Brevet FR2677797A1 — publié le 19921218

ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE DEMONTABLE, A BOITIER L'invention concerne les assemblages combustibles nucléaires pour réacteur refroidi et modéré par de l'eau légère, du type comprenant deux embouts reliés par un boitier contenant un faisceau de crayons de combustible maintenus aux noeuds d'un réseau triangulaire régulier par des grilles réparties le long du boîtier et par deux plaques perforées solidaires chacune d'un embout, les embouts et le boîtier ayant la même section externe hexagonale. On connait déjà de tels assemblages combustibles dont les grilles et la plaque perforée inférieure, qui supporte les crayons, sont fixées sur un tube central d'instrumentation solidaire de la plaque perforée supérieure. Les embouts, en acier inoxydable, sont fixés définitivement sur le boîtier, en alliage à base de zirconium, de façon indémontable, par emmanchement et sertissage. La plaque perforée supérieure est fixée de façon permanente au boîtier par sertissage. Cet assemblage présente des inconvénients. En particulier, il est impossible d'enlever les crayons sans démanteler complètement l'assemblage. Or, il est souhaitable que les crayons puissent être enlevés de l'assemblage, soit individuellement pour remplacement de crayons non étanches soit en totalité en vue du retraitement du combustible irradié. L'invention vise notamment à fournir un assemblage du genre ci-dessus défini, autorisant l'enlèvement et le remplacement des crayons et, éventuellement, une réutilisation de l'assemblage après remplacement de crayons non étanches. Dans ce but, l'invention propose notamment un assemblage du type ci-dessus défini caractérisé en ce que l'embout supérieur est muni de moyens de liaison amo vible avec la plaque perforée supérieure et en ce que les bouchons des crayons de combustible sont fixés uniquement à la plaque perforée supérieure, par des moyens démontables permettant d'extraire les crayons à travers les trous de la plaque perforée supérieure traversés par les bouchons. L'embout supérieur peut notamment être fixé ae façon permanente à une plaque adaptatrice percée d'ouvertures de passage d'eau ; c'est alors cette plaque qui est fixée de façon amovible à la plaque perforée. Dans un mode avantageux de réalisation, les moyens de fixation démontable de chaque bouchon comprennent une goupille transversale de suspension, traversant le bouchon, de longueur supérieure au diamètre du crayon, emprisonnable entre la plaque perforée supérieure et la plaque adaptatrice. En particulier, les goupilles peuvent être prévues pour se loger dans des encoches ménagées dans la face supérieure de la plaque perforée et y être emprisonnées par la plaque adaptatrice. Lorsque l'assemblage combustible comporte des crayons contenant du matériau absorbant, se substituant aux crayons combustibles à des noeuds régulièrement répartis dans le réseau, la plaque adaptatrice peut être fixée contre la plaque perforée supérieure à l'aide de vis présentant un épaulement d'appui contre la plaque adaptatrice et une tige filetée destinée à se visser dans un trou taraudé aligné avec un crayon contenant du matériau absorbant. Un ressort peut être interposé entre la vis et l'extrémité du bouchon de crayon de matériau absorbant, pour plaquer ce crayon contre la plaque inférieure. Les grilles peuvent être prévues soit pour assurer un maintien précis des crayons aux noeuds du réseau, soit simplement pour limiter le débattement transversal des crayons. Dans le premier cas, elles doivent être munies de moyens dans lesquels les crayons peuvent coulisser à frottement doux. Dans la partie aval de l'assemblage (c'est-à-dire dans la partie haute, lorsque l'assemblage est parcouru par un courant ascendant d'eau de réfrigération, ce qui est le cas général) les grilles peuvent être munies d'ailettes de brassage de l'eau. Les grilles peuvent être de plusieurs types différents. Lorsque la grille doit assurer un maintien précis des crayons, elle peut avoir une constitution monobloc et notamment être du type décrit et revendiqué dans la demande de brevet français n" 90 04035. On peut également utiliser une grille constituée par emboitement et soudage de plaquettes, ayant chacune un pli médian à 120 degrés, du genre décrit dans la demande de brevet français n" 90 05820. Dans les plaquettes peuvent être aménagées des bossettes placées sur un ou deux niveaux différents et orientées dans le sens longitudinal ou transversal, de façon à fournir quatre ou huit points d'appui pour chaque crayon. Cette disposition permet d'avoir une résistance mécanique qui est la même suivant chaque orientation. On peut également constituer la grille en plaquettes droites, assemblées selon deux directions à 60 degrés l'une de l'autre, avec des orientations qui changent d'une grille à la suivante. Là encore, les plaquettes peuvent comporter des bossages de maintien précis ou des languettes de fixation sur le tube central. Cependant, une autre solution consiste à fixer les grilles par leurs ceintures sur le boîtier. Dans une autre variante, encore de réalisation, les moyens de fixation démontables des bouchons sont constitués par des moyens de serrage élastique de ces bouchons, comportant des ressorts appartenant à la plaque perforée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 est une vue en élévation d'un assemblage constituant un mode particulier de réalisation de l'invention, avec arrachement d'une partie du boitier. La figure 2 est une vue de détail à grande échelle montrant une fraction de la partie haute de l'assemblage, en coupe suivant un plan passant par l'axe. La figure 3 est une vue de détail en perspective, montrant le mode de suspension de trois crayons combustibles sur la plaque perforée supérieure de l'assemblage de la figure 2. La figure 4 est une vue de dessus de l'assemblage des figures 1 et 2, où quelques crayons combustibles seulement sont représentés. La figure 5, similaire à la figure 4, montre une variante de réalisation. La figure 6 montre schématiquement l'ensemble des plaquettes d'une grille utilisable dans un assemblage du genre montré en figure 1 et 2. La figure 7 est une vue en coupe suivant un plan passant par l'axe d'un assemblage constituant une variante de celui de la figure 1, un seul crayon combustible étant représenté. La figure 8, similaire à la figure 7 montre une autre variante encore de réalisation. La figure 9 est une vue de détail à grande échelle, montrant un taquet de liaison entre le boitier et l'embout supérieur de l'assemblage de la figure 8, en coupe suivant la ligne IX-IX de la figure 10. La figure 10 est une vue en perspective du taquet de liaison montré en figure 9. La figure 11 est une vue de dessus d'une fraction de la plaque perforée supérieure de l'assem- blage de la figure 8, montrant des traverses de suspension de crayons. L'assemblage combustible 10 montré schématiquement en figures 1 à 3 comprend des embouts supérieur 12 et inférieur 14 reliés par un boitier 16 à section hexagonale. Les embouts seront généralement en acier inoxydable alors que le boitier sera en alliage à faible absorption neutronique, généralement en alliage à base de zirconium, de faible épaisseur, habituellement d'environ 2 millimètres. L'embout inférieur 14 est fixé au boitier 16 de façon permanente, par exemple par emboitement et par un sertissage obtenu par enfoncement local du boitier 16 dans des logements cylindriques usinés dans l'embout 14. I1 comporte un pied cylindrique destiné à s'emboiter dans une plaque support de coeur. Les crayons 18 contenant du matériau combustible sont maintenus aux noeuds d'un réseau triangulaire régulier par deux plaques perforées 20 et 22 et par des grilles 24 régulièrement réparties le long du faisceau de crayons 18. La plaque perforée inférieure 20 est percée d'une part de trous de réception de prolongements, de diamètre réduit, des bouchons inférieurs des crayons, d'autre part d'ouvertures de passage d'eau ménagées entre les trous de réception des bouchons. La plaque perforée inférieure 20, en acier inoxydable par exemple, est glissée dans le boîtier 16 et elle repose sur l'embout inférieur 14. Elle peut être fixée au boitier 16 par sertissage et/ou à l'embout inférieur 14 par soudage. Dans le mode de réalisation montré sur les figures 2 et 3, la plaque perforée supérieure 22 est fixée de façon permanente au boîtier 16, par des moyens mécaniques. Elle peut par exemple être emmanchée dans le boîtier, présenter un épaulement venant s'appuyer sur la tranche terminale du boitier et être soudée à ce dernier le long de l'épaulement. La plaque perforée supérieure 22 est prévue pour supporter les crayons de combustible 18 et autoriser leur enlèvement par tirage vers le haut. Pour cela, la plaque supérieure 22 est percée de trous 19 répartis suivant le même réseau que les crayons et ayant un diamètre suffisant pour leur livrer passage, généralement à frottement doux. Le bouchon supérieur 25 de chaque crayon 18 a un prolongement 26 de diamètre réduit, qui traverse la plaque supérieure 22 en laissant un espace annulaire libre suffisant pour permettre le passage de l'eau constituant réfrigérant et modérateur sans perte de charge excessive, comme indiqué par les flèches g. Dans la pratique, le diamètre du prolongement 26 sera généralement à peu près moitié du diamètre de la partie courante du crayon. Chaque prolongement 26 dépasse la face supérieure de la plaque perforée supérieure 22 et est traversé par une goupille 28 de suspension. Les goupilles 28 se logent dans des encoches ou rainures 30 parallèles les unes aux autres, ménagées dans la face supérieure de la plaque perforée 22, de profondeur sensiblement égale au diamètre des goupilles 28. Les goupilles peuvent être emmanchées à frottement dur dans les bouchons et avoir une longueur telle que les goupilles alignées dans une même encoche sont en appui les unes sur les autres, comme le montrent les figures 2 et 3, ce qui maintient les crayons en position centrée. L'embout supérieur 12 est muni de pions 29 à ressort de maintien par une plaque supérieure. I1 est relié par des moyens de liaison démontable à la plaque perforée supérieure 22. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 3, ces moyens de liaison démontable comprennent une plaque adaptatrice 32, en acier par exemple, fixée de façon permanente à l'embout supérieur 12, par exemple par soudage. La face inférieure de la plaque adaptatrice 32 est prévue pour venir s'appliquer contre la plaque perforée supérieure 22 et elle est percée de trous 33, ayant avantageusement le même diamètre que les trous 19 ménagés dans la plaque perforée supérieure 22, alignés avec eux. La plaque adaptatrice 32 permet d'emprisonner les goupilles 28 dans leurs encoches. La plaque adaptatrice 32 est fixée à la plaque perforée supérieure 22 par des organes démontables (non représentés) qui peuvent avoir diverses constitutions. L'assemblage combustible montré à titre d'exemple en figure 2 comporte des crayons absorbants 34 occupant des emplacements du réseau des crayons répartis régulièrement. Ces crayons absorbants ne nécessitent pas un passage de réfroidissement dans la plaque perforée supérieure 22. Le trou prévu dans la plaque supérieure 22 peut alors être taraudé et recevoir une vis 36 présentant un épaulement 38 d'appui contre le fond d'un chambrage ménagé dans la plaque adaptatrice 32. La partie supérieure de la vis 36 peut être constituée par une jupe mince et déformable de blocage en rotation dans des encoches de la plaque adaptatrice 32. Les crayons absorbants sont par exemple au nombre de six et placés au sommet d'un hexagone. Ils contiennent par exemple de l'oxyde de zirconium et un poison consommable. La vis 36 peut présenter un alésage borgne de guidage d'un prolongement du bouchon du crayon absorbant 34. Un ressort 40 peut être interposé entre le fond de l'alésage borgne et le prolongement. La dilatation éventuelle du crayon absorbant 34 provoquera un allongement vers le haut de ce crayon en comprimant le ressort 40, alors que la dilatation des crayons de combustible 18 provoquera leur allongement vers le bas.Des prolongements des bouchons inférieurs des crayons combustibles 18 coulissent dans la plaque perforée inférieure 20 pour autoriser cette dilatation. En général, l'embout supérieur 12 présentera une forme convergente réduisant localement la section intérieure. Les crayons absorbants 34 doivent avoir un emplacement tel que les vis correspondantes 36 soient accessibles. Pour cela les crayons absorbants sont placés à distance du boitier, comme le montre la figure 4, ou des évidements semi-circulaires 41 sont usinés dans la paroi interne de l'embout, comme le montre la figure 5. Les grilles d'espacement intermédiaires peuvent avoir diverses constitutions. On peut par exemple utiliser une grille du genre montré en figure 6, constituée par emboitement et soudage de plaquettes en forme de chevrons. La grille représentée, sous forme éclatée, en figure 6, peut être regardée comme comprenant une ceinture et des plaquettes définissant des cellules destinées à recevoir chacune un crayon. La ceinture peut être constituée par une bande de tôle en alliage de zirconium pliée pour avoir la forme d'un hexagone ou par des tronçons de bande ayant chacune une longueur égale à celle d'un côté de la ceinture, ces tronçons étant reliés entre eux par soudage, par exemple par faisceau d'électrons ou par faisceau laser. Pour réduire le nombre de types de composants, il est cependant plus avantageux de constituer la ceinture en trois plaquettes 42 ayant la même forme que les plaquettes internes et auxquelles sont soudées ou brasées les plaquettes internes. Les plaquettes internes 44, 46 et 48 appartiennent à trois jeux entrecroisés à 120C l'un de l'autre. Toutes ces plaquettes s'étendent entre deux faces opposées de la ceinture et présentent en leur milieu un angle de 120 . Dans le cas représenté elles constituent un seul lit, des fentes de longueur égale à la moitié de la largeur des plaquettes étant ménagées dans ces dernières. I1 est cependant également possible de disposer les plaquettes en plusieurs lits, reliées par la ceinture. Enfin, les fentes peuvent être obliques plutôt que parallèles à l'arête des ceintures, pour faciliter le soudage des plaquettes entre elles. Dans les plaquettes 42 peuvent être ménagées des bossettes placées à un ou à deux niveaux différents, de façon à fournir quatre ou huit points d'appui pour chaque crayon. Ces bossettes peuvent notamment être constituées par des fractions en forme de bandes découpées et déformées, orientées longitudinalement ou transversalement. Certaines au moins des grilles, placées dans la partie aval de l'assemblage, peuvent être munies d'ailettes de mélange des filets de fluide réfrigérant en écoulement ascendant dans l'assemblage. En général, il suffira de huit ou neuf grilles lorsque les crayons ont une hauteur de l'ordre de 2,40 m contenant du matériau fissile. Le mode de réalisation montré en figure 7, où les éléments correspondant à ceux des figures 1 à 6 sont désignés par le même numéro de référence, se différencie notamment du précédent en ce qu'il comporte un squelette comportant des tubes de structure en alliage à base de zirconium, pouvant se substituer aux crayons absorbants du premier mode de réalisation, fixés aux grilles et aux embouts. Le boîtier n' assure plus alors de fonction mécanique de solidarisation. Les tubes de structure 50, au nombre de six par exemple, sont fixés de façon démontable à la plaque adaptatrice 32, par exemple par des vis 36 de constitution comparable à celle des vis 36 montrées en figure 2. Ils sont fixés à la plaque perforée inférieure 20 par des moyens qui peuvent encore être des vis démontables 54. La plaque perforée supérieure 22 est fixée aux tubes de structure 50. Elle peut par exemple comporter des pattes 56 destinées à être soudées aux tubes. Elle supporte les crayons de combustible 18, munis par exemple d'un bouchon 57 ayant un renflement limité par un épaulement d'appui sur la plaque 22. C'est la plaque adaptatrice 32 qui évite le soulèvement des crayons sous l'action du refrigérant. Les grilles 24 sont fixées aux tubes de structure 50. Elles peuvent être dépourvues de ceinture et comporter des pattes 58 destinées à être soudées sur les tubes de structure 50. Ces grilles peuvent encore être munies de bossettes de maintien transversal des crayons de combustible ou au contraire limiter simplement leur débattement. Les tubes de structure 50 peuvent contenir des crayons contenant du matériau absorbant les neutrons (non représentés). Ces crayons absorbants peuvent être maintenus contre les vis creuses 54 de fixation par un ressort en appui contre les vis creuses 36. Un jeu radial de l'ordre de 0,5 mm entre crayon et tube suffit pour assurer un débit de refroidissement suffisant. L'assemblage peut encore comporter un tube central d'instrumentation, fixé aux grilles et à la plaque perforée 22 de la même façon que les tubes de structure 50. Un tel assemblage a l'avantage d'être aisément démontable en vue du retraitement, du fait que le boîtier 16 n'est solidaire ni des crayons de combustible, ni des embouts mais simplement emboîté sur ces derniers, comme le montre la figure 7. La variante de réalisation montrée en figures 8 à 11 comporte une liaison démontable entre le boîtier 16 et l'embout supérieur 12. La plaque adaptatrice 22 est fixée au boitier 16, par exemple par soudage. Les crayons combustibles 18, dont un seul est représenté, peuvent avoir la même constitution que ceux de la figure 2 mais le prolongement 26 de leur bouchon supérieur est solidaire d'une traverse 62 comportant un épaulement d'appui et de centrage sur la plaque perforée 22. Une plaque de maintien 32a est fixée de façon démontable à la plaque perforée supérieure 22, par exemple par des vis 64. Comme la plaque adaptatrice 32 de la figure 7, elle retient les crayons 18 en plaquant les traverses 62 contre la plaque perforée supérieure 22. L'assemblage peut également comporter des crayons absorbants montés de la même façon que les crayons combustibles. Les grilles peuvent être fixées à un tube central d'instrumentation non représenté. Les moyens démontables de liaison entre l'embout supérieur 12 et lue boîtier 16 peuvent être du genre montré en figures 9 et 10. L'embout comporte un épaulement annulaire d'appui sur la tranche terminale du boitier 16. Deux logements 66 sont usinés dans l'embout 12 pour permettre l'introduction de taquets d'accrochage 68 et leur remontée sous l'action de vis de tirage 70 de la position montrée en traits mixtes à celle montrée en traits pleins sur la figure 9. Dans cette dernière position les taquets s'appuient contre la paroi de fenêtres 72 découpées dans le boitier. Deux trous 74 et 76 usinés obliquement dans l'embout 12 guident la vis 70 dont la tête s'appuie sur l'embout. On voit que le taquet, lorsqu'il est en position basse, libère le boitier et permet de la séparer de 1' embout. REVENDICATIONS 1. Assemblage combustible nucléaire, comprenant deux embouts (12,14) reliés par un boitier (16) contenant un faisceau de crayons de combustible (18) maintenus aux noeuds d'un réseau triangulaire régulier par des grilles réparties le long du boîtier et par deux plaques perforées (20,22) solidaires chacun d'un embout, les embouts et boitiers ayant la même section externe hexagonale, caractérisé en ce que l'embout supérieur (12) est muni de moyens de liaison démontable avec la plaque perforée supérieure (22) et en ce que les bouchons des crayons de combustibles sont fixés uniquement à la plaque perforée supérieure (22), par des moyens démontables permettant d'extraire les crayons (18) à travers les trous de la plaque perforée supérieure traversés par les bouchons. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embout supérieur (12) est fixé de façon permanente à une plaque adaptatrice (32) fixée à la plaque perforée par les moyens de liaison amovible (36). 3. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de fixation démontables de chaque crayon combustible comprennent une goupille transversale de suspension (28), traverse le bouchon du crayon et a une longueur supérieure au diamètre du crayon, emprisonnable entre la plaque perforée supérieure (22) et la plaque adaptatrice (32). 4. Assemblage selon la revendication 3, caractérisé en ce que les goupilles sont prévues pour se loger dans des encoches (30) ménagées dans la face supérieure de la plaque perforée (22) et être emprisonnées par la plaque adaptatrice (32). 5. Assemblage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les goupilles (28) ont une longueur telle que les goupilles alignées dans une même encoche soient en butée mutuelle. 6. Assemblage selon la revendication 5, caractérisé en ce que les bouchons comprennent un prolongement (26) de diamètre réduit traversant les trous de la plaque perforée supérieure (22), lesdites goupilles (28) traversant les prolongements qui laissent subsister un passage annulaire de circulation de réfrigérant entre eux et la paroi des trous. 7. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la plaque adaptatrice (32) est fixée contre la plaque perforée supérieure (22) par des vis (36) présentant un épaulement d'appui contre la plaque adaptatrice (32) et une tige filetée destinée à se visser dans un trou taraudé de la plaque perforée supérieure (22) alignée avec un crayon (34) contenant du matériau absorbant et à retenir le dit crayon (34). 8. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison amovible comprennent des vis (36) de raccordement de la plaque adaptatrice à une structure support comportant la plaque perforée supérieure, des grilles et des tubes de structure (50). 9. Assemblage selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de fixation démontables de chaque crayon comprennent une fonction (57) présentant un renflement d'appui sur la plaque perforée supérieure, retenu par la plaque adaptatrice (32). 10. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (16) est fixé de façon permanente à la plaque perforée supérieure (22) et en ce que les moyens de liaison démontable (68-72) sont interposés entre l'embout supérieur (12) et le boitier (16).