Brevet FR2660477A1 — publié le 19911004

GRILLE DE MELANGE POUR ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE ET ASSEMBLAGE EN COMPORTANT APPLICATION Le domaine concerné par l'invention est celui des assemblages combustibles pour réacteurs nucléaires et elle trouve une application particulièrement importante dans les assemblages combustibles pour réacteurs refroidis et modérés à l'eau légère, notamment pour ceux destinés à fonctionner en régime sous-modéré (c'est-à-dire avec des neutrons dont l'énergie est supérieure à celle du domaine thermique) au moins pendant une partie du cycle. Les assemblages combustibles actuellement utilisés dans de tels réacteurs comprennent généralement un faisceau de crayons de combustible (ce terme désignant les crayons chargés aussi bien en matière fissile que ceux chargés partiellement ou totalement en matière fertile) et une structure de maintien du faisceau comprenant des pièces d'extrémité supérieure et inférieure reliées par des tubes guides qui portent des grilles de maintien des crayons combustibles aux noeuds d'un réseau régulier. Les assemblages destinés aux réacteurs à neutrons thermiques sont généralement à section carrée et leurs crayons combustibles sont disposés aux noeuds d'un réseau carré. Les assemblages destinés aux réacteurs sous-modérés ou à variation de spectre sont à section hexagonale et leurs crayons combustibles sont répartis aux noeuds d'un réseau triangulaire. Les grilles sont réparties le long de l'assemblage, à intervalles suffisamment rapprochés pour maintenir un écartement régulier entre les crayons sur toute leur longueur, en dépit des déformations provoquées par l'irradiation, et pour donner aux frequences propres de vibration des crayons entre deux grilles une valeur élevée, qui évite l'excitation de régimes vibratoires dangereux par le réfrigérant. Considérées dans leur ensemble les grilles doivent assurer deux autres fonctions - supporter les crayons, - homogénéiser les écoulements autour des crayons, afin d'éviter l'apparition de points chauds. La première de ces fonctions est généralement remplie par l'une et/ou l'autre des grilles d'extrémité, munie à cet effet de ressorts de serrage des crayons. L'autre fonction est remplie par au moins les grilles intermédiaires. A ce jour, les grilles sont habituellement réalisées en entrecroisant deux jeux de plaquettes constitués chacun de plaquettes parallèles (dans le cas d'un réseau carré) ou trois jeux (dans le cas d'un réseau triangulaire). Alors que les deux jeux de plaquettes définissant des cellules réparties selon un réseau carré peuvent constituer une seule nappe, les trois jeux destinés à définir des cellules réparties selon un réseau triangulaire constituent généralement trois nappes. Les plaquettes des différents jeux sont généralement fixées par soudage. Certaines au moins des plaquettes des grilles qui doivent assurer une fonction de mélange et d'homogénéisation portent des déflecteurs obtenus par emboutissage de la plaquette dont l'efficacité, satisfaisante dans le cas d'un réseau carré, devient réduite dans le cas d'un réseau triangulaire. Dans tous les cas, une grille, surtout à réseau triangulaire, ayant la résistance mécanique nécessaire pour supporter les efforts lors de la manutention, du transport ou en cas d'accident et donnant une homogénéisation satisfaisante est longue et délicate à fabriquer, car les déformations doivent être évitées à tous les stades de la fabrication jusqu'à solidarisation définitive. On a déjà proposé (US-A-4 312 706) une grille monobloc de centrage de crayons pour assemblage combustible, du type dans lequel sont ménagées des ouvertures à section polygonale dont les axes sont répartis suivant un réseau régulier (correspondant à celui des crayons à recevoir) et limitées par des surfaces ayant chacune une zone d'appui sur un crayon traversant l'ouverture. Les ouvertures des grilles définies dans le document ci-dessus sont délimitées par des surfaces parallèles à l'axe des ouvertures et mises en forme pour s'adapter aux crayons. Elles ne provoquent pas de déviation transversale de l'écoulement susceptible d'homogénéiser les températures. La présente invention vise à fournir une grille monobloc du type ci-dessus défini, donnant une composante circonférentielle à l'écoulement autour des crayons de nature à provoquer une homogénéisation des températures, même en l'absence de toute structure mélangeuse ajoutée à la grille. A titre secondaire elle vise également à fournir une grille dans laquelle les cellules d'écoulement hydraulique autour de chaque crayon peuvent être pratiquement identiques. Dans ce but l'invention propose une grille dans laquelle chaque ouverture est à section constante, la section de l'ouverture à chaque niveau étant décalée de la section de l'ouverture dans une grande face de la grille, autour de l'axe, d'un angle proportionnel à la distance axiale entre le niveau et la grande face. La section polygonale peut être à côtés rectilignes ou curvilignes. Le cercle inscrit dans la section polygonale peut être égal à celui du crayon à recevoir, ce qui assure le support du crayon suivant quatre lignes (dans le cas d'un réseau carré) ou six lignes (dans le cas d'un réseau triangulaire). Cette constitution permet un usinage des cellules simple, par exemple par électro-érosion à l'aide d'un fil après défonçage et elle présente l'avantage de fournir, en une seule opération, la grille dans son état final. Une autre solution consiste à laisser subsister dans la grille des saillies d'appui des crayons, ce qui complique légèrement la fabrication. Ouelle que soit la solution retenue, on s'affranchit de beaucoup des difficultés rencontrées dans la fabrication des grilles constituées par plusieurs jeux de plaquettes, notamment des difficultés d'emboutissage précis, de montage selon un réseau exact, et de soudage sans déformation. Le sens du décalage angulaire de la section polygonale le long de l'axe peut être le même pour toutes les cellules. Plus fréquemment, il sera alterné d'une cellule à une autre, de façon à provoquer un mélange des écoulements le long des différents crayons. En général la loi de variation du décalage à partir d'une grande face sera la même pour toutes les ouvertures. Le décalage angulaire maximum tolérable d'une grande face à l'autre de la grille est fixé par la nécessité de conserver une épaisseur de matière minimale entre ouvertures adjactentes. Le décalage angulaire maximal sera en conséquence d'autant plus élevé que le rapport entre les axes de deux ouvertures adjacentes et le rayon du cercle circonscrit à une ouverture est élevé. L'invention vise également à fournir un assemblage combustible, utilisable en particulier dans un réacteur sous-modéré et/ou à variation de spectre refroidi et modéré à l'eau légère, dont la structure de maintien est constituée de deux sous-structures, dont l'une comporte une des pièces d'extrémité (en général la pièce d'extrémité supérieure), une partie des tubes guides, la grille support des crayons (qui est fixée de façon rigide aux tubes guides de la sous-structure) et des grilles monobloc de centrage des crayons et d'homogénéisation du genre qui vient d'être défini. Une telle répartition en deux sous-structures est décrite par exemple dans les documents EP-A-214 895 et EP-A-307 320 auxquels on pourra se reporter. La grille support qui soutient les crayons combustibles aura par contre une structure en plaquettes munies d'organes de serrage des crayons ou en fils assemblés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'un assemblage combustible utilisable dans un réacteur à variation de spectre refroidi et modéré par de l'eau légère sous pression, pouvant comporter des grilles suivant l'invention - la figure 2 est une coupe à mi-hauteur d'une fraction d'une grille selon l'invention ;; - la figure 3 est une vue en perspective destinée à faire apparaitre la forme d'ensemble d'une ouverture de la grille de la figure 2 - la figure 4 est un schéma montrant la section de trois ouvertures adjacentes dans la grande face supérieure d'une grille et dans la grande face inférieure - la figure 5 est une vue en plan d'une grille monobloc du genre montré en figure 2 faisant apparaitre une forme possible des ouvertures d'angle. Comme on l'a indiqué plus haut, une grille suivant l'invention est notamment utilisable dans un assemblage combustible à deux sous-structures, tel que l'assemblage 10 montré en figure 1, où seuls quelques crayons combustibles 14 sont montrés. La structure support est constituée de deux pièces d'extrémité supérieure 16 et inférieure 18 et de tubes guides 20 et 24 remplaçant les crayons à certains des noeuds du réseau des crayons. La première sous-structure comprend les tubes guides 20, la pièce d'extrémité supérieure 16 et une plaque 23 mobile dans la pièce d'extrémité inférieure 18. Les tubes guides traversent le fond 22 de la pièce d'extrémité 18, dans lequel ils peuvent coulisser verticalement. La première sous-structure comprend également la grille d'extrémité supérieure 12, destinée à porter les crayons combustibles 14 et munie à cet effet de moyens de serrage des crayons, ainsi que, éventuellement, certaines des grilles intermédiaires 13. La grille d'extrémité inférieure peut également être fixée aux tubes guides 20. La solidarisation des tubes guides 20 de la première sousstructure, de la grille 12 et du fond de la pièce d'extrémité supérieure 16 est indiquée par des croix sur la figure 1. La seconde sous-structure comprend la pièce d'extrémité inférieure 20, les autres tubes guides 24 et une plaque 28 mobile verticalement dans la partie en forme de cadre de la pièce d'extrémité supérieure 16, au-dessus du fond 22 de la pièce 16. Les tubes guides 24 traversent ce fond dans lequel ils peuvent coulisser. La seconde sousstructure peut également comporter un tube central d'instrumentation 29. Des ressorts 30, au nombre de quatre par exemple, sont placés entre la plaque 23 et des rebords 32 prévus à la partie inférieure du cadre de la pièce d'extrémité inférieure 18. Ces ressorts exercent sur la plaque 23 une force tendant à la maintenir en appui sur le fond de la plaque 18. Des tiges 34 fixées à la pièce d'extrémité inférieure 18 guident les ressorts 30 et la plaque 23. Après chargement des assemblages dans le réacteur, la pièce d'extrémité inférieure 18 de chaque assemblage repose sur la plaque support de coeur 36. Les ressorts 30 supportent la première sous-structure et maintiennent la plaque 23. Lorsque la plaque supérieure de coeur 38 est mise en place, la pression qu'elle exerce sur la pièce d'extrémité supérieure 16 s'ajoute au poids de la première sous-structure. Lorsque le réacteur est en fonctionnement, le réfrigérant exerce sur la première sous-structure une force qui tend à appliquer davantage la pièce d'extrémité supérieure 16 contre la plaque supérieure de coeur 38. La force que le réfrigérant exerce sur la seconde sous-structure, beaucoup plus faible que celle qu'il exerce sur la première sous-structure, est absorbée par les ressorts 30 sans soulèvement de la pièce d'extrémité inférieure 18. Les grilles intermédiaires 13 peuvent, lorsque les crayons sont disposés aux noeuds d'un réseau triangulaire, avoir la constitution montrée en figures 2 à 4. Chaque grille est constituée par une pièce monobloc en un alliage à faible absorption neutronique, généralement à base de zirconium, tel qu'un de ceux connus sous l'appellation "zircaloy". Elle se présente sous forme d'une plaque percée d'ouvertures à section hexagonale (à côtés rectilignes dans le mode de réalisation illustre), dont les axes sont répartis suivant un réseau triangulaire. Chaque ouverture constitue un couloir ayant une symétrie de révolution d'ordre 6 autour de l'axe. Chaque couloir est "vrillé" autour de l'axe 40, de sorte que la section droite dans la face inférieure de la grille est décalée angulairement d'un angle a par rapport à la section droite dans la face supérieure. Chaque crayon est guidé à frottement doux dans les ouvertures alignées des grilles 13. Selon que l'on donne à toutes les ouvertures un vrillage de même sens ou qu'au contraire les vrillages sont alternés en passant d'une ouverture à la suivante, on choisira des orientations relatives des sections droites adaptées dans deux ouvertures adjacentes. Dans le cas par exemple où toutes les ouvertures sont vrillées dans le même sens, il est avantageux de disposer toutes les ouvertures dans la même orientation au niveau de la section droite médiane de la grille, les côtés étant perpendiculaires à la ligne qui joint les axes des deux ouvertures.Lorsqu'au contraire deux ouvertures adjacentes sont vrillées en sens inverse, comme indiqué par les flèches sur la figure 4, il peut être plus avantageux de découper les ouvertures de façon que les côtés des sections droites dans le plan médian de la grille ne soient plus perpendiculaires aux lignes qui joingnent les axes des ouvertures. Dans tous les cas, la valeur maximale que l'on peut donner à l'angle a, pour un écartement donné entre les axes d'ouvertures et un diamètre donné du cercle circonscrit à l'ouverture, est déterminée par des impératifs mécaniques : on ne peut pas descendre au-dessous d'une épaisseur minimale de matière entre les ouvertures adjacentes. La variation d'orientation par unité de longueur suivant l'axe dépend, pour un décalage angulaire donné, de la hauteur de la grille. Etant donné que la surface délimitant chaque ouverture est réglée, il est possible d'usiner les ouvertures de façon simple, notamment par électro-érosion. On voit sur la figure 2 que toutes les ouvertures recevant des crayons peuvent être identiques, ce qui garantit un refroidissement homogène de tous les crayons puisque toutes les cellules d'écoulement hydraulique sont les mêmes. Au contraire, les ouvertures destinées aux tubes guides peuvent être différentes. Dans une variante de réalisation de l'invention, le diamètre des crayons est inférieur à celui du cercle inscrit à la section droite constante des ouvertures, mais la paroi de ces dernières présente des saillies d'appui des crayons. Cette solution permet un refroidissement plus intense des crayons mais en contrepartie complique l'usinage. La figure 5 montre, à titre d'exemple, une grille suivant l'invention comportant trente sept ouvertures réparties suivant un réseau triangulaire ; une fraction de la paroi des ouvertures situées à la périphérie, et notamment des ouvertures d'angle, est parallèle aux surfaces externes de la grille. Une telle grille peut notamment avoir une épaisseur de 10 mm et être percée d'ouvertures réparties avec un pas de 12,2 mm, dont l'écartement entre faces en regard est de 11,2 mm, le décalage entre sections étant de 15 environ. REVENDICATIONS 1. Grille monobloc (13) de centrage de crayons et de mélange pour assemblage combustible, dans laquelle sont ménagées des ouvertures à section polygonale dont les axes sont répartis suivant un réseau régulier et qui sont limitées par des surfaces destinées à présenter chacune une zone d'appui sur un crayon (14) traversant l'ouverture, caractérisée en ce que la section de l'ouverture à chaque niveau est identique à la section dans une grande face d'extrémité, décalée autour de l'axe d'un angle proportionnel à la distance axiale à la grande face. 2. Grille selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section polygonale est à côtés rectilignes ou curvilignes. 3. Grille selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le diamètre du cercle inscrit dans la section constante est sensiblement égal au diamètre du crayon à recevoir, de façon que celui-ci soit reçu à frottement doux dans l'ouverture. 4. Grille selon la revevendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les surfaces délimitant les ouvertures présentent des zones en saillie d'appui sur un crayon (14) traversant 1 'ouverture. 5. Grille selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que toutes les ouvertures sont vrillées dans le même sens et en ce que la section droite des ouvertures dans le plan médian de la grille a des côtés perpendiculaires aux lignes qui relient les axes d'ouvertures adjacentes. 6. Grille selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que des ouvertures adjacentes ont des sens de vrillage alternés. 7. Assemblage combustible comprenant un faisceau de crayons combustibles et une structure de support à deux sous-structures dont une comporte d'une part des grilles de centrage et de guidage (13), conformes à l'une quelconque des revendications précédentes et d'autre part au moins une grille d'extrémité (12) destinée à supporter les crayons, constituée de plaquettes entrecroisées munies de ressorts de serrage des crayons.