Brevet FR2627622A1 — publié le 19890825

1- CASIER DE RANGE]ENT D'ELEMENTS COMBUSTIBLES NUCLEAIRES DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un casier de rangement d'éléments combustibles nucléaires constitué d'une pluralité d'alvéoles dans chacune desquelles est introduit un élément combustible à ranger. Ces casiers, ou paniers, de rangement servent à stocker en piscine ou à l'air libre et/ou à transporter en enceinte blindée les éléments combustibles. ETAT DE LA TECHNIQUE Les casiers de rangement des éléments combustibles nucléaires sont habituel- lement constitués d'alvéoles prismatiques adjacentes, le plus souvent à section carrée, de forme allongée selon un grand axe. La forme de la section des alvéoles est identique en général à celle des éléments combus- tibles à ranger, leur hauteur est au moins égale à celle desdits éléments. Les casiers selon l'invention conviennent pour le rangement d'éléments combustibles nucléaires non irradiés, nécessitant des conditions sous critiques, le combustible pouvant être à base d'oxyde d'uranium exclusive- ment ou de tous mélanges d'oxydes combustibles, mais ils sont surtout adaptés au rangement et au transport des éléments combustibles irradiés en enceinte blindée. Dans ce cas tout casier, également appelé panier de rangement, doit remplir simultanément plusieurs fonctions: - transfert thermique de la chaleur générée par les éléments combustibles irradiés rangés, vers la paroi de l'enceinte blindée afin de l'évacuer. Cette fonction est d'autant mieux assurée que le matériau constituant le casier est bon conducteur thermique et que le contact entre le casier et la paroi de l'enceinte est mieux assuré - absorption neutronique pour garantir un état sous-critique du panier chargé de combustible, soit à sec, soit lorsque celui-ci est immergé dans l'eau lors du stockage en piscine ou lors des opérations de charge- ment et de déchargement d'enceintes blindées effectuées également en piscine. Cette fonction est remplie par l'emploi de matériaux renfer- mant des éléments absorbeurs de neutrons, tels que B,Gd,Hf,Cd,In,. Li... dans la conception du casier ou éventuellement introduits dans les éléments combustibles, ainsi que grâce à une bonne modération neutronique obtenue en ménageant des espaces vides au voisinage desdits matériaux absorbeurs de neutrons résistance mécanique suffisamment élevée pour supporter la charge des éléments combustibles en cours de transport et pour maintenir la géométrie du casier même en cas de choc de manière à conserver des conditions sous critiques et à éviter les risques de détérioration des éléments et des crayons combustibles par suite de leur échauffement et/ou leur écrasement. Ordinairement, ces fonctions sont remplies en confectionnant les parois -des alvéoles à l'aide de matériaux disposés en plusieurs couches superpo- sées, par exemple matériau du type sandwich constitué d'au moins deux couches: une couche d'un alliage assurant les fonctions résistance mécani- que et transfert thermique dont les caractéristiques sont de préférence homologuées et une couche d'un matériau, alliage ou composite, contenant un absorbeur de neutron, matériau dont les caractéristiques mécanique et thermique ne sont en général pas homologuées. Ces couches sont solidarisées entre elles par tous moyens connus, par exemple colaminage, dépôt électrolytique, assemblage mécanique, soudure, etc... Le matériau- contenant l'absorbeur de neutrons peut être par exemple de l'acier inoxydable renfermant de l'ordre de 1 % de bore ou un alliage d'aluminium renfermant de l'ordre de 3 % de bore, ou un produit fritté carbure de bore-aluminium revêtu ou non d'aluminium, ou dd cadmium déposé électrolytiquement sur un support métallique. Quand on utilise un alliage d'aluminium, il est habituellement fourni sous forme de bandes qui sont ensuite accolées aux autres couches comme indiqué plus haut. Ces bandes peuvent être obtenues par laminage ou extrusion à partir de billettes de dimensions suffisantes qui doivent avoir une bonne homogénéité et une bonne santé (absence de soufflures, criques, etc), ce qui nécessite d'autant plus de précautions que la taille desdites billettes est importan- te. Malgré les précautions prises, le contenu minimum garanti en bore du produit plat est souvent inférieur de un point à celui du produit de départ. En fait, la forme économique sous laquelle se trouve ces matériaux est la baguette ou le fil livré en bobine, obtenus par coulée continue, par exemple, d'un rond de quelques centimètres de diamètre qui est ensuite laminé et/ou étiré. On fabrique ainsi du fil d'aluminium au bore de diamètre voisin de 10 mm et dont le contenu en bore garanti est habituellement de 2,5% ou 3,5%. D'autres conceptions de parois d'alvéoles, également aptes à remplir la fonction absorption de neutrons, ont été décrites. Par exemple le brevet US 4034227 (Soot) décrit des éléments de parois qui peuvent être assemblés entre eux à l'aide de tenons spéciaux, de façon à former un casier; ces éléments sont des pièces spécialement filées dans le sens de la longueur des alvéoles, ayant une section droite de forme compliquée présentant une série d'encoches en saillie réparties en quinconce de part et d'autre d'une paroi plane, parallèles au sens de filage. Ces encoches sont ouvertes selon une génératrice et prévues pour recevoir des crayons neutrophages. Une telle conception utilisant des crayons absorbeurs de neutrons permet d'éviter la mise en oeuvre délicate du type de matériau décrit plus haut, mais nécessite de filer des pièces ayant une section importante et un profil compliqué, ce qui restreint beaucoup le nombre des fournisseurs et présente l'inconvénient d'une résistance mécanique et d'une conductibi- lité thermique insuffisantes pour être utilisée au transport des éléments combustibles. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet un casier de rangement d'éléments combustibles irradiés ou non irradiés, casier pouvant servir au stockage à sec ou en piscine, ou au transport en enceinte blindée desdits éléments combus- tibles. Ce casier doit remplir des fonctions de résistance mécanique, de transfert thermique et d'absorption neutronique. Dans le but de simplifier la mise en oeuvre des matériaux destinés à être employés dans la confection desdits casiers, et en conséquence d'en diminuer le coût, tout en ayant des casiers de performances mécanique, thermique et neutronique, facilement homologables, l'invention a pour objet d'utiliser des matériaux et demi-produits aisément disponibles sur le marché, de caractéristiques connues,.utilisables directement tels quels sans opération de transformation métallurgique intermédiaire et ne nécessitant que des moyens simples d'assemblage. Ces matériaux et demiproduits étant de préférence normalisés ou standards sont généralement plus fiables et moins coOteux que des pièces filées, laminées ou composites spécialement étudiées. Un autre objet de l'invention est d'avoir un casier dans lequel au moins les fonctions résistance mécanique et transfert thermique sont séparées de la fonction absorption neutronique, les trois fonctions pouvant également être séparées, ce qui facilite le calcul des performances du panier et son homologation. Un autre objet de l'invention est d'avoir un casier dans lequel la barrière neutronique peut être à volonté continue ou de préférence discrète. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention est un casier, appelé également panier ou rack, de rangement d'éléments combustibles nucléaires, en vue de leur stockage ou de leur transport, constitué d'une pluralité d'alvéoles prismatiques adjacentes de grande longueur et parallèles entre elles, lesdites alvéoles étant destinées à recevoir lesdits éléments combustibles et formant un ensemble devant assurer des fonctions de résistance mécaniques, conductibilité thermique et d'absorption neutronique, caractérisé en ce que, dans le but d'utiliser pour sa construction des matériaux de type courant et d'assurer séparément au moins la fonction d'absorption neutronique, les parois des alvéoles sont constituées d'un empilement entrecroisé et ordonné d'éléments de structure allongés, de section constante, disposés perpendicu- lairement à l'axe des alvéoles, lesdites parois assurant le contrôle de criticité grâce à leur épaisseur et éventuellement grâce à des tiges neutrophages disposées à l'intérieur desdites parois parallèlement ou perpendiculairement à l'axe des alvéoles, ledit empilement étant tel que le casier remplisse l'ensemble des fonctions requises, en une ou plusieurs rangées. Ainsi, le casier selon l'invention sert au rangement d'éléments combus- tibles nucléaires dans des conditions nécessitant la présence d'un absorbeur de neutrons, compte tenu de leur géométrie et de leur composition. Un tel casier de rangement peut servir soit au stockage des éléments combustibles en piscine ou à sec soit préférentiellement au transport desdits éléments. Dans ce cas le casier est introduit dans une enceinte blindée avant ou après chargement des éléments combustibles. Si les éléments transportés ont été irradiés, l'enceinte sert à la fois de protection biologique, mécanique et d'évacuateur de chaleur, le panier de rangement jouant le rôle d'absorption neutronique et de transfert de la chaleur dégagée par les éléments combustibles irradiés vers l'enceinte. blindée et jouant également un rôle de tenue mécanique, en particulier pour -éviter un écrasement éventuel des éléments en cas d'accident, et pour supporter la charge des éléments combustibles rangés en cours de transport horizontal. Un tel casier peut être également auto-portant, il suffit pour cela de le renforcer par tous moyens appropriés et de le munir de dispositifs de manutention et d'un fond, et éventuellement d'un couvercle. Le casier selon l'invention est constitué d'une pluralité d'alvéoles contiguës, ayant des parois communes, parallèles les unes aux autres. Elles sont prismatiques, leurs sections droites sont quelconques et en général toutes identiques entre elles. Habituellement, lesdites sections droites ont la même forme que les éléments combustibles rangés mais peuvent aussi être de forme différente; elles sont souvent rectangulaires ou mieux carrées. Ainsi, par exemple dans une alvéole à section carrée, on peut ranger des éléments à section carrée, ronde ou hexagonale. La profondeur des alvéoles est généralement un peu supérieure à la longueur des éléments combustibles à y ranger, par exemple pour des éléments combustibles PWR irradiés de longueur 4,1lm elle atteint environ 4,15 m. Les éléments de structure choisis pour réaliser l'empilement ordonné sont allongés avec une section droite ayant un profil sensiblement constant; ce sont de préférence des profilés de type courant, à section droite de préférence anguleuse, ayant des formes simples tels que L,U,T,I,H, croix, tube ou barre pleine à section carrée ou rectangulaire, bande plate, etc.. . On peut également utiliser comme éléments de structure des couples de bandes plates minces allongées dont les grandes faces sont parallèles entre elles et disposées parallèlement à l'axe des alvéoles, l'espace ainsi délimité entre lesdites bandes étant d'épaisseur suffisante' pour y introduire les tiges neutrophages. On peut aussi utiliser comme élément de structure des plats filés allongés, de section rectangulaire, dans l'épaisseur desquels sont pratiqués des logements de forme tubulaire, alignés, pouvant accueillir les tiges neutro- phages. Tous ces différents types d'éléments de structure peuvent être utilisés seuls ou en combinaison. Ils sont en général rectilignes, mais peuvent aussi être pliés régulière- ment, les arêtes des pliures étant parallèles entre elles et perpendiculai- res au plan contenant la ligne brisée résultante. L'empilement est réalisé parallèlement à l'axe des alvéoles à obtenir, la grande longueur des éléments de structure étant dirigée perpendiculaire- ment à l'axe des alvéoles. Les éléments de structure sont empilés en couches successives de façon à ce que dans chacune d'elles ils aient une direction générale bien définie, les directions étant croisées d'une couche à l'autre. Il y a habituellement autant de direction qu'il doit y avoir de parois, mais ce n'est pas une nécessité: par exemple pour des alvéoles à section hexagonale, on peut avoir 2 ou 3 directions. Les éléments de structure ayant une même direction et situés dans des couches différentes sont empilés alignés de façon à former les parois desdites alvéoles. La longueur des éléments de structure doit être suffi- sante pour qu'un même dit élément intéresse plusieurs alvéoles. Ainsi, par exemple, pour obtenir un casier vertical alvéolaire à maille carrée, on réalise une première couche en disposant dans un plan horizontal les éléments de structure parallèlement à une direction A et espacés les uns des autres d'une distance correspondant à la maille des alvéoles, puis sur cette couche on réalise une deuxième couche horizontale en disposant les éléments de structure de la même façon, mais dans une direction B perpendiculaire à la direction A. Ainsi, on voit qu'en alternant des couches de direction A et B en prenant soin d'aligner dans le sens vertical les éléments empilés ayant la même direction, on obtiendra bien une struc- ture alvéolaire à maille carrée. De façon similaire, on obtiendra des alvéoles ayant des mailles hexagonales en croisant dans deux ou préférentiellement trois directions, faisant entre elles des angles de 60 , des couches d'éléments de structure, ces derniers ayant -été préalablement pliés régulièrement à 120 de façon à réaliser une ligne brisée dont chaque segment a la dimension d'un côté de l'alvéole. Un tel type d'empilement, illustré par la figure 5, sera décrit plus en détail ultérieurement. Le5 éléments de structure des différentes couches sont rendus solidaires par tous moyens de liaison connus tels que goujons, boulons, soudures, plats, cavaliers, équerres, rivets, tirants, plaques ajourées, etc... de façon à maintenir la cohésion et la rigidité de l'empilement conduisant à la structure alvéolaire. Complémentairement, on peut augmenter la compacité de l'empilement tout en maintenant sa cohérence et sa rigidité, en munissant les éléments de structure d'encoches ou de saignées de positionnement coopérant les unes avec les autres. Dans ce cas, on peut aller jusqu'à supprimer tout ajour dans les parois. De préférence, on introduit des tiges neutrophages dans l'épaisseur des parois des alvéoles, dans la direction souhaitée, c'est-à-dire parallèlement ou perpendiculairement à l'axe des alvéoles, des trous correspondants ayant été ménagés, si nécessaire, dans les éléments de structure. Ainsi, si on utilise un empilement d'éléments de structure profilés autres que des bandes plates, par exemple de forme en H ou U, on perce des trous dans les semelles des profilés qui sont perpendiculaires à l'axe des alvéoles. De même, si on utilise comme élément de structure des plats filés, entre- coisés et emboîtés grâce à des saignées, de section droite rectangulaire et d'épaisseur suffisante, on ménage des logements tubulaires dans le sens du filage pour accueillir les tiges neutrophages au moyen, par exemple, d'une filière à pont. Par contre, si les parois des alvéoles sont réalisées par un empilement d'éléments de structure constitué de couples de bande plate de faible épaisseur, dont les faces sont parallèles entre elles et à l'axe des alvéoles, les tiges neutrophages sont introduites directement dans l'espace délimité par les faces parallèles des plats en regard, comme cela sera illustré dans la figure 4. Les tiges neutrophages peuvent être disposées perpendiculairement à l'axe des alvéoles, dans ce cas, elles améliorent les autres fonctions (résistan- ce mécanique et transfert thermique). Les éléments de structure constituant les parois des alvéoles doivent au moins remplir les fonctions de résistance mécanique et transfert thermi- que. Pour cela, on pourra choisir, pour réaliser les profilés, des matériaux remplissant ces deux fonctions, comme par exemple les aciers (ordinaire, inox ou spéciaux), l'aluminium, le cuivre, le magnésium ou leurs alliages, en général tous métaux ou matériaux donnant des profilés ayant des caracté- ristiques mécaniques et thermiques répondant aux exigences. On peut également utiliser des matériaux ne remplissant qu'une seule fonction, par exemple on alternera des couches d'éléments de structure en matériaux à forte résistance mécanique tels que l'acier, et d'autres à forte conduction thermique tels que le cuivre. Dans certains cas particuliers, il est également possible d'insérer dans l'empilement constitutif du casier alvéolaire des éléments de structure en matériau neutrophage. Ainsi, on peut empiler lesdits éléments de struc- ture en matériau neutrophage en alternance avec ceux assurant la résistance mécanique et le transfert thermique. Le matériau neutrophage utilisé dans l'invention contient obligatoirement au moins un élément neutrophage tel que B,Gd,Hf,Cd,In, Li, etc... Il est constitué par cet élément lui-même ou un de ses composés, utilisés tels quels ou dans un alliage métallique tel que les alliages d'Aluminium au bore ou dans un fritté tel que B4C-Al, ou encore dans une céramique ou un verre contenant du bore et mis sous forme de tige. I1 est cependant avantageux d'utiliser tout matériau aisément disponible sur le marché; ainsi il est particulièrement intéressant d'utiliser du fil d'alliage-mère Aluminium-Bore, contenant 2,5 ou 3,5% de bore, aisément disponible, étant utilisé à d'autres applications grandes consommatrices de ce type de produit (par exemple affinage de l'aluminium). Les tiges neutrophages couvrent au moins une partie de la longueur ou de la largeur, selon leur direction d'implantation, des parois des alvéoles du casier et peuvent en couvrir la totalité. La densité d'implantation des barres est adaptée aux besoins. Une même tige neutrophage peut être constituée d'une succession de barres élémentaires de longueur- réduite. Pour illustrer l'invention, les fig. 1 à 6 donnent différents exemples d'empilements utilisant divers types de profilés simples. La figure 1 représente unempilement réalisé pour obtenir un casier de rangement à alvéoles de section droite rectangulaire ou carrée; l'empile- ment est constitué d'éléments de structure 1 et 2 qui sont des profilés en forme de U, mais qui pourraient tout aussi bien être des barres pleines ou des tubes creux de même section droite. Les éléments 1 sont tous orientés dans la même direction; dans une même couche, ils sont donc parallèles et séparés par une distance égale à celle de la maille des alvéoles 3. Les éléments 2 situés dans les couches voisines sont également parallèles entre eux, mais perpendiculaires aux éléments 1, et séparés par une distance égale à la maille des alvéoles dans cette direction. Les trous 4 ont été percés dans les semelles horizontales et permettent d'introduire les tiges neutrophages 5 dans la paroi de l'alvéole 3 parallèlement à son axe. Dans ce cas les parois des alvéoles sont ajourées. L'assemblage est réalisé par des tirants 6 situés à l'intersection des éléments de structure 1 et 2. Ils sont en matériau ayant une bonne résis- tance mécanique, par exemple en acier inox; l'assemblage peut être rigidi- fié par des plaques d'extrémité, non représentées, ajourées selon le dessin des alvéoles. 30. La figure 2 montre le détail d'un assemblage d'éléments de structure 1 et 2, qui sont des profilés en forme de H, à l'aide d'encoches 7. Ce type d'assemblage permet de supprimer les ajours dans les parois des alvéoles. Les tiges neutrophages 5 sont disposés parallèlement à l'axe de l'alvéole sur deux rangées dans les parois de ladite alvéole. La figure 3 représente une portion d'empilement vertical d'éléments de structure 1-la-lb dans une seule direction. Ces éléments de structure sont des profilés plats de section droite rectangulaire, dans lesquels on a disposé des logements tubulaires 4 destinés à recevoir les tiges neutrophages 5 qui sont dans ce cas perpendiculaires à l'axe des alvéoles. Des encoches 7 permettent de solidariser l'élément 1 avec celui qui lui est perpendiculaire (non représenté). La figure 4 représente un assemblage o les éléments de structure sont. des couples 1 et 2 constitués de deux plats parallèles, lesdits couples 1 et 2 étant orientés dans des directions orthogonales et maintenus soli- daires à l'aide d'encoches 7. Ils forment les parois de l'alvéole 3 dans l'épaisseur desquelles sont introduites les tiges neutrophages 5 parallèle- ment à l'axe de ladite alvéole et avec un jeu diamétral réduit au minimum pour éviter les risques de chevauchement des tiges à l'intérieur d'une paroi. La figure 5 représente un casier à alvéoles hexagonales 3. Il est formé d'un empilement d'éléments de structure 1-2-8, qui sont des profilés de section droite en U (ou toute autre forme) pliés régulièrement en forme de ligne brisée, orientés dans trois directions 1- 2-8 croisées à 60 de sorte que chaque paroi d'alvéole est ajourée sur 1/3 de sa hauteur. Des tiges neutrophages 5 et des tirants 6 introduits dans les trous 4 complètent comme précédemment la structure du casier. La figure 6 représente un casier de rangement selon l'invention constitué d'un empilement entrecroisé de profilés en forme de bandes plates dans lequel on a alterné des bandes 1 remplissant les fonctions de résistance mécanique et transfert thermique et des bandes 5 en alliage au bore assurant l'absorption neutronique et une partie du transfert thermique. On voit que l'invention, grâce à l'emploi de matériaux standards présente l'avantage de faciliter la construction des casiers de rangement, d'en abaisser le coût, de faciliter leur homologation, et par ailleurs; dans le cas o les tiges neutrophages sont métalliques et perpendiculaires à l'axe des alvéoles, d'améliorer les transferts thermiques grâce aux dites tiges. il REVENDICATIONS 1. Casier de rangement d'éléments combustibles nucléaires en vue de leur stockage ou de leur transport, constitué d'une pluralité d'alvéoles prismatiques adjacentes de grande longueur, parallèles entre elles, et destinées à recevoir lesdits éléments combustibles, les parois desdites alvéoles devant assurer des fonctions de résistance mécanique, conductibilité thermique et absorption neutronique, caractérisé en ce que, dans le but d'utiliser pour sa construction des matériaux de type courant et d'assurer séparément au moins la fonction d'absorp- tion neutronique, les parois des alvéoles sont constituées d'un empile- ment entrecroisé et ordonné d'éléments de structure allongés, de section constante, disposés perpendiculairement à l'axe des alvéoles, lesdites parois assurant le contrôle de la criticité grâce à leur épaisseur, et éventuellement grâce à des tiges neutrophages disposées à l'intérieur desdites parois parallèlement ou perpendiculairement à l'axe des alvéoles en une ou plusieurs rangées. 2. Casier selon la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments de structure sont des profilés de type courant de sections droites quelconques, de préférence anguleuses de formes simples tels que L,U,T,I, H, croix, tube ou barre pleine à section carrée ou rectangulaire, bande plate.. 3. Casier selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments de structure sont des profilés pliés, les arêtes des pliures étant parallèles entre elles et perpendiculaires à la ligne brisée résultante. 4. Casier selon la revendication 1 caractérisé en ce que les éléments de structure sont des couples de bandes plates minces allongées parallè- les entre elles, l'espace délimité entre lesdites bandes étant d'épais- seur juste suffisante pour y loger les tiges neutrophages. 5. Casier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de structure sont des plats filés, allongés dans l'épaisseur desquels sont pratiqués des logements de forme tubulaire, pouvant accueillir les tiges neutrophages. 6. Casier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les éléments de structure constituant les parois des alvéoles sont en matériaux assurant la résistance mécanique et la conduction thermique, tels que les métaux, en particulier les aciers (ordinaire, inox, spéciaux), l'aluminium, le cuivre, le magnésium ou leurs alliages. 7. Casier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments de structure sont rendus solidaires les uns des autres par les éléments de liaison tels que goujons, boulons, soudures, plats, équerres, rivets, tirants, plaques ajourées... de façon à maintenir la cohésion et la rigidité de l'empilement. 8. Casier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments de structure sont munis d'encoches de positionne- ment coopérant les unes avec les autres de façon à maintenir la cohésion, la rigidité et la compacité de l'empilement. 9. Casier, selon l'une quelconque des revendications 1,2,3, 6 à 8, caracté- risé en ce que, quand on utilise un empilement de profilés de type courant, on ménage des ouvertures destinées à loger les tiges neutropha- ges à l'intérieur des parois parallèlement ou perpendiculairement à l'axe des alvéoles. 10. Casier, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les tiges neutrophages sont constituées par du fil d'alliage- mère Aluminium-Bore. ll.Casier selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que au moins une partie des tiges neutrophages sont constituées de plusieurs tiges élémentaires de longueur réduite. 12.Casier selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que les tiges neutrophages sont disposées perpendiculairement à l'axe des alvéoles. 13.Casier, selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce qu'une partie au moins des éléments de structure est en matériau neutrophage. 14.Casier selon la revendication -13, caractérisé en ce que les éléments de structure en matériau neutrophage sont empilés en alternance avec les éléments de structure assurant la résistance mécanique et la conduc- tion thermique.