Brevet FR2679061A1 — publié le 19930115

ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE DEMONTABLE L'invention concerne les assemblages combustibles nucléaires pour réacteur refroidi et modéré par de l'eau légère, du type comprenant un squelette de support ayant deux embouts reliés par des tubes guides et des grilles ré- parties le long de l'assemblage, chaque grille ayant trois jeux de plaquettes entrecroisées délimitant des cellules traversées les unes par les tubes guides et les autres par des crayons de combustible, les plaquettes étant munies de moyens de serrage des crayons qui maintiennent ces crayons aux noeuds d'un réseau triangulaire régulier et étant fixées à certains au moins des tubes guides. On connaît déjà de tels assemblages combustibles dont une grille d'extrémité au moins est constituée en un matériau conservant ses propriétés mécaniques sous irradia- tion et contribue à retenir verticalement les crayons tan- dis que les grilles intermédiaires sont en alliage à base de zirconium (dont l'absorption neutronique est beaucoup plus faible que celle des grilles d'extrémité) et sont mu- nies de moyens, tels que des bossettes et des ressorts dé- coupés dans les plaquettes, exerçant sur les crayons une force de maintien transversal et de supportage qui est sus- ceptible de diminuer au cours de l'irradiation. L'invention vise notamment à fournir un assemblage du type ci-dessus défini dont l'embout supérieur est constitué de façon à transmettre une force d'anti-envol exercée par une plaque supérieure de coeur en autorisant les dilatations différentielles entre assemblages et entre l'assemblage et la structure du réacteur et à permettre la35 sortie de l'eau vers des passages prévus dans la plaque supérieure de coeur entre les appuis des embouts supérieurs. Dans ce but, l'invention propose notamment un assemblage du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que l'embout supérieur comprend: une partie basse ayant une cloche de transition d'une section hexagonale à un tronçon cylindrique, munie d'une plaque adaptatrice transversale ayant une liaison démontable avec certains des tubes guides; et une partie haute ayant un manchon cylindrique capable de coulisser sur le tronçon cylindrique de la partie basse et une plaque de maintien, des entretoises tubulaires limitant de l'écartement mutuel de la plaque adaptatrice et de la plaque de maintien étant prévues dans l'alignement d'autres tubes guides et des ressorts étant prévus entre les plaques pour exercer sur elles une force qui tend à les écarter l'une de l'autre. Les tubes guides placés en face des entretoises peuvent être simplement en appui sur ces dernières, alors que les autres tubes guides, beaucoup plus nombreux, sont fixés de façon démontable à la plaque adaptatrice Les ou- vertures dans la cloche peuvent présenter une forme ap- proximativement semi-circulaire et S 'ouvrir chacune sur la majeure partie d'une face hexagonale Les tubes guides sont par exemple fixés à l'embout inférieur à l'aide de vis blo- quées en rotation après serrage sur des manchons terminaux des tubes guides Les vis et les bouchons peuvent être per- cés d'un trou central pour autoriser le refroidissement de crayons de grappe de commande ou de variation de spectre lorsque ces crayons sont insérés dans l'assemblage. 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 refère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe en éléva- tion d'un assemblage, un seul crayon combustible et un seul tube guide étant représentés; la figure 2 est une vue de détail à grande éche- le, montrant la partie haute de l'assemblage, en coupe sui- vant un plan passant par l'axe; la figure 3 est une vue de détail en élévation, montrant le mode de fixation de la majeure partie des tubes guides aux embouts supérieur et inférieur, ainsi qu'une fraction de la grille d'extrémité inférieure; la figure 4 est une vue de dessus d'une fraction d'une des grilles de l'assemblage de la figure 1; les figures 5 A, 5 B et 5 C montrent schématiquement plusieurs modes possibles de liaison entre plaquettes inté- rieures d'une grille; la figure 6 est une vue de dessus d'un fragment de la figure 4, montrant un mode de réalisation de grilles permettant d'admettre des tubes guides de diamètre légère- ment supérieur à celui des crayons combustibles; les figures 7 et 8 montrent, respectivement en vue de dessus et en coupe suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7, une constitution possible de moyens élastiques de maintien transversal et de supportage dans une grille d'extrémité; la figure 9, similaire à la figure 8, est une coupe suivant la ligne IX- IX de la figure 6; la figure 10 est une vue de détail montrant un fragment de plaquette à laquelle est attenante une languet- te de fixation sur un tube guide; la figure 11 est une vue de dessus à grande échelle d'un fragment de grille, montrant la cambrure des plaquettes intérieures à leur raccordement avec la ceinture.30 L'assemblage combustible 10 montré schématiquement en figure 1 comprend un squelette ayant un embout supérieur 12 et un embout inférieur 14 reliés par des tubes guides 16 et ayant des grilles 20 et 22 régulièrement réparties le long des tubes guides Les grilles définissent des cellules35 réparties aux noeuds d'un réseau régulier dont certaines sont traversées par des tubes guides 16 ou un tube central d'instrumentation (non représenté) et les autres par des crayons de combustible 24 Ces crayons peuvent reposer sur l'embout inférieur 14 Ils sont retenus axialement et main- tenus aux noeuds du réseau par les grilles, comme on le verra plus loin Les grilles sont elles-mêmes fixées à certains au moins des tubes guides. Lors du fonctionnement du réacteur, l'embout infé- rieur 14 est posé sur la plaque support de coeur 26, percée de passages d'entrée du réfrigérant dans les assemblages. L'embout supérieur 12 reçoit la poussée de la plaque supé- rieure de coeur 28, percée d'ouvertures 30 de sortie du réfrigérant entre les embouts. On décrira tout d'abord, en faisant référence aux figures 2 et 3, une constitution possible de l'embout su- périeur et un mode possible de fixation démontable de cet embout permettant de l'enlever et de le remettre en place, par exemple pour remplacement de crayons. L'embout 12 comprend deux parties pouvant coulisser verticalement l'une par rapport à l'autre et des moyens de maintien destinés à limiter l'écartement mutuel des deux parties et à transmettre la poussée de la plaque 28 de l'une à l'autre. La partie basse est celle qui est fixée aux tubes guides Elle est constituée d'une plaque adaptatrice 32 en forme de disque fixée au tronçon supérieur cylindrique d'une cloche 34 de transition La partie basse de la cloche 34 est fixée à une plaque butée 36 de section hexagonale, percée de trous de passage des tubes guides 16 et d'ouver- tures de passage de réfrigérant La plaque butée 36 est à une distance des crayons de combustible suffisante pour permettre l'allongement de ces derniers (figure 1) et constitue une butée limitant la levée des crayons. La cloche 34 est par exemple en tôle d'acier inoxy- dable, soudée aux plaques 32 et 36 De larges échancrures 38 dans chaque face permettent la sortie du réfrigérant vers l'intervalle compris entre les embouts supérieurs. La partie haute est prévue pour coulisser sur la paroi cylindrique constituée par le pourtour de la plaque adaptatrice 32 et le tronçon supérieur de la cloche 34. Elle comprend un manchon cylindrique 40 dans lequel est soudée transversalement une plaque de maintien 42, munie en son centre d'un ajutage de passage de réfrigérant. Les moyens de maintien comprennent plusieurs ensem- bles entretoise-ressort, au nombre de trois par exemple. Chaque ensemble comporte une entretoise tubulaire 44 ali- gnée avec un tube guide 16 et au moins un ressort hélicoi- dal 46 entourant l'entretoise et comprimé entre les plaques 32 et 42 Dans le cas illustré sur la figure 2, chaque en- semble comporte deux ressorts montés concentriquement l'un à l'autre, de raideur différente. Chaque entretoise tubulaire se termine par une bri- de fixée à la plaque adaptatrice 32 La partie haute de l'entretoise est filetée pour recevoir un écrou 48 de ré- glage de l'écartement maximum entre les plaques 32 et 42 et donc de la précompression des ressorts 46 L'alésage cen- tral de l'entretoise 44 a le même diamètre que les tubes guides 16 pour autoriser l'insertion de crayons d'une grap- pe de commande ou de variation de spectre dans les tubes guides alignés avec les entretoises tubulaires. Les tubes guides 16 placés dans l'alignement d'en- tretoises 44 sont simplement en butée contre la bride de ces dernières Les autres tubes guides sont fixés chacun sur la plaque adaptatrice 32 par des moyens démontables. Dans le cas illustré sur la figure 3, ces moyens compren- nent une douille filetée 50 de diamètre intérieur suffisant pour autoriser le passage de crayons de grappe de commande ou de variation de spectre Ces douilles se vissent dans des manchons taraudés 52 soudés sur les extrémités des tu- bes guides 16 Une fois vissées, les douilles 50 sont blo- quées en rotation par déformation d'une jupe mince dont elles sont munies dans des empreintes usinées dans la pla- que adaptatrice 32. Tous les tubes guides 16 sont fixés de la même façon sur l'embout inférieur Cet embout inférieur 14, gé- néralement en acier inoxydable, comprend une plaque adaptatrice 54 fixée sur un corps à section hexagonale et percée d'ouvertures de passage du réfrigérant Cette plaque sert d'appui pour les crayons de combustible 14 Elle est percée de trous épaulés de passage de douilles filetées 56, destinées à se visser dans des bouchons terminaux 58 des tubes guides 16 Les douilles sont percées d'un trou calibré 56 a d'alimentation des tubes guides en eau de refroidissement des crayons de commande ou de variation de spectre insérables dans les tubes guides. Les grilles peuvent avoir la constitution de prin- cipe montrée en figure 4 et être formées par trois jeux de plaquettes présentant des fentes d'assemblage, les grilles d'un des jeux étant parallèles entre elles et à 1200 des plaquettes des deux autres jeux Comme le montre la figure 4, les plaques peuvent être assemblées deux à deux à mi-fer. Dans le cas illustré sur la figure 4, chaque grille est constituée de soixante plaquettes intérieures et six plaquettes extérieures Les plaquettes extérieures peuvent être prolongées par des languettes de guidage pliées 60 (figure 3) évitant les risques d'accrochage entre assembla- ge lors des manutentions. Les deux grilles d'extrémité 20 au moins sont cons- tituées de plaquettes en un alliage conservant des proprié- tés mécaniques sous irradiation, par exemple en Inconel 718 Les plaquettes peuvent alors être fixées deux à deux par brasage On peut également utiliser d'aurtres maté- riaux, par exemple l'acier martensitique. Dans le mode de réalisation montré en figure 3, des capuchons en acier inoxydable 62 sont fixés par brasage sur les plaquettes de la grille d'extrémité basse Ces35 capuchons reçoivent l'extrémité inférieure des tubes guides 16, fixés sur la plaque 54 de l'embout inférieur par les vis 56 La grille supérieure 20 peut, de façon similaire, porter des manchons brasés destinés chacun à entourer un tube guide La grille d'extrémité supérieure ainsi équipée peut, une fois insérée sur les tubes guides soit être libre, soit être retenue axialement par des bagues en alliage à base de zirconium, soudées sur certains au moins des tubes guides, de part et d'autre des manchons Un jeu peut être prévu pour éviter les contraintes. Les grilles intermédiaires 22 peuvent être réali- sées soit en alliage à base de zirconium, soit (si on recherche un maintien des caractéristiques mécaniques après irradiation) en un alliage inoxydable, tel que l'Inconel 718 Les plaquettes extérieures peuvent encore être munies de déflecteurs destinés à éviter l'accrochage entre assemblages adjacents lors des manutentions. Les plaquettes peuvent être assemblées de plusieurs façons différentes, suivant que l'on recherche surtout la facilité de fabrication des plaquettes ou la fiabilité des soudures aux entrecroisements. Dans le cas illustré sur la figure 5 A, les fentes d'assemblage d'une plaquette 64 avec une plaquette 66 d'un jeu à 1200 sont ménagées en biais, avec une inclinaison alternée Cette solution a l'inconvénient de rendre la dé- coupe complexe, mais elle facilite le soudage. Dans la variante montrée en figure 5 B, les fentes sont droites, ce qui simplifie la fabrication des plaquet- tes, mais est moins favorable du point de vue du soudage. La figure 5 C constitue un compromis entre les deux réalisations précédentes: les fentes d'une plaque sont droites, mais munies de chanfrein d'appui des plaques des autres jeux. Les plaquettes de grille sont munies de moyens de serrage des crayons qui comprennent des bossettes d'appui ménagées sur les plaquettes extérieures et des ensembles bossettes-ressorts sur les plaquettes intérieures Dans le cas particulier illustré en figure 6, o les tubes guides 16 ont un diamètre supérieur à celui des crayons, les bos- settes d'appui doivent être supprimées à proximité des cellules contenant les tubes guides, comme on le verra plus loin. Dans les cellules courantes, les crayons peuvent être supportés en cinq points, répartis selon trois direc- tions à 1200 Deux des plaquettes 64 et 66 (fig 5 à 7) qui délimitent la cellule sont munies de bossettes 68 situées à deux niveaux différents L'une des plaquettes du troisième jeu 70 comporte un ressort découpé et déformé 72 Les bossettes 68 étant proches des fentes, il sera souvent avantageux de les constituer par des parties découpées en forme de pont de faible largeur, l'ouverture sous le pont étant dans le sens longitudinal des plaquettes Les bossettes et les resssorts peuvent avoir la même largeur. Cependant d'autres types de bossettes peuvent être utilisés, par exemple en forme de demi-bouton, comme décrit dans la demande de brevet français no 90 09446. Comme on l'a indiqué plus haut, les plaquettes doi- vent être déformées localement pour délimiter des cellules de taille suffisante pour recevoir les tubes guides 16 (figure 6) Lorsque la différence de diamètre entre les tubes guides 16 et les crayons de combustible 24 est impor- tante, cette déformation doit s'étendre sur les cellules adjacentes à celles qui reçoivent les tubes guides Dans ce cas, la déformation de la plaquette se substitue à un jeu de deux bossettes alignées dans le sens longitudinal des crayons, comme le montrent les figures 6 et 9, et le crayon est maintenu en quatre points, deux étant constitués par le cambrage des plaquettes 74 et les deux autres par des ressorts 72. Lorsque les grilles intermédiaires sont en alliage à base de zirconium, comme les tubes guides 16, elles peu- vent être fixées par soudage à ces derniers Dans ce but les plaquettes peuvent être prolongées, autour des tubes guides, par des languettes cambrées 76 (figure 10) qui sont soudées par résistance sur les tubes guides. Pour faciliter l'assemblage entre les plaquettes intérieures et les plaquettes extérieures, constituant une ceinture, il est préférable de courber les portions termi- nales 79 des plaquettes intérieures de façon qu'elles croisent à 90 les plaquettes extérieures constituant la ceinture 78 (figure 11) Cette disposition permet de munir les plaquettes intérieures de tenons qui s'engagent dans des fentes prévues dans la ceinture, avant soudage. Les plaquettes extérieures peuvent être raccordées dans les coins de la ceinture, comme indiqué sur la figure 11, ou dans les faces Cette fixation peut être réalisée, comme celle des plaquettes intérieures entre elles, par soudage par faisceau d'électrons ou par laser. Comme on l'a indiqué plus haut, on peut également utiliser des grilles intermédiaires constituées de plaquet- tes en alliage conservant ses propriétés sous irradiation, par exemple en Inconel Dans ce cas, les plaquettes peuvent avoir une épaisseur légèrement plus faible que dans le cas d'utilisation de Zircaloy Les plaquettes peuvent alors être brasées entre elles aux points d'enchevêtrement. Dans une réalisation particulière, l'assemblage était destiné à recevoir trois cent douze crayons disposés aux noeuds d'un réseau de pas 12,75 mm La structure sup- port comportait quinze tubes guides fixés de façon démon- table aux embouts et trois tubes guides placés dans l'ali- gnement d'entretoises Les grilles d'extrémité étaient en Inconel 718 et les grilles intermédiaires en Zircaloy Ces dimensions conduisaient à adopter une largeur commune de 1,8 mm pour les bossettes et les ressorts emboutis La hauteur des plaquettes était la même pour les grilles in- termédiaires et les grilles d'extrémité Une épaisseur des plaquettes intérieures de l'ordre de 0,4 mm s'est révélée satisfaisante, l'épaisseur étant avantageusement un peu plus élevée pour les plaquettes extérieures dans le cas de grilles en Zircaloy. REVENDICATIONS 1 Assemblage combustible nucléaire pour réacteur refroidi et modéré par de l'eau légère, comprenant un sque- lette de support ayant deux embouts ( 12,14) reliés par des tubes guides ( 16) et ayant des grilles ( 20,22) réparties le long de l'assemblage, chaque grille ayant trois jeux de plaquettes enchevêtrées délimitant des cellules traversées les unes par les tubes guides ( 16) et les autres par des crayons de combustible, les plaquettes étant munies de moyens ( 68,72) de serrage des crayons qui maintiennent ces crayons aux noeuds d'un réseau triangulaire régulier et étant fixées à certains au moins des tubes guides, caractérisé en ce que l'embout supérieur ( 12) com- prend: une partie basse ayant une cloche ( 34) de transi- tion d'une section hexagonale à un tronçon cylindrique, munie d'une plaque adaptatrice ( 32) ayant un liaison démon- table avec certains des tubes guides ( 16); et une partie haute ayant un manchon cylindrique ( 40) capable de coulis- ser sur le tronçon cylindrique de la partie basse et une20 plaque de maintien ( 42), des entretoises tubulaires ( 44) limitant l'écartement mutuel de la plaque adaptatrice ( 32) et de la plaque de maintien ( 42) étant prévues dans l'ali- gnement d'autres tubes guides et des ressorts ( 46) étant prévus entre les plaques pour exercer sur elles une force qui tend à les écarter l'une de l'autre. 2 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ressorts sont placés autour des entretoises ( 44). 3 Assemblage selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que lesdits autres tubes guides sont unique- ment ceux placés en alignement avec les entretoises tubu- laires ( 44) et en ce que lesdites entretoises présentent le même alésage interne que les tubes guides pour permettre l'insertion de crayons appartenant à des grappes de comman-35 de ou de variation de spectre. 4 Assemblage selon la revendication 3, caractérisé il en ce que lesdits autres tubes guides sont en appui sur les entretoises et en ce que ces dernières présentent une bride d'appui sur la plaque adaptatrice et une partie terminale filetée de réception d'un écrou ( 48) de réglage de l'écar- tement maximum entre la plaque adaptatrice ( 32) et la plaque de maintien ( 42). Assemblage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les moyens de fi- xation de la plaque adaptatrice avec certains au moins des tubes guides comprennent des vis bloquées en rotation après serrage sur des manchons terminaux ( 52) des tubes guides. 6 Assemblage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les plaquettes sont enchevêtrées deux à deux à mi-fer et en ce que les moyens de serrage des crayons comportent des bossettes pla- cées sur des parois de la cellule à 1200 d'un ressort ména- gé sur une autre paroi. 7 Assemblage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les bossettes et les ressorts sont découpés dans la paroi des plaquettes et donnent un appui en cinq points aux crayons. 8 Assemblage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que, les tubes guides ayant un diamètre supérieur à celui des crayons de combus- tible, les plaquettes sont déformées autour des cellules de réception des tubes, ladite déformation s'étendant sur les cellules adjacentes. 9 Assemblage selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les plaquettes in- térieures de chaque grille sont cambrées ( 79) à leurs extrémités pour que leur intersection avec les plaquettes extérieures s'effectue à 900. 10 Assemblage selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les plaquettes sont munies, aux emplacements d'enchevêtrement, de fentes droites chanfreinées.