Brevet FR3106929A1 — publié le 20210806

- Gaine de crayon de réacteur nucléaire. - La gaine (1) d’un crayon de réacteur nucléaire, présente une forme cylindrique creuse, et elle est pourvue le long de sa face externe (4), sur au moins une partie de cette face externe (4), d’éléments saillants (5), longitudinaux et agencés selon une forme sensiblement hélicoïdale. Une telle gaine (1) permet notamment d’augmenter la qualité du transfert thermique et de réduire le risque de crise d’ébullition. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Gaine de crayon de réacteur nucléaire. La présente invention concerne une gaine de crayon de réacteur nucléaire, un crayon comprenant une telle gaine, et un assemblage de crayons. Etat de la technique On sait que le combustible d’un réacteur nucléaire à modérateur eau, aussi bien d’un réacteur à eau pressurisée REP (ou « PWR » pour « Pressurized Water Reactor » en anglais) que d’un réacteur à eau bouillante REB (ou « BWR » pour « Boiling Water Reactor » en anglais), est introduit sous forme de pastilles dans des gaines métalliques spéciales formant une première barrière de sécurité. De telles gaines (ou enveloppes) de forme cylindrique présentent, généralement, une longueur supérieure à trois mètres sur un diamètre d’environ un centimètre. De plus, dans toutes les installations actuelles, les gaines (cylindriques tubulaires) sont à faces interne et externe lisses. Ces gaines sont regroupées, mais séparées, allant de 4x4 à plus de 9x9. Trop souples (avec un centimètre de diamètre sur plus de trois mètres), elles sont structurées par des entretoises (ou grilles), formant des ensembles manipulables dénommés « assemblages ». Après chargement et obturation des gaines par soudure aux extrémités, ces assemblages sont réunis dans un faisceau vertical, dénommé cœur du réacteur, qui baigne dans l’eau modératrice. Cette même eau est chauffée par conduction et évaporation nucléée à la surface des crayons pourvus de telles gaines recevant le transfert thermique du combustible en fission. En marche stable, lorsque le combustible adhère à la paroi interne de la gaine, ce sont les caractéristiques de transfert thermique de la face externe de la gaine qui délimitent le flux thermique. En effet, ces caractéristiques de transfert thermique de la face externe de la gaine sont inférieures à celles des deux autres transferts thermiques (transfert combustible / face interne de la gaine, puis conductivité de l’épaisseur de la gaine) selon des coefficients thermiques connus. En plus de ces limites de transfert, des caléfactions générant des crises d’ébullition peuvent se produire sur la face externe verticale lisse, propice au développement allongé de microbulles, d’une telle gaine usuelle. Une gaine usuelle de crayon pour réacteur nucléaire présente donc des inconvénients. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne une gaine de crayon de réacteur nucléaire, cette gaine présentant une forme cylindrique creuse comme les gaines usuelles pour le remplissage facile du combustible. Selon l’invention, ladite gaine présente au moins les caractéristiques nouvelles suivantes : elle est pourvue le long de sa face externe, sur au moins une partie de cette face externe, d’éléments saillants longitudinaux, agencés selon une forme sensiblement hélicoïdale. Ainsi, grâce à l’accroissement de la surface de transfert thermique générée par les éléments saillants présents sur la face externe de la gaine, on augmente le transfert thermique total, par rapport à une face externe usuelle lisse de gaine. Ceci augmente le flux thermique d’extraction, et ainsi la puissance pour une même température du combustible. De plus, grâce à la forme hélicoïdale des éléments saillants, la face externe de la gaine offre peu de longueur de paroi verticale pour le développement de caléfactions, ce qui permet d’éviter des crises d’ébullition. Les caractéristiques précitées permettent ainsi d’améliorer le fonctionnement et la puissance d’un crayon (de réacteur nucléaire) pourvu d’une telle gaine. Avantageusement, les éléments saillants présentent, en section transversale, une forme triangulaire. En outre, de façon avantageuse, l’angle entre un côté d’un élément saillant et le côté en regard d’un élément saillant adjacent est supérieur ou égal à 90°. Bien que dans le cadre de la présente invention, les éléments saillants d’une même gaine puissent être au moins en partie différents les uns des autres, lesdits éléments saillants sont de préférence identiques. Leurs dimensions et le pas de la forme hélicoïdale peuvent être adaptés à une mise au point selon leur fonction REB ou REP. Pour faciliter le bouchage par soudure des extrémités de la gaine, les deux extrémités longitudinales sont rendues cylindriques lisses, la gaine étant donc dépourvue d’éléments saillants à ces deux extrémités longitudinales. En outre, pour permettre un maintien ferme de la gaine dans un assemblage tel que précisé ci-dessous, la gaine est munie d’un anneau de diamètre supérieur à celui des éléments saillants de la gaine, anneau qui est maintenu dans la grille de structure. En outre, dans le cadre de la présente invention, les éléments saillants peuvent être longitudinalement continus ou longitudinalement discontinus, le long de la gaine. La présente invention concerne également un crayon de réacteur nucléaire. Selon l'invention, ledit crayon comporte une gaine telle que celle décrite ci-dessus. La présente invention concerne, en outre, un assemblage de crayons de réacteur nucléaire, comportant une pluralité de tels crayons. Dans un mode de réalisation préféré, deux crayons adjacents de l’assemblage sont, à chaque fois, agencés de façon inversée longitudinalement. Un tel agencement facilite la circulation préférentielle du fluide, et ainsi la convection. Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue latérale partielle d’un mode de réalisation particulier d'une gaine de crayon de réacteur nucléaire. La figure 2 est une vue en coupe transversale de la gaine de la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective d’une extrémité longitudinale de la gaine. La figure 4 est une vue schématique illustrant une forme hélicoïdale autour d’un axe longitudinal. La figure 5 est une vue latérale d’un premier mode de réalisation de la gaine, et la figure 6 est une vue latérale d’un second mode de réalisation de la gaine. La figure 7 est une vue en perspective d’un assemblage de crayons, pourvus de gaines selon un mode de réalisation particulier de l’invention. Description détaillée La gaine 1, illustrant l'invention et représentée, schématiquement et partiellement, dans un mode de réalisation préféré sur la figure 1, est une gaine (ou enveloppe) d’un crayon 10 destiné à un réacteur nucléaire. De façon usuelle, cette gaine 1 présente une forme cylindrique creuse, d’axe longitudinal X-X. La gaine 1 comprend une paroi (ou cloison) 2 pourvue d’une face interne 3 lisse, de section transversale circulaire, comme représenté sur la figure 2. Dans le cadre de la présente invention, on entend par section transversale une section orthogonale à l’axe longitudinal X-X (illustré par un point O sur la figure 2). Les adjectifs « interne » et « externe » sont définis, dans la description suivante, radialement par rapport à ce point O, à savoir « interne » en s’approchant du point « O » et « externe » en s’éloignant du point « O ». La paroi 2 de la gaine 1 peut être réalisée en tout matériau usuel. La face externe 4 de la gaine 1 est destinée à venir au contact d’un fluide (liquide, vapeur) caloporteur. Selon l’invention, ladite gaine 1 est pourvue le long de sa face externe 4, sur au moins une partie de cette face externe 4, d’éléments saillants 5 qui sont longitudinaux (c’est-à-dire allongés selon l’axe X-X). Ces éléments saillants 5, tout en étant longitudinaux, ne sont pas agencés parallèlement à l’axe longitudinal X-X, mais ils sont agencés selon une forme sensiblement hélicoïdale, c’est-à-dire que chaque élément saillant 5 entoure la face externe 4 de la paroi 2 sous forme d’hélice s’étendant le long de la gaine 1, comme représenté sur les figures 1 et 3 notamment. A titre d’illustration, la forme hélicoïdale autour de l’axe longitudinal X-X est montrée par un tracé 6 sur la figure 4, dont l’orientation (vers le haut) est illustrée par une flèche E. Ainsi, grâce à l’accroissement de la surface de transfert thermique générée par les éléments saillants 5 prévus sur la face externe 4 de la gaine 1, on augmente le transfert thermique entre cette face externe 4 de la gaine 1 et le milieu (liquide, vapeur) dans lequel baigne la gaine 1, par rapport à une face externe usuelle lisse de gaine. Cette augmentation de la surface de transfert thermique augmente le flux thermique d’extraction, et ainsi la puissance pour une même température du combustible (situé à l’intérieur de la gaine 1). De plus, ces éléments saillants 5 permettent d’éviter la génération de caléfactions. En effet, grâce à la forme hélicoïdale 6 des éléments saillants 5, la face externe 4 de la gaine 1 offre peu de longueur de paroi verticale rectiligne (selon la direction Z (figure 7)) pour le développement de caléfactions, ce qui permet d’éviter des crises d’ébullition. De plus, cette forme hélicoïdale des éléments saillants 5 dévie un peu horizontalement les flux en parcours naturel vertical, favorisant un certain équilibre des courants de fluide diphasique. Par conséquent, la forme hélicoïdale 6 des éléments saillants 5 participe à l’orientation des mouvements naturels du fluide (dans lequel baigne la gaine 1) et s’oppose à la génération de caléfactions. Les caractéristiques précitées permettent ainsi d’améliorer le fonctionnement et la puissance d’un crayon 10 pourvu d’une telle gaine 1. Dans un mode de réalisation préféré, les éléments saillants 5 présentent, en section transversale, une forme sensiblement triangulaire, comme représenté sur la figure 2. Cette forme triangulaire comprend deux côtés externes C1 et C2, joints ensemble par un côté C3 (tracé schématiquement). En outre, comme représenté sur la figure 2, l’angle α entre un côté C1 d’un élément saillant 5A et le côté C2 (en regard de ce côté C1) d’un élément saillant 5B (directement adjacent à l’élément saillant 5A) est supérieur ou égal à 90°. Bien que dans, le cadre de la présente invention, les éléments saillants 5 d’une seule et même gaine 1 puissent être au moins en partie différents les uns des autres, lesdits éléments saillants 5 sont de préférence identiques. Par ailleurs, la gaine 1 est dépourvue d’éléments saillants à ces deux extrémités longitudinales 7 et 8 (figures 5 et 6). Ces extrémités longitudinales 7 et 8 sont pourvues d’une face externe cylindrique lisse, pour faciliter le bouchage par soudure desdites extrémités 7 et 8 de la gaine 1. On entend par extrémité longitudinale, une extrémité de la gaine 1 le long de l’axe longitudinal X-X, comme représenté sur la figure 3 pour l’extrémité 7. Par ailleurs, dans un premier mode de réalisation particulier, représenté sur la figure 5, les éléments saillants 5 sont longitudinalement continus, le long de toute la gaine 1, entre les deux extrémités longitudinales 7 et 8. En outre, dans un second mode de réalisation particulier, représenté sur la figure 6, les éléments saillants 5 sont longitudinalement discontinus, le long de la gaine 1, entre les deux extrémités longitudinales 7 et 8. A titre d’illustration, on a représenté sur la figue 6, un tronçon 9 dépourvue d’éléments saillants, entre deux tronçons d’éléments saillants 5. Ce tronçon 9 peut, par exemple, être prévu pour l’agencement d’une grille de maintien de crayons. Ce tronçon 9 est, de préférence, pourvu d’une face externe lisse. Pour permettre un maintien ferme de la gaine 1 dans un assemblage tel que précisé ci-dessous, la gaine 1 est munie d’un anneau (non représenté) présentant un diamètre supérieur à celui des éléments saillants de la gaine, anneau qui est maintenu dans la grille de maintien de crayons. Dans ce second mode de réalisation particulier, la gaine 1 peut comporter un ou plusieurs tronçons tels que le tronçon 9. Les éléments saillants 5 de la gaine 1 peuvent présenter différentes formes et tailles satisfaisant les caractéristiques générales précitées. En particulier, dans le cadre de la présente invention, notamment les paramètres suivants des éléments saillants 5, peuvent prendre différentes valeurs : - le nombre d’éléments saillants 5 par gaine 1. A titre d’illustration non limitative, ce nombre est, par exemple, compris entre 10 et 20 ; - la taille et la forme des éléments saillants 5. En particulier, la longueur du côté C2 (agencé sensiblement radialement) de chaque élément saillant 5 qui définit dans l’exemple de la figure 2 l’écartement radial, peut prendre différentes valeurs dans le cadre de la présente invention. A titre d’illustration non limitative, la longueur du côté C2 est, par exemple, comprise entre 1 mm et 1 cm. Une forme différente d’une forme triangulaire peut également être envisagée ; - le pas des éléments saillants 5, c’est-à-dire la longueur (selon l’axe longitudinal X-X) de la forme hélicoïdale 6 pour faire un tour autour de la gaine 1. La gaine 1, telle que décrite ci-dessus, est donc destinée à être utilisée dans un crayon 10 pour réacteur nucléaire. De façon usuelle, le crayon 10 comporte, en plus de la gaine 1, un combustible (non représenté), sous forme de pastilles, par exemple d’oxyde d’uranium ou autre. Ces pastilles sont placées, de façon usuelle, à l’intérieur de la gaine 1. Ces éléments et caractéristiques sont connus, et ne sont pas décrits davantage dans la présente description. Ce crayon 10 est destiné à un réacteur nucléaire modéré à l’eau, et notamment à un réacteur à eau pressurisée REP (ou « PWR » pour « Pressurized Water Reactor » en anglais) ou à un réacteur à eau bouillante REB (ou « BWR » pour « Boiling Water Reactor » en anglais). Sur la figure 7, on a représenté un assemblage 11 particulier de crayons 10, dont chacun est pourvu d’une gaine 1 telle que celle décrite ci-dessus. Les crayons 10 sont ainsi réunis dans un faisceau vertical, dénommé cœur du réacteur, qui baigne dans l’eau modératrice et réceptrice des flux thermiques du réacteur. Les crayons 10 sont agencés de telle sorte que les axes longitudinaux X-X des gaines 1 sont parallèles et orientés selon un axe vertical illustré par une double flèche Z sur la figure 7. A titre d’illustration, cet assemblage est de type 4X4, c’est-à-dire qu’il comporte des crayons 10 agencés en lignes et colonnes dans un plan transversal, avec quatre crayons 10 par ligne et quatre crayons 10 par colonne. Tout type d’assemblage usuel, par exemple 6X6 ou 9X9, peut bien entendu être envisagé. Dans l’exemple de la figure 7, l’assemblage 11 comprend des gaines 1 identiques. Bien entendu, en variante, l’assemblage peut comporter des gaines 1 avec notamment des éléments saillants 5 présentant des caractéristiques différentes suivant les gaines 1 de l’assemblage. Dans le mode de réalisation préféré (représenté sur la figure 7), deux crayons 10 adjacents sont, à chaque fois, agencés de façon inversée longitudinalement. En d’autres termes, chaque crayon 10 donné (de l’assemblage 11) est entouré de crayons 10 directement adjacents dont les extrémités sont inversées par rapport à celles de ce crayon 10 donné, par exemple son extrémité 8 est situé verticalement au même niveau que les extrémités 7 des crayons adjacents et inversement. Un tel agencement facilite la circulation préférentielle du fluide (verticalement vers le haut, sensiblement selon la flèche F représentée sur la figure 7), et ainsi la convection, dans le cœur du réacteur. Gaine de crayon de réacteur nucléaire, ladite gaine présentant une forme cylindrique creuse, caractérisée en ce que la gaine (1) est pourvue le long de sa face externe (4), sur au moins une partie de cette face externe (4), d’éléments saillants (5), longitudinaux et agencés selon une forme sensiblement hélicoïdale. Gaine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments saillants (5) présentent, en section transversale, une forme triangulaire. Gaine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’angle (α) entre un côté (C1) d’un élément saillant (5A) et le côté (C2) en regard d’un élément saillant (5B) adjacent est supérieur ou égal à 90°. Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments saillants (5) sont identiques. Gaine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la gaine (1) est dépourvue d’éléments saillants (5) à ses deux extrémités longitudinales (7, 8). Gaine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les éléments saillants (5) sont longitudinalement continus le long de la gaine (1). Gaine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les éléments saillants (5) sont longitudinalement discontinus le long de la gaine (1). Crayon de réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comporte une gaine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. Assemblage de crayons de réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de crayons (10) selon la revendication 8. Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que deux crayons (10) adjacents sont, à chaque fois, agencés de façon inversée longitudinalement.