Brevet FR2732812A1 — publié le 19961011

L'invention concerne un crayon de combustible pour un réacteur nucléaire comprenant une gaine tubulaire dans laquelle sont empilées des pastilles de combustible de forme cylindrique. Le coeur des réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau et en particulier des réacteurs nucléaires refroidis par de l'eau sous pression est constitué par des assemblages dans lesquels des éléments de combustible sont disposés de manière que le fluide de refroidissement en circulation dans le réacteur nucléaire puisse prélever la chaleur dégagée par les éléments de combustible. Les éléments de combustible sont réalisés sous la forme de crayons cylindriques de grande longueur comportant une gaine tubulaire en un matériau absorbant faiblement les neutrons dans laquelle sont empilées des pastilles de matière combustible de forme cylindrique. Les gaines des crayons combustibles sont fermées à leurs extrémités par des bouchons qui sont généralement engagés en force dans les extrémités de la gaine et soudés sur les parties d'extrémité de la gaine. De manière à maintenir l'empilement des pastilles de matière combustible à l'intérieur de la gaine d'un crayon de combustible qui est disposé verticalement en service dans le réacteur nucléaire, un ressort hélicoïdal est intercalé entre l'extrémité supérieure de l'empile- ment de pastilles de matière combustible et l'extrémité interne du bouchon supérieur disposée en vis-à-vis de l'extrémité supérieure de l'empilement de pastilles. Après le remplissage de la gaine tubulaire par les pastilles cylindriques de matière combustible, on engage dans la partie d'extrémité supérieure de la gaine, un ressort hélicoïdal de maintien qui est comprimé lors de la mise en place et la fixation du bouchon supérieur dans la partie d'extrémité supérieure de la gaine. Le ressort hélicoïdal à l'état comprimé entre la colonne de pastilles de combustible et le bouchon supérieur de fermeture de la gaine n' est pas dans une configuration à spires jointives, de telle sorte que le ressort est susceptible de compenser une dilatation dans la direction axiale de la colonne de pastilles de combustible, pendant le fonctionnement du réacteur, tout en assurant un maintien efficace de la colonne de pastilles de combustible empilées dans la gaine. Le ressort hélicoïdal de maintien de l'empilement de pastilles d'un crayon de combustible présente une forme générale cylindrique, les spires de ce ressort ayant toutes un même diamètre. Le diamètre extérieur du ressort hélicoïdal est très légèrement inférieur au diamètre intérieur de la gaine dans laquelle les pastilles sont empilées avec un très faible jeu diamétral. Le ressort hélicoïdal comporte une première spire d'extrémité venant en appui sur l'extrémité de la colonne de pastilles de combustible et une seconde spire d'extrémité venant en appui sur la partie d'extrémité interne du bouchon. Les deux spires d'extrémité du ressort présentent un même diamètre extérieur qui est très peu inférieur au diamètre intérieur de la gaine, de manière à obtenir un bon guidage du ressort à l'intérieur de la gaine du crayon. La partie d'extrémité interne du bouchon présente généralement la forme d'un tronc de cône dont la petite base correspond à l'extrémité interne du bouchon contre laquelle vient en appui la seconde spire d'extrémité du ressort hélicoïdal. Du fait de la réduction de section du bouchon à son extrémité interne, la seconde spire d'appui du ressort vient en contact avec l'extrémité du bouchon suivant une zone dont la section est réduite. Lorsque le ressort est comprimé, au moment de la mise en place du bouchon, la seconde spire d'appui est susceptible de glisser autour de la partie d'extrémité interne du bouchon, dans un espace annulaire délimité par la surface intérieure de la gaine et la surface tronconique de la partie d'extrémité interne du bouchon.La partie d'extrémité du ressort hélicoïdal est donc susceptible de venir se loger entre le bouchon et la gaine, ce qui risque de gêner la mise en place et la fixation par soudage du bouchon. Dans certains cas, la mise en place et le soudage du bouchon sont de ce fait défectueux ou impossibles à réaliser. La gaine du crayon risque d'être détériorée ou déformée de telle sorte que le crayon combustible doit être mis au rebut après un contrôle dimensionnel ou un contrôle de défaut du bouchon, de l'extrémité de la gaine ou de la soudure du bouchon. Dans le FR-A-1.495.693, on décrit un ressort de maintien de pastilles de matériau combustible à l'intérieur une gaine d'un crayon qui vient en appui sur un bouchon de fermeture de la gaine par l'intermédiaire d'au moins une spire du ressort pliée de manière à se trouver dans un plan parallèle à l'axe du ressort et de la gaine. La spire d'appui vient en contact avec le bouchon sans risque de glissement autour de la partie interne du bouchon. Cependant, la zone de contact est de petites dimensions et il est nécessaire de déformer le ressort par pliage, ce qui peut se faire au détriment de la tenue du ressort en service. Dans le EP-A-0.403.955, on a décrit un ressort dont une partie d'extrémité de forme conique vient s'engager sur une partie interne du bouchon de section réduite. Cette disposition, du fait de la réduction de section des spires d'extrémité du ressort et de la forme de la partie interne du bouchon, évite les risques de glissement du ressort autour du bouchon. Cependant, la mise en appui de l'extrémité du ressort sur le bouchon qui n'est pas obtenue par l'intermédiaire d'une surface plane per pendiculaire à l'axe du bouchon et de la gaine est réalisée dans des conditions qui ne sont pas optimales. En outre, les bouchons ne présentent pas une forme standard. Le but de l'invention est donc de proposer un crayon de combustible pour un réacteur nucléaire comprenant une gaine tubulaire, des pastilles de combustible de forme cylindrique empilées à l'intérieur de la gaine, un bouchon de fermeture de la gaine à chacune de ses extrémités et, intercalé entre l'extrémité interne plane de l'un des bouchons et l'extrémité de l'empilement de pastilles située en vis-à-vis de l'extrémité interne du bouchon, un ressort hélicoïdal cylindro-conique de maintien de l'empilement de pastilles à l'intérieur de la gaine, ayant un axe disposé suivant l'axe de la gaine, ce crayon de combustible évitant tout risque de glissement du ressort de maintien sur la partie d'extrémité interne du bouchon et assurant une mise en appui efficace du ressort sur l'extrémité plane du bouchon. Dans ce but, le ressort comporte une spire d'extrémité d'appui sur l'extrémité interne plane du bouchon, sensiblement perpendiculaire à l'axe du ressort et ayant un diamètre réduit inférieur au diamètre de la partie d'extrémité interne du bouchon. De manière préférentielle : - le ressort comporte une partie d'extrémité de forme tronconique dont la petite base est constituée par la spire d'extrémité d'appui du ressort sur l'extrémité interne du bouchon - le ressort comporte une partie centrale cylindrique et deux parties d'extrémité tronconiques comportant chacune une spire d'extrémité d'appui constituant la petite base de l'extrémité tronconique du ressort pour sa mise en appui sur l'extrémité de l'empilement de pastilles et sur le bouchon, respectivement - les spires des parties d'extrémité tronconiques sont jointives - la ou les spires d'extrémité comportent une surface d'appui plane réalisée par meulage. Afin de mieux faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un crayon de combustible suivant l'invention. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un crayon de combustible suivant l'invention. La figure 2 est une vue en perspective éclatée de la partie d'extrémité supérieure du crayon de combustible représenté sur la figure 1. Sur la figure 1, on voit un crayon de combustible désigné de manière générale par le repère 1 et comportant une gaine tubulaire 2, des pastilles de matériau combustible 3 introduites et empilées à l'intérieur de la gaine 2, des bouchons de fermeture 4a et 4b des extrémités de la gaine 2 et un ressort de maintien 5 de la colonne de pastilles de matière combustible 3. La gaine tubulaire 2 est constituée généralement par un tube en alliage de zirconium dont le diamètre est un peu inférieur à 10 mm et les pastilles de forme cylindrique en matière combustible (par exemple en oxyde d'uranium) sont engagées à l'intérieur de la gaine 2, pratiquement sans jeu de manière à venir en appui l'une sur l'autre par l'intermédiaire de leur face d'extrémité et à constituer un empilement suivant la plus grande partie de la longueur de la gaine 2, dans sa direction axiale 7. Après remplissage de la gaine 2 fermée par le bouchon 4b, par les pastilles de matière combustible 3, on engage le ressort 5 par une extrémité de la gaine 2 et on met en place le bouchon 4a qui réalise la compression du ressort 5 contre l'extrémité de la colonne de pastilles de combustible 3. Les bouchons 4a et 4b qui sont identiques comportent une partie externe 6 restant à l'extérieur de la gaine 2 après qu'on ait réalisé la pose du bouchon, la partie externe 6 du bouchon comportant en particulier des portées tronconiques de centrage et une gorge 6' permettant la préhension du crayon combustible, par son bouchon d'extrémité, à l'aide d'un moyen de manutention. Le bouchon 4a comporte également une partie interne 8 destinée à être engagée à l'intérieur de la gaine 2, dont le diamètre est réduit par rapport au diamètre maximal de la partie extérieure 6 du bouchon venant en appui sur l'extrémité de la gaine par l'intermédiaire d'un épaulement séparant la partie externe 6 de la partie interne 8 du bouchon. La partie interne 8 du bouchon comporte une partie cylindrique 9 dont le diamètre est égal ou très légèrement supérieur au diamètre intérieur de la gaine, qui peut assurer un engagement en force du bouchon à l'intérieur de la gaine et une partie tronconique 10 limitée vers l'intérieur de la gaine par une surface d'extrémité plane 10' perpendiculaire à l'axe 7 du bouchon et de la gaine sur laquelle le ressort 5 vient en appui. Après engagement en force du bouchon à l'intérieur de la partie d'extrémité de la gaine 2, on réalise le soudage de la gaine avec le bouchon au niveau du plan de joint entre le bouchon et la gaine. On va décrire ci-dessous le ressort 5 intercalé entre le bouchon 4a et l'extrémité de la colonne de pastilles de matière combustible 3 située en vis-à-vis de l'extrémité interne 10' du bouchon 4a. Le ressort 5a comporte une partie centrale cylindrique 11 et deux parties d'extrémité de forme tronconique 12 et 13. La partie centrale cylindrique 11 du ressort est constituée par des spires qui ont toutes un même diamètre, le diamètre extérieur des spires étant égal ou très légèrement inférieur au diamètre intérieur de la gaine 2. Lorsque le ressort est à l'état non comprimé, c'est-à-dire avant qu'il ne soit intercalé et comprimé entre le bouchon 4a et la colonne de pastilles combustibles 3, les spires successives de la partie cylindrique 11 constituent une hélice dont le pas correspond à l'espacement entre deux spires successives du ressort à l'état non contraint. Lorsque le ressort est comprimé entre le bouchon 4a et l'extrémité de la colonne de pastilles combustibles 3, le pas de l'hélice est réduit et cependant, les spires successives de la partie 11 du ressort sont toujours séparées les unes des autres par un jeu permettant d'absorber la dilatation de la colonne de pastilles de combustible 3. Les parties d'extrémité tronconiques 12 et 13 du ressort 5 sont constituées chacune par un enroulement à spires jointives dont le diamètre des spires est décroissant entre la partie cylindrique 11 du ressort et la spire d'extrémité d'appui du ressort sur la surface d'extrémité 10' du bouchon 4a ou sur l'extrémité de la colonne de pastilles de combustible 3. Les parties d'extrémité tronconiques 12 et 13 sont donc globalement rigides et ne subissent pratiquement pas de déformation lors de la compression du ressort 5 et lors de la dilatation de la colonne de pastilles de combustible dans le réacteur nucléaire en service.La spire d'extrémité d'appui 12' de la partie tronconique 12 du ressort qui vient en contact avec la surface 10' de la partie interne tronconique 10 du bouchon 4a présente un diamètre réduit par rapport au diamètre des spires de la partie cylindrique courante 11 du ressort, ce diamètre pouvant être nettement inférieur au diamètre de la surface d'extrémité 10' de la partie tronconique interne 10 du bouchon qui constitue la petite base de cette partie tronconique. Comme il est visible sur la figure 2, on réalise une surface d'appui plane 14 sur la spire d'extrémité d'appui 12' de la partie 12 du ressort 5a par meulage, de sorte que la spire 12' vienne en contact avec la surface d'extrémité d'appui plane 10' du bouchon 4a, suivant une surface de contact 15 (hachurée) dont l'aire est peu inférieure à l'aire totale de la surface d'appui plane meulée 14 de la spire 12'. On obtient ainsi un appui efficace de l'extrémité de la partie tronconique 12 du ressort 5 sur l'extrémité d'appui 10' du bouchon. On maintient également une surface de contact importante entre le ressort et le bouchon, dans le cas d'une légère excentration du ressort par rapport au bouchon.La surface d'appui plane meulée 14 constituant l'extrémité de la partie tronconique 12 du ressort est parfaitement perpendiculaire à l'axe 7 du ressort qui est exactement ou sensiblement confondu avec l'axe de la gaine 2. En outre, du fait du diamètre réduit de la spire d'appui 12', on élimine tout risque de glissement et d'engagement de l'extrémité du ressort entre la surface tronconique interne 10 du bouchon et la surface interne de la gaine 2. Le ressort 5 vient également parfaitement en appui sur l'extrémité de la colonne de pastilles de combustible 3, par l'intermédiaire d'une spire d'extrémité 13' de la partie tronconique 13 du ressort qui constitue la petite base de la partie tronconique et qui peut être meulée de manière qu'on obtienne une surface plane d'appui parfaitement perpendiculaire à l'axe 7 du ressort. Lorsqu'on engage le ressort 5 à l'intérieur de l'extrémité de la gaine dans laquelle ont été introduites les pastilles de combustible 3, la partie d'extrémité tronconique 13 constitue une partie de guidage du ressort facilitant son introduction dans la gaine. Lorsque la spire 13' est venue en appui contre l'extrémité de la colonne de pastilles combustibles 3, une partie du ressort reste saillante à l'extérieur de la gaine. Lors de la mise en place du bouchon avec compression du ressort à l'intérieur de la gaine entre la colonne de pastilles et le bouchon, le ressort vient se loger entièrement à l'intérieur de la gaine 2. La mise en place du ressort est effectuée sans risque de glissement des spires d'extrémité autour de la partie interne du bouchon.Après avoir réalisé l'engagement en force du bouchon à l'intérieur de la gaine, ce qui permet de maintenir le ressort à l'état comprimé, on réalise le soudage de l'extrémité de la gaine sur le bouchon. Le ressort 5 du crayon de combustible permet de réaliser un maintien efficace de la colonne de pastilles de combustible tout en autorisant des dilatations dans la direction axiale de la colonne de pastilles de combustibles. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut imaginer l'utilisation de ressorts présentant une forme différente de celle qui a été décrite. Par exemple, on peut utiliser des ressorts qui ne comportent qu'une partie tronconique d'extrémité destinée à venir en appui contre le bouchon, le ressort venant en appui à son autre extrémité sur la colonne de pastilles de combustible, par l'intermédiaire de la dernière spire de sa partie cylindrique. Dans le cas du mode de réalisation représenté sur la figure 1 et sur la figure 2, la partie tronconique d'extrémité 12 du ressort comporte quatre spires mais il est bien évident que cette partie d'extrémité peut comporter un nombre différent de spires, par exemple deux ou trois spires. Du fait que le ressort présente généralement deux extrémités identiques, il peut être engagé dans la gaine, indifféremment par l'une ou par l'autre de ses extrémités, ce qui facilite la conduite des opérations sur la ligne de fabrication des crayons. L'invention s'applique non seulement dans le cas d'un élément combustible pour un réacteur nucléaire à eau sous pression mais également dans le cas d'éléments combustibles pour un réacteur refroidi à l'eau d'un type quelconque. REVENDICATIONS 1.- Crayon de combustible pour un réacteur nucléaire comportant une gaine tubulaire (2), des pastilles de combustible (3) de forme cylindrique empilées à l'intérieur de la gaine (2), un bouchon de fermeture (4a, 4b) de la gaine (2) à chacune de ses extrémités et, intercalé entre une extrémité interne plane (10') de l'un des bouchons (4a, 4b) et l'extrémité de l'empilement de pastilles (3) située en vis-à-vis de l'extrémité interne (10') du bouchon (4a), un ressort hélicoïdal (5) de maintien de l'empilement de pastilles (3) à l'intérieur de la gaine (2), ayant un axe (7) disposé suivant l'axe de la gaine (2), en appui sur l'extrémité de l'empilement de pastilles (3), caractérisé par le fait que le ressort (5a) comporte une spire d'extrémité (12') d'appui sur l'extrémité interne plane (10') du bouchon (4a), sensiblement perpendiculaire à l'axe (7) du ressort (5) et ayant un diamètre réduit inférieur au diamètre de la partie d'extrémité interne (10') du bouchon (4a). 2.- Crayon suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le ressort (5) comporte une partie d'extrémité (12) de forme tronconique dont la petite base est constituée par la spire d'extrémité d'appui (12') du ressort (5) sur l'extrémité interne (10') du bouchon (4a). 3.- Crayon suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le ressort (5) comporte une partie centrale cylindrique (11) et deux parties d'extrémité tronconiques (12, 13) comportant chacune une spire d'extrémité d'appui (12', 13') constituant la petite base de la partie d'extrémité tronconique (12, 13) pour sa mise en appui sur l'extrémité (10') du bouchon (4a) et sur l'extrémité de l'empilement de pastilles (3), respectivement. 4.- Crayon suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les spires des parties d'extrémité tronconiques (12, 13) du ressort (5) sont jointives. 5.- Crayon suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la ou les spires d'extrémité comportent une surface d'appui plane (14) réalisée par meulage.