre coordonnée le nombre de Reynolds qui est aussi un nombre sans dimension et une valeur type exprimant le mode d'écoulement du caloporteur dans un assemblage de combustible. Suivant cette méthode,on peut déterminer plus nettement un domaine (A-B)/N x L3/I dans lequel des rayures apparaissent. En effet, en satisfai- sant à la condition (A-B)/N x L3/I 90 000, on peut éviter l'apparition de rayures. Sur la figure 2, on a indiqué les conditions d'appari- tion et de non-apparition de rayures en portant, pour plus de commodité, le nombre de Reynolds en abscisses. Même si l'on établit le diagramme d'apparition et de non-apparition de rayures en fonction de quelque autre facteur, on obtient les mêmes résultats. Ainsi, on peut commodément déterminer les domaines d'apparition et de non-apparition de rayures en utilisant le facteur (A-B)/N x L3/I. En établissant ainsi le diagramme d'apparition et de non-apparition de rayures en fonction de (A-B)/N et de L3/I de façon à délimiter les domaines d'apparition et de non- apparition de rayures, on peut déterminer de manière simple certaines dimensions d'un assemblage de combustible nucléai- re, à savoir la dimension entre surfaces inférieures oppo- sées d'un tube d'enveloppement, les diamètres extérieur et intérieur d'un tube de gainage, le diamètre extérieur d'un fil métallique d'entretoisement et le pas du fil d'entretoi- sement enroulé autour de chaque élément de combustible de façon à ne pas provoquer le rayage des éléments de combusti- ble. Pour certains assemblages de combustible,- on a résumé sur le tableau ci-dessous lesdites dimensions de l'assembla- ge et le rayage ou non rayage des éléments de combustible. Assemblage de combustible V W X Y Z Nombre d'élé- ments de com- bustible 91 19 127 91 91 N *1 6 3 7 6 6 Do(mm) *2 5,5 15,0 5,5 6,3 6,3 Di(mm) *3 4,8 13,8 4,8 5,6 5,6 I (mm4) *4 18,9 705 18,9 29 29 Sd(mm) *5 0,915 1,30 0,90 1,20 1,237 L (mm) *6 295 314 209 266 266 L3/I(mm -1) 1,36Xio6 4,39X104 4,84X05 6,47X105 6,47X105 A (mm) *7 63,5 74,7 74,7 74,7 74,7 B (mm) *8 62,9 74,1 73,8 73,7 74,0 A - B 0,6 0,6 0,9 1,0 0,7 OP/a*9 0,10 0,20 0,13 0,17 0,11 Rayage oui non non oui non Notes *1 N: nombre d'anneaux *2 Do: diamètre extérieur du tube de gainage *3 Di: diamètre intérieur du tube de gainage *4 I: moment d'inertie géométrique du tube de gaina- ge *5 Sd: diamètre extérieur du fil d'entretoisement *6 L: pas du fil d'entretoisement enroulé autour de chaque élément de combustible *7 A: dimension entre surfaces intérieures opposées du tube d'enveloppement *8 B: diamètre extérieur du faisceau serré d'éléments de combustible *9 P/a: porosité par anneau (A-B)/N Le tableau appelle les commentaires suivants: -1) Il apparait des rayures dans l'assemblage de combus- tible V, alors qu'il n'en apparaît pas dans l'assemblage de combustible W. Il en est ainsi parce que, dans l'assemblage de combustible W, L /I est plus faible (I plus grand) bien que P/a soit plus grand. 2) Il apparaît des rayures dans l'assemblage de combus- tible V, alors qu'il n'en apparait pas dans l'assemblage de combustible X. Il en est ainsi parce que, dans l'assemblage de combustible X, L3/I est plus faible (L plus faible) bien que P/a soit plus grand. 3) Il apparaît des rayures dans l'assemblage de combus- tible Y, alors qu'il n'en apparaît pas dans l'assemblage de combustible Z. Ceci est seulement dû à ce que P/a est plus faible dans l'assemblage de combustible Z, puisque tous les autres facteurs sont égaux dans ces assemblages de combusti- ble Y et Z. Comme le montrent les exemples ci-dessus, l'apparition ou la non-apparition de rayures dépend de (A-B)/N et de L, 1Io- La présente invention a trait à un procédé de réalisa- tion d'assemblage de combustible à entretoisement par fils métalliques selon lequel on établit le diagramme d'appari- tion et de non-apparition de rayures en fonction de deux facteurs, (A-B)/N et L3/I, en tenant compte de la résistan- ce à la flexion des éléments de combustible, pour déterminer certaines dimensions de l'assemblage de combustible. Il de- vient ainsi possible de concevoir et de fabriquer un assem- blage de combustible nucléaire échappant au rayage, et d' améliorer grandement la longévité de cet assemblage. Plus particulièrement, lorsqu'on utilise des éléments de combustible comportant, par exemple, des tubes de gainage à moment d'inertie géométrique important, on peut choisir (A-B)/N plus grand que selon la méthode antérieure de ce genre, et l'on peut aussi augmenter le pas de fil métallique d'entretoisement enroulé autour de chaque élément de combus- tible. Si l'on peut choisir (A-B)/N important, le jeu entre un faisceau d'éléments de combustible et la surface intérieu- re opposée du tube d'enveloppement est nécessairement grand lors de la mise en place de l'assemblage de combustible nu- cléaire dans le tube d'enveloppement. Par conséquent, l'opé- ration d'assemblage peut être effectuée aisément et le gon- flement du faisceau d'éléments de combustible nucléaire, qui progresse au cours de l'irradiation, est permis par ledit jeu. Ceci assure une amélioration de la longévité de l'as- semblage de combustible nucléaire. En revanche, lorsqu'il est n6cessaire de conserver à (A-B)/N une valeur faible, la dispersion nécessairement constatée sur le diamètre exté- rieur des tubes de gainage, la dimension entre surfaces in- térieures opposées du tube d'enveloppement et le diamètre extérieur des fils métalliques exercent un effet sur (A-B)/N. Par conséquent, s'il faut choisir (A-B)/N faible, il devient nécessaire, conformément à la méthode selon la technique antérieure, de préparer divers types de fils d'en- tretoisement à diamètres extérieurs différents et d'en choi- sir un de type convenable. Au contraire, suivant la présen- te invention, ces opérations difficiles ne sont pas néces- saires. En outre, attendu qu'on peut donner un pas important au fil d'entretoisement enroulé autour de chaque élément com- bustible, on peut minimiser la résistance s'opposant à 1' écoulement du caloporteur à l'intérieur de l'assemblage de combustible nucléaire, et réduire l'énergie de pompage pour l'amenée du caloporteur ainsi que la pression interne de ce dernier. Ceci permet d'empêcher la déformation du tube d'en- veloppement et d'améliorer la longévité de l'assemblage de combustible nucléaire. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus et l'on pourra adopter diverses modifications et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1. Méthode pour la réalisation d'un assemblage de com- bustible nucléaire à entretoisement par fils métalliques fabriqué en disposant régulièrement une multiplicité d'élé- ments de combustible (12) autour desquels sont enroulés des fils d'entretoisement (14) et en plaçant ces éléments de combustible dans un tube d'enveloppement (10), la distance séparant les éléments de combustible voisins étant mainte- nue à une valeur déterminée par lesdits fils d'entretoise- ment, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes consis- tant à: - préparer un diagramme portant en coordonnées rectili- gnes planes, d'une part, la porosité par anneau (A-B)/N existant à l'intérieur d'un faisceau d'éléments de combusti- ble et, d'autre part, la facilité de flexion L3/I de l'élé- ment combustible, A représentant la dimension entre surfa- ces intérieures opposées du tube d'enveloppement, B, le dia- mètre extérieur d'un faisceau serré des éléments de combus- tible et N, le nombre d'anneaux existant dans l'assemblage de combustible, et o L représente le pas du fil métallique d'entretoisement enroulé autour de chaque élément de combus- tible et I, le moment d'inertie géométrique du tube de gai- nage dudit élément combustible, - porter sur le diagramme l'apparition et la non-appa- rition de rayures sur les éléments de combustible de façon à déterminer un domaine de non-apparition de rayures, et - fixer diverses dimensions de l'assemblage de combus- tible nucléaire de façon qu'elles soient comprises dans le dit domaine de non-apparition de rayures. 2. Méthode de réalisation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on détermine lesdites dimensions de l'assemblage de combustible de façon à satisfaire à la con- dition: (A-B)/N x L3/I 6 90 000. 3. Méthode de réalisation selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que lesdites dimensions de l'assemblage de combustible comportent la dimension entre surfaces intérieu- res opposées du tube d'enveloppement, les diamètres extérieur et intérieur du tube de gaine de l'élément de combustible ainsi que le diamètre extérieur et le pas des fils d'entre- toisement enroulés autour des éléments de combustible.