Brevet FR2606200A1 — publié le 19880506

La présente invention concerne des sous-assemblages combustibles destinés à des réacteurs nucléaires refroidis par un liquide. Dans un type de réacteur nucléaire à refroidissement par un liquide, par exemple un réacteur à neutrons rapides, l'assemblage combustible nucléaire comprend de nombreuses aiguilles combustibles parallèles disposées verticalement et entre lesquelles un métal liquide de refroidissement s'écoule en remontant. Les aiguilles combustibles sont groupées en sous-assemblages placés côte à côte, comprenant chacun un faisceau d'aiguilles entouré par une enveloppe tubulaire afin que l'introduction du combustible dans l'as- semblage et son extraction de cet assemblage soient facili- tées. Les aiguilles sont séparées par des grilles cellu- laires, placées à certains intervalles sur la longueur du faisceau, et sont supportées par butée de leur extrémité contre une grille inférieure placée à l'intérieur de l'en- veloppe. Les aiguilles sont libres de se déplacer longitu- dinalement, dans les limites permises par un espace délimi- té par une grille supérieure placée à l'intérieur de l'en- veloppe. Bien que les aiguilles combustibles doivent être libres de s'allonger sous l'action du grossissement dû à l'irradiation et de la dilatation thermique linéaire, il est souhaitable, pour la stabilité de la réactivité du noyau, que les aiguilles soient maintenues captives et ne se déplacent pas sous l'action des forces de lévitation exercées par le courant du fluide de refroidissement du réacteur. Cependant, les aiguilles combustibles doivent être facilement démontables par un dispositif de manuten- tion à distance, et un dispositif de saisie des aiguilles, donnant cette possibilité et simultanément ayant un encom- brement suffisamment faible pour qu'il ne perturbe pas sérieusement l'écoulement du fluide de refroidissement dans le faisceau, n'est pas facilement disponible. L'invention concerne un sous-assemblage combustible nucléaire comprenant un faisceau d'aiguilles combustibles espacées et parallèles de façon générale, disposées avec un arrangement polygonal et couplées, à une première extrémité du faisceau, à une structure à grille de maintien d'extré- mité comprenant un certain nombre de rails transversaux espacés à chacun desquels est raccordée une série de cel- lules de logement d'aiguille telle que les aiguilles sont maintenues axialement captives par les rails. La retenue axiale assurée par les cellules peut être réalisée par imbrication d'organes correspondants formés sur des capuchons d'extrémité des aiguilles combustibles et sur les cellules. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, les capuchons d'extrémité des aiguilles ont des cavités annulaires et les cellules ont des saillies internes qui coopèrent avec les cavités. Les cellules sont de préférence délimitées par des organes métalliques emboutis; par exemple, chaque série de cellules peut être formée par une paire de bandes métal- liques fixées aux faces opposées d'un rail respectif, chaque bande étant réalisée avec une série d'organes for- mant des logements et les bandes étant disposées de manière que chaque organe formant un logement soit en face d'un organe respectif formant un logement, appartenant à l'autre bande, si bien que chaque paire d'organes formant un loge- ment constitue une cellule de logement d'un capuchon d'ex- trémité d'aiguille combustible. Les organes formant des logements peuvent avoir une configuration générale semi-cylindrique afin qu'ils forment des cellules de forme générale cylindrique, et les organes formant des logements peuvent être séparés par des tronçons plats de manière que, lorsque deux bandes sont assemblées face à face, elles puissent être fixées mutuellement, par exemple par soudage par points des tronçons plats des bandes les uns sur les autres. Les organes de formation de logements peuvent com- porter chacun une partie repoussée qui dépasse dans la cellule correspondante et qui est destinée à coopérer avec la cavité annulaire du capuchon d'extrémité de l'aiguille correspondante. La bande peut aussi comporter, sous forme de prolon- gements des organes constituant les logements, des organes de dimension variant progressivement, se raccordant à une extrémité à un organe respectif de formation de logement et ayant une dimension qui diminue vers le bas afin que l'écoulement régulier du fluide de refroidissement soit facilité le long des cellules de logement des aiguilles. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une perspective d'une partie d'un sous-assemblage combustible pour réacteur à neutrons ra- pides refroidi par un métal liquide, certains éléments étant représentés sous forme éclatée; et la figure 2 est une perspective schématique repré- sentant une variante de l'arrangement de verrouillage de rail qui est représenté sur la figure 1. Le sous-assemblage combustible représenté sur la figure 1 est destiné à être utilisé dans un réacteur à neutrons rapides, refroidi par du sodium et du type dans lequel le noyau du réacteur est formé d'un arrangement de sous-assemblages comprenant chacun une enveloppe tubulaire hexagonale formant un canal d'écoulement de fluide de re- froidissement et entourant un faisceau d'aiguilles combus- tibles qui peuvent contenir un matériau nucléaire fissile et/ou fertile. Le faisceau peut contenir par exemple 325, 271, 217 ou 169 aiguilles suivant le diamètre des aiguilles utilisées, et les aiguilles peuvent être séparées transver- salement soit par des fils placés en hélice autour des aiguilles combustibles individuelles (réalisation à enrou- lement de fil) soit par des grilles cellulaires en nid d'abeilles, espacées le long de l'enveloppe (réalisation à grilles). La présente invention s'applique aux deux réali- sations à enroulement de fils et à grilles. A l'extrémité inférieure du sous-assemblage combustible, l'enveloppe peut aboutir à une pointe grâce à laquelle le sous-assem- blage peut être monté dans un tube de support de la grille inférieure du réacteur. La pointe peut être amovible afin qu'elle permette l'accès au faisceau d'aiguilles combus- tibles lorsque le sous-assemblage doit être démonté avant le retraitement du combustible, après l'irradiation jusqu'à la consommation voulue. Les aiguilles combustibles présentes dans le fais- ceau sont organisées suivant un arrangement hexagonal et peuvent être considérées comme comprenant une série de couches d'aiguilles. La figure 1, par raison de clarté, ne représente que deux des couches 10 d'aiguilles combustibles et les parties inférieures d'extrémité seulement des aiguilles combustibles 12. Chaque aiguille 12 aboutit à un capuchon 14 d'extrémité ayant une cavité annulaire 16. Les aiguilles sont toutes raccordées à un bloc fixe et creux 18 placé dans l'enveloppe et accessible après enlèvement de la pointe (non représentée) afin que les aiguilles puissent résister aux forces de lévitation exercées par le courant de fluide de refroidissement. Chaque couche d'aiguilles 10 de l'arrangement hexa- gonal est raccordée au bloc par un rail 20 et par deux bandes 22 d'assemblage et de fixation des capuchons d'ex- trémité. Les rails 20 coopèrent avec des gorges 24 ayant une section en trou de serrure, à la face supérieure du bloc 18, les rails 20 ayant des éléments marginaux 26 en forme d'haltères permettant l'introduction des rails par le bout dans les gorges 24, puis leur extraction de ces gor- ges, par glissement. Lorsqu'il a été totalement introduit dans une gorge 24, chaque rail 20 est maintenu axialement sur le bloc 18 et dépasse en direction sensiblement perpen- diculaire à la face supérieure du bloc 18. Les aiguilles 12 sont rendues axialement captives des rails 20 par les bandes 22 de fixation qui comportent chacune une série de logements semicylindriques séparés par des tronçons plats 30 si bien que, lorsque deux bandes 22 sont placées face à face, leurs logements 28 étant en regard, chaque paire de logements en regard délimite une cellule de forme générale cylindrique destinée au logement d'un capuchon respectif d'extrémité d'une aiguille combus- tible. Chaque logement 28 a un élément repoussé 32 péné- trant dans la cellule et destiné à coopérer avec la gorge 16 de l'aiguille respective si bien que les aiguilles sont retenues axialement par des bandes 22 de fixation lorsque ces dernières sont assemblées face à face. Les bandes 22 ont aussi des pattes 34 qui, lorsque les bandes sont assemblées face à face, sont séparées par une distance sensiblement égale à l'épaisseur des rails 20 afin que chaque rail 20 soit enserré entre les deux jeux de pattes 34 des bandes associées de fixation. Les pattes 34 sont fixées sur le rail respectif par exemple par soudage par point, les positions des points de soudure étant indi- quées par la référence 36 afin que la bande soit fixée aux emplacements représentés à la partie supérieure de la fi- gure 1. Les bandes 22 de chaque paire non seulement sont fixées au rail 20 mais encore peuvent être fixées l'une à l'autre, par exemple par des points 37 de soudure formés entre les tronçons plats 30 à proximité des bords supé- rieurs des bandes 22. Les pattes 34 ont des tronçons de forme générale semi-conique qui se raccordent aux logements 28, à leurs extrémités de plus grand diamètre, afin que des surfaces régulières soient formées pour l'écoulement du fluide de refroidissement. Lors du montage, les paires de bandes 22 sont fixées initialement face à face contre le rail respectif 20. Les aiguilles sont alors introduites dans les cellules délimi- tées par les logements 28, si bien que chaque aiguille est retenue par logement des parties repoussées 32 dans la cavité 16. A ce moment, les paires de bandes 22 dépassent en porte-à-faux du rail 20 et peuvent alors être fixées à celui-ci, par exemple par soudage par points, dans les tronçons plats 30. L'assemblage d'aiguilles comportant les bandes 22 et le rail 20 peut ensuite être couplé au bloc 18 par glissement des rails 20 dans les gorges 24. Les bandes 22 peuvent être avantageusement formées d'éléments emboutis, en tronçons de grande longueur, les tronçons nécessaires à une couche particulière d'aiguilles de l'arrangement hexagonal pouvant être simplement découpés dans le tronçon de grande longueur. L'épaisseur de la bande est telle que, lorsque les tronçons plats 30 sont face à face, leur épaisseur combinée ne dépasse pas l'épaisseur du rail correspondant et est avantageusement inférieure à cette épaisseur, si bien que tout obstacle à l'écoulement du fluide de refroidissement est évité au raccord du bord supérieur du rail et du bord inférieur des tronçons plats 30. La figure 2 représente une variante de rail 20 qui est logé par son bord dans des gorges de forme complémen- taire du bloc 18 et qui est verrouillé en place par un goujon 42 de positionnement passant dans des trous alignés 44 des rails 40 et dans des trous (non représentés) du bloc 18. On note que le démontage d'un assemblage combustible peut être réalisé par application d'une force de traction au bloc 18 suivant la longueur de l'enveloppe, après que la pointe a été retirée, si bien que le faisceau d'aiguilles est retiré avec le bloc. Ensuite, les aiguilles peuvent être séparées du bloc par coulissement relatif des rails 20 et du bloc 18 ou par extraction du goujon 42 de verrouil- lage dans le cas de la figure 2. REVENDI CATIONS 1. Sous-assemblage combustible nucléaire, caracté- risé en ce qu'il comprend un faisceau d'aiguilles combus- tibles (12) parallèles de façon générale et espacées, for- mant un arrangement polygonal et couplées, à une première extrémité du faisceau, à une structure formant une grille de maintien d'extrémité, comprenant un certain nombre de rails transversaux espacés (20) à chacun desquels est rac- cordée une série de cellules de logement d'aiguille, assu- rant le maintien captif des aiguilles (12) avec les rails (20) en direction axiale. 2. Sous-assemblage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que des organes de coopération (16, 32) sont formés sur des capuchons d'extrémité (14) des aiguilles (12) et sur les cellules afin que la retenue axiale soit assurée par les cellules. 3. Sous-assemblage selon la revendication 2, carac- térisé en ce que les organes de coopération comprennent des cavités annulaires (16) formées dans les capuchons d'extré- mité (14) des aiguilles combustibles (12), et des saillies internes (32) des cellules, coopérant avec les cavités. 4. Sous-assemblage selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que les cellules sont formées par des éléments métalliques emboutis (22). 5. Sous-assemblage selon la revendication 4, carac- térisé en ce que chaque série de cellules est délimitée par deux bandes métalliques (22) fixées aux faces opposées d'un rail respectif (20), chaque bande (22) ayant une série d'organes de logement (28) et les bandes étant disposées de manière que chaque organe de logement se trouve en face d'un organe de logement de l'autre bande, chaque paire d'organes de logement en regard formant une cellule desti- née à loger un capuchon d'extrémité (14) d'une aiguille combustible. 6. Sous-assemblage selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les organes de logement (28) ont une forme générale semicylindrique si bien que les cellules formées par les organes de logement en regard ont une forme géné- rale cylindrique. 7. Sous-assemblage selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les organes de logement (28) sont séparés par des tronçons plats (34) si bien que, lorsque deux bandes sont assemblées face à face, elles peuvent être fixées l'une à l'autre au niveau des tronçons plats. 8. Sous-assemblage selon l'une quelconque des reven- dications 5 à 7, caractérisé en ce que les organes de logement comportent chacun une partie repoussée (32) qui dépasse dans la cellule correspondante et qui est destinée à coopérer avec la cavité annulaire (16) du capuchon d'ex- trémité (14) d'une aiguille correspondante. 9. Sous-assemblage selon l'une quelconque des reven- dications 5 à 8, caractérisé en ce que chaque bande (22) a, comme prolongement des organes de logement, des organes de forme tronconique (38) se raccordant chacun, à une extré- mité, à un organe respectif de logement et ayant une dimen- sion qui diminue vers le bas afin que la circulation ré- gulière du fluide de refroidissement soit assurée le long des cellules de logement d'aiguille.