Brevet FR2920585A1 — publié le 20090306

Barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un ressort de compression semblable à un vase conçu pour augmenter le volume interne de celui-ci Arrière-plan technologique de l'invention Domaine de l'invention La présente invention concerne une barre de combustible qui est insérée dans un ensemble de combustible nucléaire, dans une génératrice nucléaire, et plus particulièrement une barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un ressort de compression semblable à un vase conçu pour augmenter le volume interne de celle-ci, ce qui résout les problèmes provoqués par les gaz générés par la barre de combustible pendant le processus de fission nucléaire des pastilles de combustible empilées dans la barre de combustible. Arrière-plan de la technique apparentée Un réacteur nucléaire est un dispositif qui contrôle artificiellement la réaction en chaîne de la fission nucléaire des matériaux fissiles, ce qui permet d'obtenir une variété d'utilisations telles que la génération de chaleur, la production de radio-isotopes et de plutonium, la formation de champs de radiation ou similaire. De manière générale, un ensemble de combustible nucléaire inclut, à la base, une ossature comprenant une tuyère supérieure, une tuyère inférieure, une pluralité de grilles d'espacement, des doigts de guidage et un tube d'instrumentation, et une pluralité de barres de combustible retenues longitudinalement dans un groupe organisé par des grilles d'espacement, espacées sur la longueur de celles-ci, de telle manière qu'elles soient supportées au moyen des ressorts et des doigts disposés à l'intérieur des grilles d'espacement. Pour empêcher la formation d'éraflures sur les barres de combustible et la génération de détériorations sur les ressorts à l'intérieur des grilles d'espacement, au moment de l'assemblage de l'ensemble de combustible nucléaire, par la suite, les barres de combustible ont un casier qui est appliqué sur celles-ci et sont ensuite insérées dans l'ossature de l'ensemble d'un combustible nucléaire. Ensuite, les tuyères supérieure et inférieure sont fixées aux extrémités opposées de l'ensemble de combustible nucléaire, ce qui termine la procédure d'assemblage de l'ensemble de combustible nucléaire. Ensuite, après que le casier de l'ensemble terminé a été retiré, les distances entre les barres de combustible, la déformation de l'ensemble de combustible nucléaire, la longueur totale de celui-ci et les dimensions de celui-ci sont vérifiées, ce qui termine la procédure de fabrication de l'ensemble de combustible nucléaire. La figure 1 est une vue en coupe représentant une structure générale d'une barre de combustible. En faisant référence à la figure 1, la barre de combustible inclut, à la base, une pluralité de pastilles de combustible 3 destinées à générer de la chaleur dans un ensemble de combustible nucléaire ; un tube de gainage 1 destiné à transmettre la chaleur au réfrigérant nucléaire du réacteur et à servir de récepteur pour les pastilles de combustible 3 ; un ressort de compression du type hélicoïdal 4, conçu pour comprimer les pastilles de combustible 3 avec une charge donnée, afin d'empêcher les mouvements des pastilles de combustible 3 dans la direction longitudinale de la barre de combustible, ce qui empêche les détériorations et les cassures de pastilles de combustible 3, alors que l'ensemble de ce combustible nucléaire est transporté et manipulé ; et un bouchon d'extrémité supérieure 5 et un bouchon d'extrémité inférieure 2 conçus pour être soudés sur le tube de gainage 1 au niveau des extrémités supérieure et inférieure du tube de gainage 1, afin d'empêcher les pastilles de combustible 3 insérées dans le tube de gainage 1 de s'échapper de la barre de combustible, après l'étanchéification (dans laquelle la structure du ressort de compression du type hélicoïdal est représentée plus en détail sur la figure 2). Pendant le processus d'assemblage de la barre de combustible dans l'ensemble de combustible nucléaire, le tube de gainage 1 et le bouchon d'extrémité inférieure 2 sont tout d'abord soudés l'un sur l'autre et après que les pastilles de combustible 3 ont été insérées dans le tube de gainage 1, le ressort de compression de type hélicoïdal 4 est comprimé contre les pastilles de combustible 3 et inséré dans le tube de gainage 1 au moyen du manchon d'extrémité supérieure 5. Ensuite, le bouchon d'extrémité supérieure 5 et le tube de gainage 1 sont soudés l'un sur l'autre sous une atmosphère de gaz inerte appropriée. Comme le montre la figure 3, si le ressort de compression du type hélicoïdal 4 est comprimé au moyen du bouchon d'extrémité supérieure 5 pendant la fabrication de la barre de combustible, un gauchissement aux endroits où le ressort de compression de type hélicoïdal 4 est cintré peut se produire de manière indésirable. Malheureusement, dans le cas où le gauchissement du ressort de compression du type hélicoïdal 4 se produit, la productivité de la barre de combustible est réduite de manière notable, et également le bouchon d'extrémité supérieure 5 qui est conçu pour séparer totalement les pastilles de combustible 3 du réfrigérant de réacteur n'est pas bien soudé sur le tube de gainage 1. Les pastilles de combustible 3 sont des matériaux destinés à produire l'énergie à l'intérieur du réacteur nucléaire, et dans un réacteur nucléaire à eau légère, l'uranium enrichi obtenu en relevant un rapport d'uranium 235 à une plage entre 2 % et 5 % est généralement utilisé. L'uranium enrichi est moulé en une pastille cylindrique ayant un poids d'environ 5,2 g et un diamètre d'environ 8,05 mm, de telle sorte qu'environ 356 pastilles de combustible sont insérées dans chaque barre de combustible et qu'environ 96 000 pastilles de combustible se trouvent à l'intérieur de chaque ensemble de combustible nucléaire. Grâce à la fission nucléaire des pastilles de combustible 3, de la chaleur est générée par l'ensemble de combustible nucléaire et pendant la fission nucléaire, une grande quantité de gaz est générée par les pastilles de combustible 3. Les gaz s'accumulent à l'intérieur de la barre de combustible réalisée par soudage du tube de gainage 1 sur le bouchon d'extrémité supérieure 5 et le bouchon d'extrémité inférieure 2 pendant la combustion de l'ensemble de combustible nucléaire, de telle sorte que la pression inférieure du tube de gainage 1 de la barre de combustible augmente pour générer la contrainte dans le tube de gainage 1 de la barre de combustible, ce qui détériore l'intégrité de la barre de combustible. Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, on propose ainsi le brevet américain de l'art antérieur numéro 4 460 540 intitulé � Burnable poison rod for a nuclear reactor fuel assembly � (Crayon de poison consommable pour un ensemble de combustible pour réacteur nucléaire). L'art antérieur n'emploie pas de ressort de compression du type hélicoïdal, mais emploie un ressort de compression du type à pince, qui est représenté sur les figures 4a et 4b. La figure 4a représente le ressort de compression du type à pince 10 avant l'insertion dans le tube de gainage 12. Le ressort de compression du type à pince 10 est formé d'un tube circulaire creux et a un diamètre légèrement supérieur à celui du tube de gainage 12. De même, le ressort de compression du type à pince 10 est coupé en haut et en bas sur la périphérie latérale de celui-ci par une largeur prédéterminée, et lorsqu'on le regarde de dessus, il a une forme de 'Cl. Si l'on fait référence à la figure 4b, étant donné que le diamètre du ressort de compression du type à pince 10 est supérieur à celui du tube de gainage 12, lorsque le ressort de compression du type à pince 1.0 est inséré dans le tube de gainage 12, la contraction du ressort de compression du type à pince 10 dans la direction creuse de celui-ci se produit par la portion incisée du ressort de compression du type à pince 10 formée sur le côté opposé par rapport à un point central élastique 11 formé par les caractéristiques de forme du ressort de compression du type à pince 10, ce qui permet d'insérer le ressort de compression du type à pince 10 dans le tube de gainage 12. Après l'insertion, le ressort de compression du type à pince 10 applique une force de poussée sur la paroi périphérique interne du tube de gainage 12 grâce à la force de restauration élastique de celui-ci. Etant donné que le ressort de compression du type à pince 10 a un diamètre extérieur supérieur au diamètre intérieur du tube de gainage 12, cependant, la périphérie extérieure du ressort de compression du type à pince 10 n'est pas amenée complètement en contact avec la paroi périphérique intérieure du tube de gainage 12, selon la différence entre le diamètre extérieur du ressort de compression du type à pince 10 et le diamètre intérieur du tube de gainage 12 et les propriétés du matériau, lorsque le ressort de compression du type à pince 10 vient en contact avec la paroi périphérique intérieure du tube de gainage 12, de telle sorte que la stabilité de l'assemblage peut être diminuée de manière indésirable. Comme le montre la figure 5, le ressort de compression du type à pince 10 réalise l'utilisation de la force élastique dans la direction du creux de celui-ci, de telle sorte qu'alors que la force élastique du ressort de compression du type à pince 10 diminue vers le point central élastique 11 de celui-ci, les forces appliquées sur la paroi périphérique interne du tube de gainage 12 sont différentes les unes des autres, ce qui génère des forces irrégulières sur la paroi périphérique intérieure de la barre de combustible. Ceci provoque une contrainte excessive qui est générée partiellement sur la paroi périphérique intérieure de la barre de combustible, ce qui détériore l'intégrité de la barre de combustible. Résumé de l'invention En conséquence, la présente invention a été réalisée au vu des problèmes mentionnés ci-dessus qui se produisent selon l'art antérieur, et un objet de la présente invention consiste à fournir une barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un ressort de compression semblable à un vase conçu pour augmenter le volume interne de celle-ci, dans laquelle le ressort de compression semblable à un vase vient en contact étroit avec la surface périphérique intérieure d'un tube de gainage de la barre de combustible au moment de l'insertion dans le tube de gainage, ce qui empêche ainsi la condensation des efforts provoquée par l'application des forces de ressort irrégulière. Pour atteindre l'objectif mentionné ci-dessus, on fournit une barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un volume interne augmenté, comprenant : un tube de gainage servant un corps de barre de combustible ; une pluralité de pastilles de combustible empilées les unes sur les autres à l'intérieur du tube de gainage ; un bouchon d'extrémité supérieure et un bouchon d'extrémité inférieure couplés sur des portions supérieure et inférieure du tube de gainage, afin de supporter la pluralité de pastilles de combustible ; et un moyen élastique inséré dans le tube de gainage, de telle manière qu'il est disposé entre le bouchon d'extrémité supérieure et les pastilles de combustible, et afin de supporter élastiquement les pastilles de combustible en utilisant une force élastique donnée générée par celles-ci, dans laquelle le moyen élastique a une forme cylindrique creuse généralement semblable à un vase et a une pluralité de portions incisées formées dans la direction de la longueur autour de la surface périphérique extérieure qui bute contre la surface périphérique intérieure du tube de gainage, ce qui fournit ainsi la force élastique donnée. Selon la présente invention, par conséquent, il est fourni une barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un ressort de compression semblable à un vase conçu pour augmenter le volume interne de celui-ci, dans laquelle, lorsque le ressort de compression semblable à un vase est inséré dans un tube de gainage, il a un volume relativement plus petit à l'intérieur de la barre de combustible que le ressort de compression de type hélicoïdal existant, de telle sorte que le ressort de compression semblable à un vase peut assurer une portion d'espace suffisante pour recevoir les gaz de fission générés pendant le fonctionnement de la barre de combustible, ce qui augmente ainsi la performance de combustion de la barre de combustible et l'intégrité mécanique de celle-ci, et dans laquelle, dans l'état où le ressort de compression semblable à un vase est inséré à l'intérieur du tube de gainage, les forces appliquées sur la surface périphérique intérieure du tube de gainage se trouvent à un niveau constante quelle que soit la direction de leur application, ce qui conserve l'état de fonctionnement de la barre de combustible de manière sensiblement plus stable. Brève description des dessins Les objectifs, caractéristiques et avantages de la présente invention mentionnés ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront évidents d'après la description détaillée suivante des modes de réalisation préférés de l'invention pris conjointement avec les dessins joints, sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe représentant une structure générale d'une barre de combustible ; la figure 2 est une vue en perspective représentant un ressort de compression classique dans une barre de combustible ; la figure 3 est une vue en perspective représentant le ressort de compression classique, au moment où il est inséré dans le tube de gainage de la barre de combustible ; les figures 4a et 4b sont des vues en perspective et en plan représentant un ressort de compression de type à pince classique ; la figure 5 est une vue en plan représentant le ressort de compression du type à pince classique, au moment où il est inséré dans le tube de gainage de la barre de combustible ; la figure 6 est une vue en perspective représentant un ressort de compression semblable à un vase d'une barre de combustible selon la présente invention ; la figure 7 est une vue en coupe latérale représentant le ressort de compression semblable à un vase de la présente invention, avant l'insertion dans un tube de gainage de la barre de combustible ; la figure 8 est une vue en coupe latérale représentant le ressort de compression semblable à un vase de la présente invention, après l'insertion dans un tube de gainage de la barre de combustible ; et la figure 9 est une vue en plan représentant le ressort de compression semblable à un vase de la présente invention prise le long de la ligne A- A sur la figure 8. Description détaillée du mode de réalisation préféré Ci-après, une explication d'une barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un ressort de compression semblable à un vase conçu pour augmenter le volume interne de celui-ci selon la présente invention sera donnée en faisant référence aux dessins joints. Selon la présente invention, il est fourni une barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un volume interne augmenté, y compris : un tube de gainage servant de corps de barre de combustible ; une pluralité de pastilles de combustible empilées les unes sur les autres à l'intérieur du tube de gainage ; un bouchon d'extrémité supérieure et un bouchon d'extrémité inférieure couplés sur les portions supérieure et inférieure du tube de gainage, afin de supporter la pluralité de pastilles de combustible ; et un ressort de compression disposé entre le bouchon d'extrémité supérieure et les pastilles de combustible, afin d'empêcher le mouvement de la barre de combustible dans une direction axiale en utilisant une force élastique donnée générée à partir de celle-ci, dans laquelle le ressort de compression a une forme cylindrique creuse généralement semblable à un vase et est composé d'un matériau métallique, et a une pluralité de portions incisées formées dans la direction de la longueur autour de la surface périphérique extérieure butant contre la surface périphérique intérieure du tube de gainage (dans ce cas le ressort de compression n'est pas limité au ressort de compression du type hélicoïdal, mais inclut un moyen élastique ayant une force élastique donnée). Maintenant, une explication concernant le ressort de compression utilisé pour une barre de combustible selon la présente invention va être donnée en faisant référence aux dessins joints. Comme le montre la figure 6, le ressort de compression 50 est un cylindre creux généralement semblable à un vase, de telle sorte qu'un diamètre extérieur des deux portions d'extrémité du ressort de compression 50 est inférieur au diamètre interne (b) d'un tube de gainage 60 de la barre de combustible et le diamètre (a) des portions entières du ressort de compression 50 à l'exception des deux portions d'extrémité de celui-ci est supérieur au diamètre intérieur (b) du tube de gainage 60 de la barre de combustible (voir la figure 7). Ci-après, le ressort de compression 50 est mentionné en référence comme étant un ressort de compression semblable à un vase. La longueur du ressort de compression semblable à un vase 50 est plus courte que celle de la portion d'espace interne 62 formée à l'intérieur du tube de gainage 60, après qu'une pluralité de pastilles de combustible a été insérée dans le tube de gainage 60. Le ressort de compression semblable à un vase 50 est composé d'un métal mince et a une pluralité de portions incisées 52 formées longitudinalement autour de la périphérie extérieure de celui-ci, de telle sorte que les parties métalliques entre les portions incisées 52 exercent la force élastique comme un ressort. Les portions supérieure et inférieure de chaque portion incisée 52 sont faites plus grandes que les autres portions de celle-ci. Ceci permet que le ressort de compression semblable à un vase 50 soit comprimé de manière plus efficace au moment de l'insertion dans le tube de gainage 60, ce qui sera expliqué plus en détail. La figure 8 est une vue en coupe latérale représentant le ressort de compression semblable à un vase 50 de la présente invention après l'insertion dans le tube de gainage 60 de la barre de combustible, dans laquelle la portion d'extrémité inférieure du ressort de compression semblable à un vase 50 est insérée au-dessus des pastilles de combustible 70 et est amenée en contact avec les pastilles de combustible 70, ce qui maintient de manière rigide les pastilles de combustible 70. Avec le procédé de l'assemblage mentionné ci-dessus, le gauchissement se produisant lorsque le ressort de compression de type généralement hélicoïdal est inséré dans le tube de gainage ne se produit pas du tout. En outre, le ressort de compression semblable à un vase 50 a des propriétés élastiques, grâce à la formation des portions incisées 52 et a une portion médiane ayant un diamètre supérieur au diamètre intérieur du tube de gainage 60, ce qui lui permet de s'allonger plus dans la direction axiale de celui-ci après l'insertion dans le tube gainage 60. De plus, le ressort de compression semblable à un vase 50 a un volume occupé relativement plus petit dans une portion d'espace interne 62 du tube de gainage 60 lorsqu'on compare avec le ressort de compression de type hélicoïdal existant, la portion d'espace interne 62 étant formée par la différence entre le volume interne du tube de gainage 60 et le volume des pastilles de combustible 70, de telle sorte qu'un espace supplémentaire peut être fourni dans le tube de gainage 60 afin de recevoir les gaz générés par les pastilles de combustible 70 pendant le fonctionnement de l'ensemble de combustible nucléaire. La formation de l'espace interne supplémentaire permet une nette amélioration des performances de combustion et de l'intégrité mécanique de la barre de combustible. En outre, la figure 9 montre le ressort de compression semblable à un vase de la présente invention pris le long de la ligne A-A sur la figure 8, et en tant que tel, le ressort de compression semblable à un vase 50 qui est inséré dans le tube de gainage 60 pousse contre la surface périphérique intérieure du tube de gainage 60 avec une force constante dans toutes les directions. Il en résulte que le ressort de compression semblable à un vase 50 supporte les pastilles de combustible 70 avec une force de ressort constante, ce qui permet que les pastilles de combustible 70 soient maintenues de manière plus rigide dans le tube de gainage 60 et aussi, que la pression de ressort soit appliquée de manière constante contre la surface périphérique intérieure du tube de gainage 60, ce qui permet que la barre de combustible soit assemblée et fonctionne de manière stable. Alors que la présente invention a été décrite en faisant référence à des modes de réalisation illustratifs particuliers, elle n'est pas restreinte par les modes de réalisation, mais uniquement par les revendications jointes. Les spécialistes de la technique remarqueront qu'ils peuvent changer ou modifier les modes de réalisation sans s'éloigner de l'étendue ni de l'esprit de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Barre de combustible d'un ensemble de combustible nucléaire ayant un volume interne augmenté, la barre de combustible comprenant : un tube de gainage servant de corps de barre de combustible ; une pluralité de pastilles de combustible empilées les unes sur les autres à l'intérieur du tube de gainage ; un bouchon d'extrémité supérieure et un bouchon d'extrémité inférieure couplés sur les portions supérieure et inférieure du tube de gainage, afin de supporter la pluralité de pastilles de combustible ; et un moyen élastique inséré dans le tube de gainage, de telle manière qu'il est disposé entre le bouchon d'extrémité supérieure et les pastilles de combustible, afin de supporter élastiquement les pastilles de combustible en utilisant une force élastique donnée générée par celui-ci ; dans laquelle le moyen élastique a une forme cylindrique creuse généralement semblable à un vase et a une pluralité de portions incisées formées dans une direction longitudinale autour de la surface périphérique extérieure qui bute contre la surface périphérique intérieure du tube de gainage, en fournissant ainsi la force élastique donnée. 2. Barre de combustible selon la revendication 1, dans laquelle le moyen élastique est formé de telle sorte que le diamètre extérieur des deux portions d'extrémité de celui-ci est inférieur à un diamètre intérieur du tube de gainage, et un diamètre extérieur des portions entières de celui-ci, à l'exception des deux portions d'extrémité de celui-ci, est supérieur au diamètre intérieur du tube de gainage de façon à être inséré dans le tube de gainage dans un état où il est contracté. 3. Barre de combustible selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le moyen élastique a une longueur plus courte que celle d'une portion d'espace du tube de gainage formé après que les pastilles de combustible sont empilées à l'intérieur du tube de gainage. 4. Barre de combustible selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les portions supérieure et inférieure de chaque portion incisée du moyen élastique sont formées plus grandes que les autres portions de celle-ci.