Brevet FR3044819A1 — publié le 20170609

DISPOSITIF DE RANGEMENT POUR L'ENTREPOSAGE ET/OU LE TRANSPORT D'ASSEMBLAGES DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE, COMPRENANT DES ETAGES A FONCTIONS DIFFERENCIEES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine du transport et/ou entreposage d'assemblages de combustible nucléaire, de préférence des assemblages usés au sein desquels le combustible a été irradié. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un tel dispositif, également appelé « panier » ou « râtelier » de rangement, comprend une pluralité de logements adjacents chacun apte à recevoir un assemblage de combustible nucléaire. Ce dispositif de rangement, destiné à être logé dans une cavité d'un emballage, est conçu afin de pouvoir remplir simultanément trois fonctions essentielles, qui vont être brièvement exposées ci-dessous. Il s'agit en effet tout d'abord de la fonction de transfert thermique de la chaleur dégagée par les assemblages de combustible. Généralement, il est utilisé de l'aluminium ou l'un de ses alliages, en raison de ses bonnes propriétés de conduction 20 thermique. La seconde fonction concerne l'absorption neutronique, et le souci de maintenir la sous-criticité du dispositif de rangement lorsque celui-ci est chargé avec les assemblages de combustible. Ceci est réalisé en utilisant des matériaux absorbeurs de neutrons dits matériaux neutrophages, tels que le bore. Additionnellement, la sous-criticité 25 peut également être assurée en ménageant des espaces susceptibles d'être remplis d'eau, par exemple à l'intérieur même des cloisons délimitant les logements du dispositif de rangement. 3044819 2 Enfin, la troisième fonction essentielle est relative à la résistance mécanique du dispositif. Il est noté que la résistance mécanique globale du dispositif doit être compatible avec les exigences réglementaires de sûreté pour le transport/entreposage de matières nucléaires, notamment en ce qui concerne les épreuves dites « de chute 5 libre ». De l'art antérieur, il est connu de former le panier en superposant des étages réalisés à l'aide d'ensembles structurels à encoches empilés et entrecroisés. Ces ensembles sont réalisés à l'aide d'un même matériau à base d'aluminium, comprenant une forte densité de bore afin de remplir la fonction d'absorption neutronique. 10 Cependant, ce type de matériau boré est coûteux, ce qui constitue un véritable inconvénient lorsqu'il est utilisé dans des volumes importants. C'est le cas dans ce type de conception, étant donné que pour remplir la fonction thermique, il est nécessaire de prévoir une épaisseur importante pour « transporter » le flux de chaleur. A titre indicatif, un panier conçu de la sorte peut requérir jusqu'à 3 à 5 tonnes d'alliage en 15 aluminium comprenant du bore. A cet égard, il est noté que cette conception souffre d'un paradoxe résidant dans le fait que plus la teneur en bore est élevée dans l'alliage, plus la fonction thermique est dégradée. Il est donc difficile d'aboutir à un compromis satisfaisant pour remplir correctement ces deux fonctions d'absorption thermique et de transfert thermique, surtout lorsque ce compromis doit également tenir compte des contraintes habituelles de masse globale et de coûts. En effet, l'augmentation de l'épaisseur des ensembles à encoches en matériau boré apparaît comme une solution théorique évidente pour diminuer la teneur en bore dans ces ensembles, et ainsi réduire les coûts de ces derniers. Néanmoins, cela pénalise fortement la masse globale du panier, sans pour autant diminuer sensiblement la teneur nécessaire en bore pour répondre au critère de sous- criticité. Pour abaisser la teneur en bore à des valeurs satisfaisantes d'un point de vue coûts du matériau, il faut prévoir des épaisseurs largement surdimensionnées, incompatibles avec les contraintes d'exploitation de l'emballage. 3044819 3 En outre, avec cette conception prévoyant un même alliage d'aluminium boré pour tous les ensembles à encoches empilés et entrecroisés du panier, la justification de la tenue mécanique dans le temps peut s'avérer compliquée à démontrer. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif de rangement pour le transport et/ou l'entreposage d'assemblages de combustible nucléaire, ledit dispositif comportant une pluralité de logements adjacents, chacun destiné à recevoir un assemblage 10 de combustible nucléaire, le dispositif comportant plusieurs étages empilés selon une direction d'empilement parallèle aux axes longitudinaux des logements, ces derniers étant délimités en tout ou partie par lesdits étages. Selon l'invention, le dispositif de rangement comprend des premiers étages (E1, E,_1, E,+1) d'absorption neutronique et de 15 conductivité thermique, ainsi que des seconds étages (E2, E,) de résistance mécanique agencés en alternance avec les premiers étages selon ladite direction d'empilement, chaque premier étage (E1, E,+1) comprenant au moins un premier ensemble à encoches s'étendant selon une première direction orthogonale à la direction d'empilement, ainsi qu'au moins un second ensemble à encoches s'étendant selon une 20 seconde direction orthogonale à la première direction ainsi qu'à la direction d'empilement, les premier et second ensembles étant entrecroisés et comportant chacun au moins un élément en alliage d'aluminium comprenant du bore, chaque second étage (E2, E,) comportant au moins une première structure s'étendant selon la première direction ainsi qu'au moins une seconde structure s'étendant 25 selon la seconde direction, les première et seconde structures étant empilées selon la direction d'empilement et chacune réalisée dans un ou plusieurs matériaux dépourvus d'éléments absorbeurs de neutrons, les première et seconde structures étant chacune dépourvues d'encoches sur leurs chants opposés selon la direction d'empilement, et 3044819 4 présentant chacune une section transversale de hauteur sensiblement constante tout le long de celle-ci, et pour au moins l'un des seconds étages E, de part et d'autre duquel sont agencés un premier étage E,_1 et un premier étage E,+1, la première structure du second 5 étage E, repose sur un chant du premier ensemble à encoches du premier étage E,_1 et traverse une encoche du second ensemble à encoches de ce premier étage E,_1, tandis qu'un chant du second ensemble à encoches du premier étage E,+1 repose sur la seconde structure du second étage E,, celle-ci traversant une encoche du premier ensemble à encoches de ce premier étage E,+1. 10 L'invention est remarquable en ce qu'elle prévoit des étages en alternance qui remplissent des fonctions spécifiques et différenciées, permettant en particulier de plus facilement justifier la tenue mécanique dans le temps. En effet, celle-ci est assurée par les structures des seconds étages, qui n'ont comme seule vocation que celle d'assurer la résistance mécanique du dispositif de rangement, notamment en cas de chute 15 libre latérale. Aucune fonction de protection neutronique ou de transfert thermique n'est associée à ces structures formant les seconds étages. En outre, grâce à l'absence d'encoches sur ces structures, celles-ci offrent une résistance mécanique particulièrement élevée, tout en présentant une hauteur limitée. Cette hauteur réduite des structures des seconds étages permet d'augmenter la hauteur des ensembles à encoches formant les 20 premiers étages, ce qui améliore les fonctions d'absorption neutronique et de transfert thermique. Enfin, il est noté que malgré l'absence d'encoches sur les structures des seconds étages, celles-ci sont néanmoins parfaitement intégrées dans l'empilement, en coopérant avec les encoches des ensembles formant les premiers étages adjacents. Cela 25 participe à l'obtention d'un empilement structuré, offrant une résistance mécanique accrue. L'invention prévoit également au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison. Les premier et second ensembles présentent des encoches sur chacun de leurs chants opposés selon la direction d'empilement. Grâce à cet agencement, la section 3044819 5 résiduelle entre les encoches se trouve sensiblement centrée sur la hauteur des ensembles entrecroisés. Cela permet une meilleure tenue mécanique. Néanmoins, un seul des chants opposés pourrait être pourvu d'encoches, sans sortir du cadre de l'invention. L'alternance des premières structures et des premiers ensembles à 5 encoches forment une première cloison de séparation de logements, de part et d'autre de laquelle sont au moins délimités deux logements, et l'alternance des secondes structures et des seconds ensembles à encoches forment une seconde cloison de séparation de logements, de part et d'autre de laquelle sont au moins délimités deux logements, la première et la seconde cloison de séparation étant orthogonales entre elles. 10 De plus, chaque première et seconde cloison présente de préférence une épaisseur sensiblement constante, ce qui permet l'obtention d'un contact direct entre les structures des seconds étages et les assemblages de combustible. Cela confère une meilleure transmission d'efforts transverses, en particulier en cas de chute libre latérale. Chaque premier étage présente, en dehors d'une zone d'entrecroisement 15 entre les premier et second ensembles à encoches, une première hauteur moyenne H1 selon la direction d'empilement, chaque second étage présente, en dehors d'une zone de croisement entre les première et seconde structures, une seconde hauteur moyenne H2 selon la direction d'empilement, et les première et seconde hauteurs moyennes répondent à la condition 0,1 REVENDICATIONS1. Dispositif de rangement (1) pour le transport et/ou l'entreposage d'assemblages de combustible nucléaire, ledit dispositif comportant une pluralité de logements adjacents (2), chacun destiné à recevoir un assemblage de combustible nucléaire, le dispositif comportant plusieurs étages empilés (E1, E2) selon une direction d'empilement (8) parallèle aux axes (4) longitudinaux des logements, ces derniers étant délimités en tout ou partie par lesdits étages, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers étages (E1, E,_1, E,+1) d'absorption neutronique et de conductivité thermique, ainsi que des seconds étages (E2, E,) de résistance mécanique agencés en alternance avec les premiers étages selon ladite direction d'empilement (8), chaque premier étage (E1, E,+1) comprenant au moins un premier ensemble à encoches (6a) s'étendant selon une première direction (10) orthogonale à la direction d'empilement (8), ainsi qu'au moins un second ensemble à encoches (6b) s'étendant selon une seconde direction (12) orthogonale à la première direction (10) ainsi qu'à la direction d'empilement (8), les premier et second ensembles étant entrecroisés et comportant chacun au moins un élément en alliage d'aluminium comprenant du bore, chaque second étage (E2, E,) comportant au moins une première structure (7a) s'étendant selon la première direction (10) ainsi qu'au moins une seconde structure (7b) s'étendant selon la seconde direction (12), les première et seconde structures étant empilées selon la direction d'empilement (8) et chacune réalisée dans un ou plusieurs matériaux dépourvus d'éléments absorbeurs de neutrons, les première et seconde structures étant chacune dépourvues d'encoches sur leurs chants opposés selon la direction d'empilement, et présentant chacune une section transversale de hauteur sensiblement constante tout le long de celle-ci, et en ce que pour au moins l'un des seconds étages (E,) de part et d'autre duquel sont agencés un premier étage (E,_1) et un premier étage (E,+1), la première structure (7a) du second étage (E,) repose sur un chant (6a") du premier ensemble à encoches (6a) du premier étage (E,_1) et traverse une encoche (22") du second ensemble à encoches (6b) 3044819 18 de ce premier étage (E,_1), tandis qu'un chant (6b') du second ensemble à encoches (6b) du premier étage (E+1) repose sur la seconde structure (7b) du second étage (E,,), celle-ci traversant une encoche (24') du premier ensemble à encoches (6a) de ce premier étage 5 2. Dispositif de rangement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second ensembles (6a, 6b) présentent des encoches sur chacun de leurs chants opposés selon la direction d'empilement (8). 10 3. Dispositif de rangement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'alternance des premières structures (7a) et des premiers ensembles à encoches (6a) forment une première cloison de séparation de logements (9), de part et d'autre de laquelle sont au moins délimités deux logements (2), et en ce que l'alternance des secondes structures (7b) et des seconds ensembles à encoches (6b) forment une 15 seconde cloison de séparation de logements (11), de part et d'autre de laquelle sont au moins délimités deux logements (2), la première et la seconde cloison de séparation étant orthogonales entre elles. 4. Dispositif de rangement selon la revendication 3, caractérisé en ce que 20 chaque première et seconde cloison (9, 11) présente une épaisseur (Ep) sensiblement constante. 5. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque premier étage (E1, E,_1, E,+1) présente, en dehors 25 d'une zone d'entrecroisement entre les premier et second ensembles à encoches (6a, 6b), une première hauteur moyenne (H1) selon la direction d'empilement (8), en ce que chaque second étage (E2, E,) présente, en dehors d'une zone de croisement entre les première et seconde structures (7a, 7b), une seconde hauteur moyenne (H2) selon la direction d'empilement (8), et en ce que les première et seconde hauteurs moyennes (H1, H2) 30 répondent à la condition 0,1 6. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première hauteur (H1) est supérieure à 100 mm. 7. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que la teneur en bore dans au moins certains desdits éléments en alliage d'aluminium des premier et second ensembles à encoches (6a, 6b), est supérieure à 25 mg/cm'. 8. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que chaque première et seconde structure (7a, 7b) est réalisée en acier. 9. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque second étage (E2, E,) comporte un pion de 15 jonction (20) au niveau d'une zone de croisement entre les première et seconde structures (7a, 7b) traversées au moins partiellement par ce pion de jonction. 10. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde structures (7a, 7b) sont 20 chacune de section carrée ou rectangulaire. 11. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde structures (7a, 7b) présentent chacune une section de largeur uniforme ou non uniforme. 25 12. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde structures (7a, 7b) sont chacune traversées par des orifices de passage d'eau (42) s'étendant selon la direction d'empilement (8). 30 3044819 20 13. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde structures (7a, 7b) sont chacune réalisées d'une seule pièce, ou bien par plusieurs pièces assemblées les unes aux autres. 5 14. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premier et second ensembles à encoches entrecroisés (6a, 6b) sont chacun réalisés d'une seule pièce, ou bien par plusieurs pièces (56, 58) assemblées les unes aux autres et délimitant de préférence entre elles un espace 10 vide (50). 15. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend également des parois périphériques (14) agencées à la périphérie des premiers et seconds étages empilés, lesdites parois 15 périphériques délimitant une partie de certains des logements. 16. Dispositif de rangement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est configuré de sorte qu'en configuration assemblée, des jeux selon la direction d'empilement (8) soient prévus au niveau des zones de 20 croisement / d'entrecroisement entre les éléments (6a, 6b, 7a, 7b). 17. Emballage pour l'entreposage et/ou le transport d'assemblages de combustible nucléaire, l'emballage comprenant une cavité dans laquelle est logé un dispositif de rangement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 25 18. Colis comprenant un emballage selon la revendication 17 ainsi que des assemblages de combustible agencés dans les logements du dispositif de rangement de cet emballage. 30