FR2914102A1 - Assemblage de combustible nucleaire dote d'une grille d'espacement perfectionnee - Google Patents

Abstract

Assemblage combustible nucléaire perfectionné, comportant des lames (26, 28) de grille allongées, incurvées sous une forme sensiblement ondulée suivant leur longueur axiale et entrecroisées les unes avec les autres pour obtenir une configuration à claire-voie comprenant une pluralité de cellules (30) à peu près carrées qui supportent des crayons de combustible (36) et des tubes-guides. Les parois extérieures des cellules (30) qui supportent des crayons de combustible (36) sont incurvées vers l'extérieur aux fins d'augmenter la superficie de contact autour de la gaine des crayons de combustible (36). Les lames intérieures (26, 28) se situent sur une diagonale par rapport à une lame périphérique (34), et au moins une cellule (32) adjacente à chaque cellule (30) contenant un crayon de combustible (36) est vide pour permettre l'écoulement sans obstacle du caloporteur. Des dispositifs de mélange de caloporteur supplémentaires peuvent être ajoutés aux cellules (32) vides. Les parois de chaque cellule (30) à crayon de combustible (36) sont dépourvues de bossages et, dans un mode de réalisation, de ressorts.

Description

B 08-0619 FR 1 Société dite : WESTINGHOUSE ELECTRIC COMPANY LLC Assemblage

de combustible nucléaire doté d'une grille d'espacement perfectionnée Invention de : REPARAZ Adolfo MCCREARY David M. Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 19 mars 2007 sous le n 11/687.807 Assemblage combustible nucléaire doté d'une grille d'espacement perfectionnée

La présente invention concerne d'une manière générale des réacteurs nucléaires et en particulier des réacteurs nucléaires à eau sous pression comprenant un assemblage combustible avec une grille perfectionnée. Dans la plupart des réacteurs à eau sous pression (PWR), le coeur du réacteur est constitué d'un grand nombre d'assemblages combustibles allongés.

Ces assemblages comportent en général une pluralité de crayons de combustible qui sont maintenus dans un réseau organisé par une pluralité de grilles espacées axialement sur la longueur de l'assemblage combustible et fixées à une pluralité de tubes-guides de l'assemblage combustible. Les tubes-guides reçoivent en général des barres de commande ou d'instrumentation. Des embouts supérieur et inférieur sont disposés à des extrémités opposées de l'assemblage combustible et sont fixés aux extrémités des tubes-guides qui dépassent légèrement en haut et en bas par rapport aux extrémités des crayons de combustible. Comme cela est connu dans l'état de la technique, les grilles sont utilisées pour maintenir de façon précise l'espacement et le support entre les crayons de combustible dans le coeur du réacteur, assurer le support latéral des crayons de combustible et provoquer le mélange du caloporteur. Un type de conception de grille classique comprend une pluralité de lames entrecroisées qui forment ensemble une configuration à claire-voie comprenant une pluralité de cellules à peu près carrées qui reçoivent individuellement les crayons de combustible. En fonction de la configuration des tubes-guides, ces derniers peuvent être disposés soit dans des cellules ayant les mêmes dimensions que celles qui reçoivent les crayons de combustible, soit dans des cellules à tubes-guides qui sont plus grandes en comparaison et sont définies par les lames entrecroisées. Les lames entrecroisées fournissent des points de fixation aux tubes-guides et permettent ainsi de les positionner à des emplacements espacés sur la longueur de l'assemblage combustible. Les lames sont configurées de manière à ce que les cellules dans lesquelles passent les crayons de combustible comportent un ou plusieurs ressorts relativement élastiques et plusieurs bossages relativement rigides. Les ressorts et les bossages peuvent être façonnés dans le métal des lames entrecroisées, faire saillie vers l'extérieur à partir de celles-ci et s'étendre dans les cellules dans lesquelles passent les crayons de combustible. Les ressorts et bossages de chaque cellule de crayon de combustible entrent alors en contact avec le crayon correspondant qui s'étend dans la cellule. Les lames extérieures de la grille sont fixées les unes aux autres et entourent les lames intérieures de la grille sur la périphérie, aux fins de conférer de la résistance et de la rigidité à la grille et de définir des cellules individuelles de crayons de combustible sur le périmètre de la grille. Les lames intérieures sont en général soudées ou brasées à chaque intersection, et les lames intérieures sont également soudées ou brasées aux lames périphériques ou extérieures définissant le périmètre extérieur de l'assemblage. Au niveau d'une cellule individuelle, le maintien du crayon de combustible est normalement assuré par la combinaison de bossages de maintien rigides et de ressorts souples, comme mentionné plus haut. Il existe de nombreuses variantes à la géométrie de support à ressorts et bossages, qui ont été utilisées ou sont en cours d'utilisation et comportent des ressorts en diagonale, des ressorts en forme de "I", des ressorts en porte-à-faux, des bossages horizontaux et verticaux, et autres. Le nombre de bossages par cellule varie également. L'arrangement typique comporte deux ressorts et quatre bossages par cellule. La géométrie des bossages et ressorts doit être déterminée avec soin pour assurer un maintien approprié des crayons pendant toute la durée de vie de l'assemblage.

Pendant l'irradiation, la force initiale des ressorts se relâche plus ou moins rapidement en fonction du matériau des ressorts et de l'environnement d'irradiation. Le diamètre de la gaine change également en raison de la pression très élevée du caloporteur et des températures de fonctionnement, et le diamètre des pastilles de combustible, contenues dans le crayon, change également, suite à la densification et au gonflement. En outre, le diamètre extérieur de la gaine augmente en raison de la formation d'une couche d'oxyde. Ces changements de dimensions et de propriétés des matériaux ont pour résultat que le maintien d'un support approprié des crayons pendant toute la durée de vie d'un assemblage combustible représente un réel défi.

Sous l'effet du flux axial et du flux transversal, engendrés par les gradients de température et de pression dans le réacteur, et d'autres perturbations de flux, telles que des ondes stationnaires et des tourbillons, les crayons de combustible, qui sont des éléments élancés, vibrent en permanence avec des amplitudes relativement faibles. Si le crayon n'est pas maintenu de façon appropriée, cette amplitude de vibration très faible peut provoquer un mouvement relatif entre les points de support et la gaine. Si la pression qui est exercée par le crayon coulissant sur les surfaces de support relativement petites des bossages et des ressorts est suffisamment élevée, la couche de corrosion mince formée sur la surface de la gaine peut être éliminée par abrasion, exposant ainsi le métal de base au caloporteur. A mesure qu'une nouvelle couche de corrosion est formée sur la surface fraîchement exposée de la gaine, elle est également éliminée par abrasion, jusqu'à ce que, en définitive, la paroi du crayon soit perforée. Ce phénomène est connu comme "corrosion par érosion" et en 2006, il constituait la première cause des défaillances de combustible dans des réacteurs à eau sous pression. Les grilles de maintien remplissent encore une autre fonction importante dans l'assemblage, à savoir celle du mélange du caloporteur pour réduire sa température maximale. Puisque la chaleur produite par chaque crayon n'est pas uniforme, il existe des gradients thermiques dans le caloporteur. Un paramètre important lors de la conception des assemblages combustibles consiste à maintenir un transfert de chaleur efficace des crayons vers le caloporteur. Plus la quantité de chaleur extraite par unité de temps est grande, plus l'énergie produite est élevée. A des températures suffisamment élevées du caloporteur, la quantité de chaleur qui peut être extraite par unité de superficie de gainage en un temps donné diminue brusquement de manière significative. Ce phénomène est connu comme "échauffement critique" ou DNB (deviation from nucleate boiling). Si, dans les paramètres du fonctionnement du réacteur, la température du caloporteur venait à atteindre le point d'échauffement critique, la température de la surface de la gaine augmenterait rapidement afin d'évacuer la chaleur générée à l'intérieur du crayon, et l'oxydation rapide de la gaine entraînerait la défaillance de cette dernière. De toute évidence, l'échauffement critique doit être évité pour empêcher des défaillances de combustible. Puisque l'échauffement critique, lorsqu'il survient, se produit au point où le caloporteur est à sa température maximale, il s'ensuit que la réduction de la température maximale du caloporteur par mélange du caloporteur dans l'assemblage permet de produire de plus grandes quantités d'énergie, sans atteindre des conditions d'échauffement critique. Normalement, le mélange est amélioré en utilisant des ailettes mélangeuses sur le côté du flux descendant de la structure de grille. L'efficacité du mélange dépend de la forme, de la taille et de l'emplacement des ailettes mélangeuses par rapport au crayon de combustible. D'autres fonctions importantes de la grille englobent la capacité à supporter les manipulations et à maintenir le fonctionnement normal sous des charges accidentelles prévisibles, sans perdre sa fonction, et à éviter les "points chauds" sur les crayons de combustible, qui sont dus à la formation de poches de vapeur entre les crayons et les points de support, ce qui peut conduire à l'évacuation de la chaleur produite dans le crayon, si la quantité de caloporteur localement disponible n'est pas suffisante. Les poches de vapeur provoquent la surchauffe du crayon de combustible, jusqu'au point de défaillance, en raison d'une corrosion localisée rapide de la gaine. Le maintien d'un flux de caloporteur sensiblement équilibré dans les assemblages combustibles à travers le coeur constitue un objectif souhaitable pour conserver un transfert de chaleur sensiblement uniforme. Tout changement dans la conception des assemblages combustibles peut modifier la perte de charge et l'équilibre relatif dans la résistance hydraulique à travers le coeur parmi les différents types d'assemblages combustibles. Des modifications de la conception de la grille qui réduisent la perte de charge sont souhaitables, étant donné que de telles modifications permettent à un concepteur d'assemblages combustibles d'apporter d'autres améliorations qui rétabliront l'équilibre de perte de charge parmi les assemblages combustibles. Par conséquent, il est souhaitable de proposer une grille perfectionnée qui présente un meilleur transfert de la chaleur, un maintien plus efficace des crayons de combustible et une perte de charge moindre. Un autre objet de l'invention consiste à proposer une telle grille perfectionnée, dont la fabrication soit moins coûteuse que pour les conceptions classiques. Les objectifs cités ci-dessus sont atteints par une grille d'assemblage combustible nucléaire perfectionnée, comprenant une première pluralité de lames allongées, parallèles et espacées, où chaque lame est incurvée sous une forme sensiblement ondulée (définie plus loin) suivant sa longueur axiale. Une deuxième pluralité de lames allongées, parallèles et espacées, sont incurvées de manière similaire, sous une forme sensiblement ondulée suivant leur longueur axiale. Les première et deuxième pluralités de lames allongées, parallèles et espacées, sont disposées de façon orthogonale l'une par rapport à l'autre et sont alignées selon un motif régulier, de sorte que l'intersection de chaque ensemble de quatre lames adjacentes définit une cellule, certaines cellules supportant des crayons de combustible. De préférence, les lames sont entrecroisées à leurs intersections pour obtenir une configuration à claire-voie. Une lame de bordure entoure le périmètre extérieur des première et deuxième pluralités de lames allongées, parallèles et espacées, et est fixée aux lames intérieures au niveau des intersections. De préférence, les lames intérieures sont alignées de manière à ce que toutes les ondulations qui délimitent chaque cellule soient incurvées soit en direction du centre de la cellule, soit dans la direction opposée au centre de la cellule. De préférence, plusieurs des cellules comportant des ondulations de bord qui sont incurvées dans la direction opposée au centre de la cellule supportent des crayons de combustible. Le bas ou le haut d'au moins quelques-unes des lames qui délimitent des cellules supportant des crayons de combustible est évasé pour favoriser le mélange du caloporteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, les lames qui délimitent les cellules supportant les crayons de combustible ne comportent pas de bossages bombés, ni de ressorts. Selon un mode de réalisation préféré, les cellules adjacentes à chaque cellule supportant un crayon de combustible sont vides et permettent au caloporteur de s'écouler sans obstacle.

De préférence, les lames se situent sur une diagonale par rapport à la lame de bord, et au moins quelques-unes des lames des première et deuxième pluralités de lames allongées, parallèles et espacées, présentent des longueurs différentes. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les bossages durs utilisés dans l'art antérieur pour maintenir les crayons sont éliminés, et huit ressorts en porte-à-faux, de forme appropriée, sont prévus sur chaque cellule. Chaque ressort forme une ligne de contact relativement large avec un crayon de combustible, afin de produire une force adéquate avec un support de crayon à faible pression de contact, pendant toute la durée de vie. Cette faible pression de contact ne suffit pas à provoquer une élimination généralisée de la couche d'oxyde par abrasion, même suite à des variations des dimensions ou de petits mouvements relatifs entre le crayon et les points de support.

Il est souhaitable que deux ressorts en porte-à-faux soient prévus sur chaque côté de chaque cellule à crayon de combustible. La forme de chaque ressort en porte-à-faux est telle que lorsqu'une pression uniforme est appliquée, qui correspond à la pression de contact avec le crayon de combustible, la surface de ressort est en contact théorique avec le crayon, le long d'une ligne verticale qui est parallèle à l'axe du crayon de combustible. Cela exige que le ressort non dévié soit légèrement incurvé suivant sa longueur. A l'état comprimé, la zone de ressort où se produit le contact avec le crayon est incurvée autour d'une ligne de courbure verticale, sur toute la longueur du ressort et dans la direction opposée à la surface du crayon, de sorte que le crayon est en contact avec deux surfaces sensiblement convexes par côté, définissant ainsi deux lignes de contact étroites. En outre, le bord avant des ressorts est incurvé autour d'une ligne de courbure horizontale qui forme avec la ligne de courbure verticale une surface courbe tridimensionnelle, quasiment sphérique. Pour contrôler la rigidité du ressort, des empreintes horizontales allongées et peu profondes peuvent être façonnées dans les lames, en s'étendant sur une partie de la longueur des ressorts, pour renforcer la rigidité des ressorts, ou bien des fentes verticales peuvent être réalisées lorsqu'il faut réduire la rigidité des ressorts. Selon un autre mode de réalisation, il est possible d'utiliser des ailettes mélangeuses classiques à proximité de chaque crayon de combustible. Ces ailettes mélangeuses, qui sont disposées à l'intersection des lames, comportent de préférence un petit trou pour permettre de souder l'intersection des lames.

Selon un autre mode de réalisation, et en supplément ou en remplacement des ailettes mélangeuses classiques à au moins quelques-unes des intersections de lames entourant chaque crayon, la configuration des lames de la présente invention permet d'installer des dispositifs mélangeurs supplémentaires, tels que des inserts en forme de rubans torsadés, dans les cellules ouvertes situées entre les cellules contenant des crayons de combustible. Ces rubans sont soudés in situ, dans les cellules de grille situées entre les crayons. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée du mode de réalisation préféré non limitatif, illustré par les dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue de dessus en plan d'une grille d'assemblage combustible classique de réacteur à eau sous pression ; la figure 2 est une vue de dessus en plan d'une zone d'angle de la grille à combustible perfectionnée de la présente invention ; la figure 3 est une élévation, partiellement en coupe, d'un assemblage combustible qui utilise la grille à crayons de combustible de la présente invention, l'assemblage étant illustré sous une forme raccourcie dans le sens vertical, et certaines parties ayant été supprimées pour plus de clarté ; la figure 4 est une vue de dessus d'une seule cellule pour crayon de combustible selon la présente invention, deux ressorts en porte-à-faux sur chaque côté étant dessinés en tirets, à leur état non dévié ; la figure 5 est une vue de dessus d'une paroi de lame de cellule et montre les ressorts en porte-à-faux à leur état non comprimé ; la figure 6 est une élévation de la paroi de cellule de la figure 5 et montre une vue de côté des ressorts en porte-à-faux ; la figure 7 est une vue de côté d'un ressort en porte-à-faux et montre le bord arrondi de l'extrémité libre du ressort ; la figure 8 est une vue en plan d'une seule cellule pour crayon de combustible et montre les ressorts en porte-à-faux à leur état comprimé, des ailettes mélangeuses classiques étant disposées à chaque intersection de lames et comportant de petits trous pour permettre l'accès en vue de souder les intersections ; la figure 9 est une vue en plan d'une ailette en forme de ruban non torsadée ; la figure 10 est une vue en perspective d'une ailette en forme de ruban, présentant une torsion de 90 ; et la figure 11 est une vue en plan d'une zone d'angle d'une grille conçue conformément à la présente invention, les ailettes en forme de rubans étant mises en place dans les cellules intérieures, situées entre les crayons de combustible. Des grilles d'espacement de combustible nucléaire sont utilisées dans des assemblages combustibles pour positionner des crayons de combustible nucléaire. Le positionnement précis des crayons est critique pour garantir le fonctionnement nucléaire et thermo-hydraulique correct du coeur nucléaire d'un réacteur. Une grille d'espacement idéale de combustible nucléaire devrait 1. être simple et d'une fabrication peu coûteuse ; 2. permettre la reconstitution des crayons de combustible et le chargement facile des crayons de combustible ; 3. maintenir la géométrie de l'assemblage combustible pendant la durée de vie de celui-ci ; 4. avoir une conception à faible perte de charge, tout en favorisant le mélange du caloporteur et le transfert de chaleur ; et 5. être un faible absorbeur de neutrons. De nombreuses grilles d'espacement critiques se composent de lames de grille rectilignes qui s'entrecroisent pour donner une configuration à claire-voie, comportant plusieurs cellules à peu près carrées, dont un grand nombre maintient les crayons de combustible. Un exemple d'une telle grille 10 classique à combustible est montré dans la figure 1. Un agencement parallèle espacé de lames de grille 12 de même longueur est disposé de façon orthogonale par rapport à une deuxième pluralité de lames de grille 14 parallèles et espacées, de même longueur, l'ensemble étant entouré d'une lame de bord 18 et toutes les lames étant soudées à leurs intersections. Les cellules 16 maintiennent les crayons de combustible, tandis que les cellules 20 supportent des tubes-guides et un tube d'instrumentation. Etant donné que les crayons de combustible doivent conserver un espacement ou un pas entre eux, les lames de grille 12 et 14 rectilignes, aux endroits qui délimitent les cellules 16 supportant les crayons de combustible, présentent des ressorts 22 et/ou des bossages 24 qui sont réalisés par estampage dans les côtés des lames 12 et 14 pour faire saillie dans les cellules 16, en vue d'entrer en contact avec les crayons de combustible et de les maintenir fermement en place. Les éléments estampés sur les lames de grille 12 et 14, c'est-à-dire les ressorts 22 et les bossages 24, nécessitent des outils de fabrication coûteux et exigent des tolérances serrées. En outre, les lames 12 et 14 destinées à une grille particulière doivent être assemblées avec soin, en veillant à l'orientation des ressorts, des bossages et/ou des ailettes mélangeuses. Par conséquent, il est souhaitable d'éliminer les ressorts et bossages ou de modifier leur agencement pour simplifier le processus de construction. Cependant, une autre méthode pour disposer les crayons de combustible de façon précise dans une grille constituée de lames rectilignes à configuration à claire-voie n'a pas été trouvée jusqu'à présent.

La structure de grille d'espacement de combustible nucléaire de la présente invention comporte un cadre de grille constitué de préférence de lames 26, 28 ayant une forme sensiblement ondulée qui, selon un mode de réalisation, ne présentent pas de ressorts ou de bossages estampés, comme le montre la figure 2. L'expression "lames ayant une forme sensiblement ondulée" ne sous-entend pas que les lames sont obligatoirement ondulées en continu dans des directions opposées, mais qu'au moins une partie de chaque lame, à mi-chemin entre des intersections de lames adjacentes, est incurvée comme illustré dans les figures 2 et 11. De préférence, les lames qui délimitent des cellules à crayons de combustible ont un rayon de courbure qui est égal ou supérieur au rayon des crayons de combustible. La pluralité de lames 26 sont espacées les unes des autres et disposées de façon orthogonale aux lames 28 pour former les cellules 30 individuelles. Chaque cellule 30 à combustible est adjacente à une cellule 32 ouverte qui assure un écoulement sans obstacle au caloporteur. Les lames 26 et 28 sont disposées avec un pas en diagonale, c'est- à-dire avec une orientation en diagonale par rapport à une lame de bord 34 extérieure. Les lames 26 et 28 ondulées ont des longueurs différentes et sont de préférence emboîtées les unes dans les autres, comme dans des structures de grilles entrecroisées classiques, avec des soudures sur le dessus et sur le dessous des intersections de lames de la grille. Puisque l'intersection des lames de cette structure se situe dans les interstices entre crayons, c'est-à-dire dans l'espace entre les crayons de combustible 36, et non pas dans le sous-canal, c'est-à-dire la zone entre les crayons qui est définie par les bossages et les ressorts, la structure de la présente invention fait augmenter considérablement la superficie de sous-canal de combustible, comparé aux structures de l'art antérieur. De préférence, les lames 26 et 28 sont alignées de manière à ce que toutes les ondulations qui délimitent chaque cellule soient incurvées soit en direction du centre de la cellule, soit dans la direction opposée au centre de la cellule. Les crayons de combustible 36 sont supportés dans les cellules dont les parois latérales sont incurvées dans la direction opposée au centre de la cellule. Le rayon de courbure des parois des cellules à crayons de combustible est égal ou supérieur au rayon de courbure de la gaine des crayons. Les lames 26 et 28 assurent une superficie de contact beaucoup plus grande avec la gaine des crayons de combustible que les bossages et ressorts et nécessitent ainsi une force beaucoup plus faible par unité de superficie de contact que les bossages et ressorts. L'augmentation de cette superficie de contact permet de réduire la largeur des lames 26, 28 et 34, ce qui fait diminuer la perte de capture de neutrons attribuable aux grilles 10. La pression de contact plus faible qui est exercée par les lames 26 et 28 sur les crayons de combustible 36 réduit également la probabilité d'érosion ou de piqûres de la gaine suite à l'insertion des crayons dans l'assemblage combustible ou à leur retrait. Les lames 26 et 28 de grille peuvent être formées avec des extrémités évasées pour créer un effet de "tourbillonnement de caloporteur" dans les sous-canaux de l'assemblage combustible, de manière similaire à celui créé par les ailettes classiques, sans qu'il soit nécessaire de décaler les ailettes mélangeuses au-dessus de la grille. La figure 3 montre une élévation d'un assemblage combustible qui est représenté sous une forme raccourcie dans le sens vertical et est globalement désigné par la référence 40. L'assemblage 40 est du type utilisé dans un réacteur à eau sous pression et comprend fondamentalement une structure d'extrémité inférieure ou embout inférieur 42, destiné à supporter l'assemblage sur une plaque de coeur inférieure (non représentée) dans la région du coeur du réacteur, et un certain nombre de tubes-guides ou chaussettes 44 qui s'étendent dans la direction longitudinale et vers le haut depuis l'embout inférieur 42.

L'assemblage combustible 40 comprend en outre une pluralité de grilles 10 transversales qui sont conçues conformément à la présente invention et sont montrées en détail dans la figure 2. Ces grilles 10 sont espacées axialement le long des tubes-guides 44 et sont supportées par ceux-ci. L'assemblage 40 comprend également plusieurs crayons de combustible 36 allongés qui sont espacés dans la direction transversale et supportés dans un réseau organisé par les grilles 10. D'autre part, l'assemblage 40 comporte un tube d'instrumentation 46, disposé en son centre, et une structure d'extrémité supérieure ou embout supérieur 48 qui est fixé aux extrémités supérieures des tubes-guides 44. Avec cet agencement des différents éléments, l'assemblage combustible 40 forme une unité monobloc qui peut être manipulée aisément, sans endommager l'assemblage d'éléments. Comme mentionné plus haut, les crayons de combustible 36 et leur agencement dans l'assemblage 40 sont maintenus dans une relation espacée les uns par rapport aux autres par les grilles 10 qui sont à leur tour espacées sur la longueur de l'assemblage combustible. Chaque crayon 36 contient des pastilles 50 de combustible nucléaire, et les extrémités opposées des crayons sont entourées par des bouchons supérieurs et inférieurs 52 et 54 pour fermer le crayon de façon hermétique. Généralement, un ressort de compression 56 est disposé entre le bouchon d'extrémité supérieur 52 et les pastilles 50 pour maintenir ces dernières dans une relation tassée et serrée dans le crayon 36. Les pastilles 50 de combustible, composées d'une matière fissile, sont responsables de la création de la puissance réactive du réacteur à eau sous pression. Un modérateur/caloporteur liquide, par exemple de l'eau ou de l'eau contenant du bore, est pompé vers le haut à travers les assemblages combustibles du coeur, aux fins d'extraire la chaleur générée dans ceux-ci pour produire de l'énergie. Pour contrôler le processus de fission, un certain nombre de barres de commande 58 peuvent être déplacées suivant un mouvement de va-et-vient dans les tubes-guides 44 situés à des emplacements prédéterminés dans l'assemblage combustible 40. Plus précisément, est associé à l'embout supérieur 48, un mécanisme 60 de commande d'ensembles de barres qui est doté d'un élément cylindrique 62 taraudé, comportant plusieurs pattes ou bras 64, lesquels s'étendent dans la direction radiale de manière à ce que le mécanisme de commande 60 puisse agir pour déplacer les barres de commande 58 verticalement dans les tubes-guides 44, afin de contrôler ainsi le processus de fission dans l'assemblage combustible 40, d'une manière qui est bien connue.

Ainsi, la grille perfectionnée de la présente invention, lorsqu'elle est intégrée dans un assemblage combustible 40, offre un certain nombre d'avantages. La géométrie symétrique pour chaque cellule réduit le temps de montage, nécessite le même nombre de soudures par grille que des structures classiques et assure une rigidité, une charge et une déviation symétriques. Par ailleurs, en supprimant l'obligation d'estamper des dispositions différentes de ressorts et/ou de bossages sur des parois de cellule adjacentes, on réduit le temps et les coûts de fabrication des lames de grilles ainsi que les déchets de lames de grille. Puisqu'il n'y a pas d'arêtes vives dues à des ressorts ou des bossages, le crayon de combustible peut être entraîné hélicoïdalement pour le chargement dans l'assemblage combustible ou le déchargement, ce qui entraîne moins d'éraflures de sa surface. Comparée à une grille d'espacement classique,la surface de projection de la grille perfectionnée de l'invention présente une perte de charge qui est inférieure ou égale à celle des grilles d'espacement classiques. De plus, la grande superficie de contact du crayon de combustible avec les lames de grille, sur les quatre côtés, fait augmenter la marge d'érosion du crayon de combustible; la précontrainte étant plus faible que dans des grilles classiques, la superficie de contact augmentée n'a pas de conséquences significatives pour le chargement de crayons de combustible. Cette superficie de contact augmentée permet de réduire la hauteur des grilles, réduisant ainsi le volume du matériau de grille dans le coeur actif et, de ce fait, l'absorption de neutrons dans le coeur. En outre, la section d'écoulement des sous-canaux qui est plus grande que dans des grilles classiques offre de l'espace pour des inserts futurs dans les sous-canaux, en vue d'améliorer le mélange du caloporteur, le transfert de chaleur et le fonctionnement en cas d'échauffement critique (DNB). Un autre mode de réalisation, qui est différent de celui montré dans la figure 2 et qui réduit la pression de ressort par unité de superficie de contact de la gaine du crayon de combustible mais améliore le contact du caloporteur avec la gaine, est représenté sur la figure 4. Le mode de réalisation de la présente invention qui est montré sur la figure 4 utilise la configuration à pas en diagonale et à lames ondulées qui est illustrée dans la figure 2, sans les bossages durs pour supporter les crayons de combustible qui étaient employés dans l'art antérieur, mais avec huit ressorts 66 de forme appropriée et en porte- à-faux, qui sont prévus sur chaque cellule 16 de crayon. Chaque ressort en porte-à-faux, qui sont au nombre de deux sur chaque paroi de cellule, établit une ligne de contact large avec le crayon 36 pour exercer une force totale élevée sur celui-ci, mais applique une faible pression de contact par unité de surface, ce qui donne des supports de crayon élastiques pendant toute la durée de vie de l'assemblage combustible. La faible pression de contact ne suffit pas à provoquer une élimination généralisée de la couche d'oxyde par abrasion, même suite à des variations des dimensions ou de petits mouvements relatifs entre le crayon 36 et les points de support sur les ressorts 66. La structure symétrique et identique des ressorts 66 sur chaque paroi des cellules 16 simplifie la fabrication. Des vues en plan, de côté et en élévation d'un côté d'une cellule 16 de support de crayon de combustible sont montrées respectivement sur les figures 5, 6 et 7 et illustrent mieux les deux ressorts 66 en porte-à-faux sur chaque côté, à leur état non dévié. La forme des ressorts 66 est telle que lorsqu'une pression uniforme est appliquée, qui correspond à la pression de contact avec le crayon, la surface de ressort est en contact théorique avec le crayon, le long d'une ligne verticale parallèle à l'axe du crayon 36. Cela exige que le ressort non dévié soit légèrement incurvé sur sa longueur, comme le montre le mieux la figure 7. Les grilles classiques exercent en général une force sur la surface de la gaine du crayon, qui est comprise entre 0,91 et 8,62 kg (2 û 19 lbs). Etant donné que la zone de contact des ressorts dans ce mode de réalisation est grande par rapport à des ressorts classiques, la force qui sera exercée par les ressorts de la présente invention se situera en bas de cette plage. La zone de ressort, lorsque le contact avec le crayon 36 est établi, est incurvée autour d'une ligne de courbure verticale, sur toute la longueur du ressort et dans la direction opposée à la surface du crayon 36, de sorte que le crayon est en contact avec deux surfaces sensiblement convexes par côté, définissant ainsi deux lignes de contact étroites. Le ressort est représenté à son état comprimé par des lignes continues dans la figure 4, le contour non comprimé étant indiqué par des tirets. Le bord avant du ressort 66 est en outre incurvé autour d'une ligne de courbure horizontale qui forme avec la ligne de courbure verticale une surface courbe tridimensionnelle, quasiment sphérique, que l'on voit le mieux dans l'élévation représentée dans la figure 6 et dans la vue de côté de la figure 7. La courbure du bord avant est destinée à réduire à un minimum les éraflures de crayon pendant le chargement. Pour contrôler la rigidité des ressorts 66, des empreintes 70 peu profondes, en forme de baignoire, sont réalisées sur une certaine longueur de chaque ressort sur les lames 26 et 28. Le nombre et les dimensions de ces empreintes 70 permettent de faire varier la rigidité globale des ressorts 66, afin d'obtenir un maintien optimal, et des fentes verticales peuvent être prévues, si cela est nécessaire à la rigidité. Selon un autre mode de réalisation, des ailettes mélangeuses 72 classiques peuvent être utilisées autour de chaque cellule 16 à crayon de combustible, comme le montre la figure 8. Chaque ailette mélangeuse peut présenter un petit trou 74 pour permettre l'accès en vue du soudage de l'intersection des lames 26 et 28, si l'ailette 72 se situe directement au-dessus de l'intersection. En plus ou à la place des ailettes mélangeuses 72 classiques, la configuration de lames à pas en diagonale de la présente invention permet d'insérer des dispositifs mélangeurs supplémentaires, tels que des inserts 76 en forme de rubans torsadés montrés dans la figure 10, dans les cellules ouvertes entre les crayons 36, comme représenté dans la figure 11. Ces inserts 76 en forme de rubans torsadés sont réalisés à partir de plaques planes, telles que la plaque 78 montrée dans la figure 9, avec des pattes de soudage 80 transversales, situées sur chaque côté à une extrémité. Ensuite, la plaque est soumise à une torsion sous un angle approprié, par exemple 90 , suivant son axe longitudinal. La plaque 78 reçoit des dimensions spécifiques avant la torsion, de sorte que les dimensions obtenues après la torsion sont compatibles avec la dimension interne d'une cellule de grille. Les rubans sont soudés in situ dans les cellules de grille libres, aux emplacements des pattes de soudage 80. Le ruban torsadé imprime un mouvement rotationnel au caloporteur, envoyant de l'eau plus froide vers la surface des crayons 36. Pour éviter un couple de torsion net sur la grille, le nombre de rubans tournant dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens opposé dans un assemblage devrait être le même et, de préférence, le même dans chaque quart. En plus d'améliorer le mélange, les inserts font aussi augmenter localement la résistance hydraulique et tendent à diriger l'écoulement vers des sous-canaux adjacents. Les inserts en ruban 76 pourraient être situés à proximité des crayons limites, c'est-à-dire des crayons 36 les plus chauds, pour améliorer localement le mélange du caloporteur et diriger un flux supplémentaire vers les crayons limites 36, améliorant ainsi davantage le fonctionnement en échauffement critique. La décision concernant les emplacements d'utilisation des inserts 76 en forme de rubans torsadés peut être prise sans contraintes d'outillage matériel, ce qui donne la possibilité d'optimiser les conceptions sans rééquiper entièrement l'outillage pour fabriquer une nouvelle grille. Par conséquent, il n'est pas essentiel de disposer des inserts en forme de rubans torsadés dans chacune des cellules vides entre les crayons.

Bien que des modes de réalisation spécifiques de l'invention aient été décrits en détail, l'homme du métier comprendra que diverses modifications et variantes peuvent être apportées à ces détails, à la lumière de l'ensemble des enseignements de la description. Par exemple, bien que le mode de réalisation préféré concerne une grille perfectionnée pour un assemblage combustible d'un réacteur à eau sous pression, les principes de la présente invention pourraient également être appliqués à un réacteur à eau bouillante. Par conséquent, les modes de réalisation particuliers divulgués le sont uniquement à titre d'exemple et ne limitent pas la portée de l'invention.

Claims (41)

REVENDICATIONS

1. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire, caractérisée en ce qu'elle comprend une première pluralité de lames (26) allongées, parallèles et espacées, incurvées sous une forme ondulée suivant la longueur axiale de la première pluralité de lames allongées; une deuxième pluralité de lames (28) allongées, parallèles et espacées, incurvées sous une forme ondulée suivant la longueur axiale de la deuxième pluralité de lames allongées, ladite deuxième pluralité de lames allongées, parallèles et espacées, étant disposée de façon orthogonale à ladite première pluralité de lames allongées, parallèles et espacées, et étant alignée selon un motif régulier, de sorte que l'intersection de chaque ensemble de quatre lames définit une cellule (30, 32), certaines cellules (30) supportant des crayons de combustible (36); et une lame de bordure (34) entourant les première et deuxième pluralités de lames allongées, parallèles et espacées, dans laquelle les première et deuxième pluralités de lames allongées, parallèles et espacées, se situent sur une diagonale par rapport à la lame de bordure.

2. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle les première et deuxième pluralités de lames allongées sont alignées de manière à ce que toutes les ondulations qui délimitent chaque cellule (30, 32) soient incurvées soit en direction du centre de la cellule, soit dans la direction opposée au centre de la cellule.

3. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 2, dans laquelle plusieurs des cellules (30) comportant des ondulations de bord qui sont incurvées dans la direction opposée au centre de la cellule (30) supportent des crayons de combustible (36).

4. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 3, dans laquelle le rayon de courbure des ondulations est supérieur au rayon de courbure des crayons de combustible (36).

5. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle le bas ou le haut d'au moins une des lames qui délimitent une cellule (30) supportant au moins un des crayons de combustible (36) est évasé pour favoriser le mélange du caloporteur.

6. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle une partie de toutes les lames (26, 28) allongées qui délimitent au moins une des cellules (30) supportant le crayon de combustible (36) ne comportent pas de bossages bombés (24), ni de ressorts (22).

7. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 6, dans laquelle la partie de toutes les lames (26, 28) allongées qui délimitent toutes les cellules (30) supportant les éléments de combustible (36) ne comportent pas de bossages profilés (24), ni de ressorts (22).

8. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle une cellule (32) adjacente à chaque cellule (30) supportant un crayon de combustible (36) est vide et permet au caloporteur de s'écouler sans obstacle.

9. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle les cellules (30) supportant les crayons de combustible (36) comportent sur chaque paroi un ressort (66) qui s'étend dans la cellule (30).

10. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 9, dans laquelle les ressorts (66) sont en porte-à-faux sur les parois de cellule et s'étendent dans la cellule (30).

11. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 10, dans laquelle les ressorts (66) s'étendent le long de la dimension allongée, respectivement de la première et de la deuxième pluralité de lames (26, 28).

12. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 11, dans laquelle les cellules (30) qui supportent des crayons de combustible (36) présentent deux ressorts (66) juxtaposés en porte-à-faux sur chaque paroi.

13. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 12, dans laquelle la forme de chaque ressort (66) est telle que lorsqu'une pression uniforme est appliquée, qui correspond à une pression de contact avec le crayon de combustible (36), la surface de ressort est en contact avec le crayon (36), le long d'une ligne verticale parallèle à l'axe du crayon de combustible (36).

14. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 13, dans laquelle la forme non déviée de chaque ressort (66) faisant face à l'intérieur de la cellule est incurvée.

15. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 13, dans laquelle la zone de ressort (66) où se produit le contact avec le crayon de combustible (36) est incurvée autour d'une ligne de courbure verticale, sur toute la longueur du ressort (66) et dans la direction opposée à la surface du crayon (36), de sorte que le crayon est en contact avec deux surfaces sensiblement convexes par paroi latérale de la cellule, définissant ainsi deux lignes de contact étroites.

16. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 15, dans laquelle le bord avant de chaque ressort (66) est incurvé autour d'une ligne de courbure horizontale qui forme avec la ligne de courbure verticale une surface courbe tridimensionnelle, quasiment sphérique.

17. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 12, dans laquelle les ressorts (66) juxtaposés sur chaque paroi des cellules (30) qui supportent des crayons de combustible (36) ont la même forme et sont positionnés de la même manière que les ressorts sur les autres parois de la cellule.

18. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 10, dans laquelle les ressorts (66) comportent des rainures (70) peu profondes qui renforcent leur rigidité.

19. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle une cellule (32) adjacente à chaque cellule (30) supportant des crayons de combustible (36) est dépourvue de crayons, et dans laquelle au moins certaines des cellules dépourvues de crayons supportent un déflecteur d'écoulement (76) à l'intérieur.

20. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 19, dans laquelle le déflecteur d'écoulement (76) est une ailette en forme de ruban (78).

21. Grille (10) d'assemblage combustible nucléaire selon la revendication 20, dans laquelle l'ailette en forme de ruban (78) a un axe quiest parallèle à l'axe du crayon de combustible (36) et présente une torsion de 90 degrés.

22. Assemblage combustible nucléaire (40) doté d'une grille d'espacement (10), caractérisé en ce qu'il comprend une première pluralité de lames (26) allongées, parallèles et espacées, incurvées sous une forme ondulée suivant la longueur axiale de la première pluralité de lames allongées; une deuxième pluralité de lames (28) allongées, parallèles et espacées, incurvées sous une forme ondulée suivant la longueur axiale de la deuxième pluralité de lames allongées, ladite deuxième pluralité de lames allongées, parallèles et espacées, étant disposée de façon orthogonale à ladite première pluralité de lames allongées, parallèles et espacées, et étant alignée selon un motif régulier, de sorte que l'intersection de chaque ensemble de quatre lames définit une cellule (30, 32), certaines cellules (30) supportant des crayons de combustible; et une lame de bordure (34) entourant les première et deuxième pluralités de lames allongées, parallèles et espacées, dans laquelle les première et deuxième pluralités de lames allongées, parallèles et espacées, se situent sur une diagonale par rapport à la lame de bordure (34).

23. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 22, dans laquelle les première et deuxième pluralités de lames allongées sont alignées de manière à ce que toutes les ondulations qui délimitent chaque cellule (30, 32) soient incurvées soit en direction du centre de la cellule, soit dans la direction opposée au centre de la cellule.

24. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 23, dans laquelle plusieurs des cellules (30) comportant des ondulations de bord qui sont incurvées dans la direction opposée au centre de la cellule supportent des crayons de combustible (36).

25. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 24, dans laquelle le rayon de courbure des ondulations est supérieur au rayon de courbure des crayons de combustible (36).

26. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 22, dans laquelle le bas ou le haut d'au moins une des lames qui délimitent une cellule(30) supportant au moins un des crayons de combustible (36) est évasé pour favoriser le mélange du caloporteur.

27. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 22, dans laquelle une partie de sensiblement toutes les lames (26,

28) allongées qui délimitent toutes les cellules (30) supportant les éléments de combustible (36) ne comportent pas de bossages bombés (24), ni de ressorts (22). 28. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 22, dans laquelle une cellule (32) adjacente à chaque cellule (30) supportant des crayons de combustible (36) est vide et permet au caloporteur de s'écouler sans obstacle.

29. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 1, dans laquelle les cellules (30) supportant les crayons de combustible (36) comportent sur chaque paroi un ressort (66) qui s'étend dans la cellule (30).

30. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 29, dans laquelle les ressorts (66) sont en porte-à-faux sur les parois de cellule et s'étendent dans la cellule (30).

31. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 30, dans laquelle les ressorts (66) s'étendent le long de la dimension allongée, respectivement de la première et de la deuxième pluralité de lames (26, 28).

32. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 31, dans laquelle les cellules (30) qui supportent des crayons de combustible (36) présentent deux ressorts (66) juxtaposés en porte-à-faux sur chaque paroi.

33. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 32, dans laquelle la forme de chaque ressort (66) est telle que lorsqu'une pression uniforme est appliquée, qui correspond à une pression de contact avec le crayon de combustible (36), la surface de ressort est en contact avec le crayon (36) le long d'une ligne verticale qui est parallèle à l'axe du crayon de combustible (36).

34. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 33, dans laquelle la forme non déviée de chaque ressort (66) faisant face à l'intérieur de la cellule est incurvée.

35. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 33, dans laquelle la zone de ressort (66) où se produit le contact avec le crayon de combustible (36) est incurvée autour d'une ligne de courbure verticale, surtoute la longueur du ressort (66) et dans la direction opposée à la surface du crayon (36), de sorte que le crayon est en contact avec deux surfaces sensiblement convexes par paroi latérale de la cellule, définissant ainsi deux lignes de contact étroites.

36. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 35, dans laquelle le bord avant de chaque ressort (66) est incurvé autour d'une ligne de courbure horizontale qui forme avec la ligne de courbure verticale une surface courbe tridimensionnelle, quasiment sphérique.

37. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 32, dans laquelle les ressorts (66) juxtaposés sur chaque paroi des cellules (30) qui supportent des crayons de combustible (36) ont la même forme et sont positionnés de la même manière que les ressorts sur les autres parois de la cellule.

38. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 30, dans laquelle les ressorts (66) comportent des rainures (70) peu profondes qui renforcent leur rigidité.

39. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 22, dans laquelle une cellule (32) adjacente à chaque cellule (30) supportant un crayon de combustible (36) est dépourvue de crayons, et dans laquelle au moins certaines des cellules dépourvues de crayons supportent un déflecteur d'écoulement (76) à l'intérieur.

40. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 39, dans laquelle le déflecteur d'écoulement (76) est une ailette (78) en forme de ruban (78).

41. Assemblage combustible nucléaire selon la revendication 40, dans laquelle l'ailette (78) en forme de ruban a un axe qui est parallèle à l'axe du crayon de combustible (36) et présente une torsion de 90 degrés.