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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION formée par
WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION pour : "Procédé pour reconstituer un assemblage, combustible de réacteur nucléaire et assemblage combustible de réacteur nucléaire reconstitué à l'aide de ce procédé" Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 23 septembre 1982, sous le NO 422.224 au nom de John Milton SHALLENBERGER et Stephen Joseph FERLAN
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Procédé pour reconstituer un assemblage combustible
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de réacteur nucléaire et assemblage e, e combustible de réacteur nucléaire reconstitué à l'aide de ce procédé
La présente invention concerne, d'une façon générale, les assemblages combustibles pour des réacteurs nucléaires et elle a trait, plus particulièrement,
à un procédé pour reconstituer un assemblage combustible par démontage et par fixation d'embouts supérieurs et à un assemblage combustible reconstitué comportant un système perfectionné de fixation d'embout supérieur.
Les conceptions classiques d'assemblages combustibles comprennent une multiplicité de barres de combustible et de chaussettes ou tubes-guides de barres de commande maintenus dans une disposition organisée par des grilles espacées le long de l'assemblage combustible. Les grilles sont fixées aux tubes-guides de barres de commande. Les embouts supérieur et inférieur présents sur les extrémités opposées de l'assemblage sont fixés aux tubes-guides de barres de commande qui s'étendent légèrement au-dessus et au-dessous des extrémités des barres de combustible. A l'extrémité supérieure de l'assemblage, les tubes-guides sont fixés dans des ouvertures formées dans l'embout supérieur. Les tubesguides peuvent être entouréschacun par un manchon en vue d'une fixation à l'embout supérieur et à la grille la plus élevée.
Pendant le fonctionnement d'un tel assemblage dans
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un réacteur nucléaire, les barres de combustible peuvent parfois se fissurer sur leur longueur par suite principalement de contraintes internes en créant ainsi la possibilité d'une infil-tration. ou d'une pénétration de toute autre manière, dans le réfrigérant primaire du réacteur de produits de fission présentant des caractéristiques radio-actives.
De tels produits peuvent également se décharger dans une cavité de réacteur submergé pendant les opérations de renouvellement du combustible ou bien dans le réfrigérant circulant à travers les piscines où sont emmagasinés les assemblages combustibles uséso
Dans ces conditions, il est difficile de détecter et de retirer les barres de combustible endommagées car elles font partie d'un assemblage, d'un seul tenant, de tubesguides soudés aux embouts supérieur et inférieur. Par conséquent, pour avoir accès du dessus aux barres de combustible individuelles, il est nécessaire de retirer l'assemblage défectueux du coeur du réacteur nucléaire puis de rompre les soudures qui fixent l'embout supérieur aux tubesguides de barres de commande.
En procédant de la sorte, l'action destructrice rend fréquemment l'assemblage combustible impropre pour toute autre utilisation dans un réacteur car l'endommagement subi tant par les tubes-guides que par l'embout supérieur empêche tout nouveau soudage.
Compte tenu des coûts élevés associés au remplacement des assemblages combustibles, les autorités nationales et étrangères ont manifesté un intérêt pour les assemblages combustibles reconstituables afin de réduire à un minimum leurs dépenses de fonctionnement et d'entretien.
Les assemblages combustibles reconstituables classiques comprennent des caractéristiques de conception (au moment de la fabrication initiale) imaginées pour permettre l'enlèvement rapide des barres de combustible individuelles endommagées, la faculté de remplacer des barres suivie par l'utilisation supplémentaire de l'assemblage combustible défectueux dans le réacteur, et/ou une manipulation et un emmagasinage normal d'un tel assemblage.
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On a rendu possible une reconstitution en munissant un assemblage combustible d'un embout supérieur démontable.
L'embout supérieur est habituellement fixé mécaniquement par un système de filetage à l'extrémité supérieure de chaque ensemble de tubes-guides de barres de commande, et on peut démonter à distance l'embout supérieur d'un assemblage combustible irradié pendant qu'il est encore immergé dans un liquide absorbant les neutrons. Grâce à l'enlèvement/remplacement des barres et après que l'embout supérieur a été remonté sur les tubes-guides de barres de commande, on peut alors réinsérer l'assemblage reconstitué dans le réacteur et l'utiliser jusqu'à la fin de sa durée de vie utile, et/ou l'emmagasiner dans des piscines pour combustible usé ou dans d'autres lieux d'une manière normale et sûre.
La philosophie de la conception classique pour les assemblages combustibles reconstituables consistait à mettre en oeuvre les caractéristiques de reconstruction coûteuses de ces derniers sur chaque assemblage combustible au moment de la fabrication initiale. Les divers systèmes de filetage ou autres systèmes utilisés pour fixer de façon amovible chaque tube-guide de barre de commande à l'embout supérieur représentent une dépense élevée en temps et en argent pour les opérations de fabrication supplémentaires lorsqu'un très faible pourcentage seulement des assemblages combustibles est affecté, si toutefois cela se produit, d'une barre de combustible présentant une fuite, et, par conséquent, nécessite d'être reconstitué.
La présente invention a pour objet principal un procédé de reconstitution d'assemblages combustibles normaux et un assemblage combustible reconstitué pour être utilisé dans un réacteur.
Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans un procédé pour reconstituer un assemblage combustible de réacteur nucléaire comportant des tubesguides de barres de commande qui sont disposés coaxialement à l'intérieur de passages pour barres de commande d'une
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plaque de montage d'embout supérieur et qui sont fixés à cette plaque, procédé dans lequel on découpe circonférentiellement les parois des tubes-guides en dessous de la zone de fixation de manière à séparer les manchons de la plaque de montage ;
on démonte l'embout supérieur, y compris la plaque de montage, des tubes-guides découpés ; on insère les tubes-guides découpés dans un second embout supérieur, ledit second embout supérieur comportant une plaque de montage munie d'une pluralité de passages pour barres de commande munis de gorges disposées axialement en dessous des zones correspondantes de la première plaque de montage d'embout supérieur dont les manchons ont été séparés ; lesdits manchons étant insérés dans la seconde plaque de montage d'embout sur une distance axiale aboutissant au-dessus desdites gorges ; et on fait saillir circonférentiellement dans lesdites gorges les tubes-guides découpés et insérés.
L'invention apparaîtra plus clairement dans la description donnée ci-après d'un mode de réalisation préféré purement illustratif en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en élévation partiellement en coupe illustrant la conception d'un assemblage combustible qui comprend un mode de réalisation de l'embout supérieur de l'invention pour un système de fixation de tubes-guides de barres de commande ; la figure 2 est une vue en plan de l'assemblage combustible représenté sur la figure 1 ; la figure 3 est une vue en coupe agrandie d'un embout supérieur de la technique antérieure pour un système de fixation par soudage des tubes-guides sur lequel on peut utiliser le procédé de reconstitution d'assemblage combustible de l'invention ;
la figure 4 est une vue en coupe agrandie d'une partie de la figure 1, cette vue montrant de façon plus détaillée le mode de réalisation de système de fixation de l'invention. La figure 4 représente également le résultat
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final du procédé de reconstitution d'assemblages combustibles de l'invention effectué sur le système de fixation de la figure 3 ; la figure 5 montre une variante de mode de réalisation du système de fixation de la figure 4. La figure 5 représente également le résultat final du procédé de reconstitution d'assemblages combustibles selon l'invention appliqué au système de fixation de la figure 4 (par exemple dans une seconde reconstitution d'un assemblage combustible).
En se référant maintenant aux dessins, on voit que l'on a représenté sur les figures 1 et 2 un assemblage combustible 10 destiné à un réacteur nucléaire et comprenant un réseau de barres 12 de combustible maintenues espacées les unes des autres par des grilles 14,15 et 17 (dont trois seulement sont représentées sur la figure 1) espacées le long de l'assemblage combustible. Chaque barre de combustible comprend des pastilles 16 de combustible nucléaire et un ressort 18 placé dans la chambre de pression de chaque barre de combustible, les extrémités des barres étant fermées par des obturateurs 20 d'extrémité, tout cela d'une manière classique.
Pour commander le processus de fission, on déplace suivant un mouvement de va-et-vient une multiplicité de barres de commande 21 dans les tubes-guides ou chaussettesde barre de commande placésà des positionspredéterminées dans chaque assemblage combustible choisi du réacteur. Les tubesguides ou chaussettes sont fixés aux grilles 14, 15 et 17.
Le réacteur comprend un embout supérieur 24 et un embout inférieur 26 auxquels les extrémités opposées des tubesguides de barres de commande sont fixées pour former un assemblage d'une seule pièce que l'on peut manipuler de façon classique sans endommager les composants de l'assemblage.
De façon caractéristique, les tubes-guides comportent des manchons en vue d'une compatibilité de soudure avec la grille supérieure 14 et la grille inférieure 17 ainsi qu'avec l'embout supérieur 24 et l'embout inférieur 26. Dans ce cas,
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comme représenté sur les figures 1 et 4, on utilise un manchon 53 pour associer le tube-guide 50 à la grille inférieure 17 et à l'embout inférieur 26. Chaque tube-guide 50 s'étend sur la totalité de la longueur de l'assemblage combustible 10 entre l'embout supérieur 24 et l'embout inférieur 26. Le manchon 53 ne s'étend que de l'embout supérieur 24 jusqu'à la grille supérieure 14 et le manchon 54 ne s'étend que de l'embout inférieur 26 jusqu'à la grille inférieure 17. Le tube-guide 50 est fixé au manchon 53 à l'aide d'un assemblage par renflement.
L'assemblage par renflement consiste, de façon caractéristique, en des renflements 55 disposés en trois ensembles espacés axialement (deux ensembles entre la plaque de montage 32 d'embout supérieur et la grille supérieure 14 et un ensemble en dessous de la grille supérieure 14), chaque ensemble consistant en quatre renflements espacés les uns des autres symétriquement.
Le tube-guide 50 peut être fixé au manchon 54 de la même manière.
Comme illustré sur les figures 1 et 2, l'embout supérieur a une section droite carrée et comprend une enceinte 28 comportant une plaque supérieure 30 espacée d'une plaque de montage (inférieure) 32. Des ressorts de retenue 34 de l'assemblage, fixés aux côtés opposés de la plaque supérieure 30, sont maintenus en place par des vis 36 et sont adaptés pour être comprimés lorsque la plaque supérieure (non représentée) de coeur de réacteur est mise en position. L'embout supérieur comprend, en outre, un dispositif 37 de commande de grappes de barres constitué par un élément cylindrique 38 fileté intérieurement et comportant des ailes ou bras 40 s'étendant radialement.
Une pièce d'accouplement 42 relie chaque barre de commande 21 auxbras, l'agencement étant tel que le dispositif de commande de grappes de barres déplace les barres de commande verticalement dans les tubes-guides de barres de commande de manière à commander ainsi le processsus de fission dansl'assemblage.
Un mode de réalisation préféré du procédé de
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l'invention destiné à la reconstitution d'un assemblage combustible 10 de réacteur nucléaire par enlèvement et remplacement des embouts supérieurs est représenté sur la
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figure 3 en tant qu'illustration"avant"et sur la figure 4 en tant qu'illustration"après". Les manchons supérieurs extrêmes 52 des tubes-guides 50 (dont un seul est représenté sur la figure 3) de barres de commande sont disposés coaxia- lement à l'intérieur des passages 60 pour barres de commande de la plaque de montage 62 d'embout supérieur. Les manchons 52 sont fixés à la plaque de montage 62 d'embout supérieur, de préférence par soudage (ou autre fixation métallurgique), à la surface supérieure 64 de la plaque de montage.
Ce type de système de fixation classique est moins coûteux en temps et en argent, dans tous les assemblages au moment de la fabrication initiale, si on le compare avec les types de systèmes de fixation filetés utilisés dans les assemblages combustibles reconstituables existants.
Quand on décide de reconstituer un assemblage combustible 10 (ce qui n'a lieu que pour un faible pourcentage des assemblages combustiblespendant leur durée de vie utile), on sépare, en utilisant le procédé de l'invention, les manchons 52 de la plaque de montage 62 en découpant circonférentiellement les parois des manchons en dessous de la zone de fixation. On peut effectuer ce découpage, par exemple, en utilisant un dispositif classique pour découpage à l'intérieur d'un tube, que l'on place dans le passage 60 pour barres de commande, de manière à découper la paroi du manchon (de l'intérieur vers l'extérieur) en dessous de la fixation soudée.
Dans une variante, on peut effectuer ce découpage en utilisant un dispositif de coupe du type cylindrique en commençant depuis la surface supérieure 64 de la plaque de montage 62 à un certain diamètre et jusqu'à une profondeur suffisante pour découper la soudure. On démonte ensuite l'embout supérieur avec sa plaque de montage 62 des manchons de grille à l'aide de moyens classiques.
On effectue à distance les opérations de découpage et de démontage sur l'assemblage combustible irradié 10 pendant
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que celui-ci est immergé dans un liquide absorbant les neutrons, comme par exemple de l'eau, en obtenant ainsi un accès à l'extrémité supérieure de l'assemblage combustible en vue de la détection et de l'enlèvement des barres de combustible défectueuses.
On réalise un embout supérieur modifié 24, de préférence identique dans son ensemble à l'embout supérieur démonté, avec sa plaque de montage 32 comportant des passages 72 pour barres de commande, mais avec une pluralité (de préférence la totalité) de ses passages 72 comportant une rainure ou gorge 74. La gorge 74 se trouve dans une zone située axialement en dessous de la zone correspondante de la plaque de montage d'embout supérieur démonté 62, de laquelle les manchons 52 ont été séparés. La gorge 74 pourrait être un creux profilé quelconque de diverses dimensions dans la totalité des passages 72. De préférence, la gorge 74 est une gorge circonférentielle entièrement circulaire. De préférence, l'embout supérieur modifié 24 est un embout non irradié, mais l'embout supérieur démonté pourrait être réusiné.
La formation des gorges peut être effectuée à l'aide de moyens de taillage classiques connus des techniciens en la matière.
On insère les manchons découpés 53 avec les tubesguides 50 de barres de commande dans les passages 72 pour barres de commande de la plaque de montage de l'embout supérieur modifié 24, sur une distance axiale aboutissant au-dessus des gorges 74. De préférence, on insère du dessous dans les passages 72 les manchons découpés 53 jusqu'à une position axiale égale d'une façon générale à celle où ils ont été découpés antérieurement. On renfle circonférentiellement la pluralité correspondante de manchons insérés 53 de manière qu'ils pénètrent dans les gorges 74. Par"pluralité correspondante"on sous-entend les manchons 53 qui ont été insérés dans la pluralité de passages 72 comportant des gorges 74. On effectue le renflement circonférentiel à l'aide de moyens classiques connus des techniciens en la matière.
Par exemple, on pourrait obtenir le renflement à l'aide d'une
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pression hydraulique d'un fluide introduit dans le passage pour barre de commande par l'intermédiaire de trous ménagés dans un tube d'alimentation de fluide comportant des moyens de fermeture étanches au-dessus et au-dessous de la gorge pour confiner le fluide dans le passage de manière à introduire par renflement le manchon dans la gorge.
Un autre procédé pourrait utiliser un piston et sa tige dans le passage, le piston situé en dessous de la gorge étant tiré par sa tige vers le haut du passage en se rapprochant de la gorge de manière a comprimer une matière introduite (par exemple du polyuréthane) contre un moyen de fermeture étanche (placé au-dessus de la gorge) à travers lequel la tige est tirée pour refouler la matière dans le passage de manière à faire saillir le manchon dans la gorge. Les opérations d'insertion et de renflement peuvent être effectuées toutes deux à distance.
Le procédé décrit ci-dessus permet également d'accéder aux barres de combustible d'un assemblage pour permettre le transfert des barres de combustible usées partiellement depuis un"squelette"endommagé, par exemple, jusqu'à un autre en permettant ainsi aux barres d'atteindre leur niveaux d'épuisement envisagés. Le procédé permet en outre d'obtenir un accès pour l'enlèvement et/ou le réarrangement de barres de combustible en vue d'atteindre une meilleure utilisation de l'uranium dans le réacteur.
Le procédé de l'invention peut aussi être appliqué pour reconstituer les assemblages combustibles dont les tubesguides de barres de commande sont fixés directement (par exemple par soudage) à la plaque de montage d'embout supérieur sans manchons intermédiaires. Dans ce cas, les opérations de découpage et de renflement seraient effectuées sur les tubesguides au lieu des manchons. L'homme de métier comprendra que le procédé de l'invention peut aussi être appliqué pour reconstituer des assemblages combustibles dont (au moment de la fabrication initiale ou, de préférence, au moment d'une première reconstitution) les tubes-guides (ou les manchons) font saillie circonférentiellement dans les gorges de leurs
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passages pour barres de commande de la plaque de montage.
Ceci permet une reconstitution supplémentaire d'un assemblage combustible reconstitué antérieurement. Par exemple, la figure 4 pourrait représenter l'illustration"avant"et la figure 5 pourrait représenter l'illustration"après"d'un assemblage combustible reconstitué deux fois. Sur la figure 5, le manchon 80, découpé deux fois, du tube-guide 50 de barre de commande ainsi que le tube-guide 50 de barre de commande lui-même font saillie circonférentiellement dans une gorge inférieure 90 du passage 92 pour barre de commande de la plaque de montage 94 d'un autre embout supérieur.
La gorge 90 est située en dessous de la zone correspondante de la plaque de montage antérieure 32 (voir figure 4) de laquelle les manchons 53 ont été sectionnés. Il convient de remarquer que, par suite de l'emplacement du bas de la gorge 90, le renflement circonférentiel du manchon 80 exige également le renflement circonférentiel du tube-guide sus-jacent 50 de barre de commande.
On peut voir. d'après la description qui précède, que l'invention couvre un embout supérieur d'assemblage combustible de réacteur nucléaire pour un système de fixation de tubes-guides de barres de commande. Ce système de fixation peut être utilisé au moment de la fabrication initiale de l'assemblage combustible ou, de préférence, au moment de la reconstitution de l'assemblage combustible.
L'utilisation du système de fixation de l'invention uniquement au moment de la reconstitution se traduit par des dépenses totales moindres en temps et en argent lorsque l'assemblage combustible initial utilise, par exemple, un embout supérieur soudé pour la fixation des tubes-guides d barres de commande. Ceci provient du fait que seul un petit pourcentage des assemblages combustibles nécessite une reconstitution si toutefois une telle reconstitution était jamais nécessaire.
Un mode de réalisation préféré de l'embout supérieur pour un système de fixation de tubes-guides, utilise, comme représenté sur la figure 4, un embout supérieur avec sa plaque de montage 32 dont un certain nombre (au moins deux
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et de préférence la totalité) de ses passages 72 pour barres de commande ont été modifiés avec une gorge 74. Le système de fixation utilise également des tubes-guides 50 de barres de commande comportant des manchons 53. Les manchons sont placés coaxialement dans le passage pour barres de commande.
Un nombre correspondant de manchons sont disposés axialement au-dessus des gorges et font saillie circonférentiellement dans ces gorges. Par"nombre correspondant"on entend les manchons qui sont associés au nombre de passages de barres de commande qui comportent des gorges.
Une variante de système de fixation (non représentée sur les dessins) comporte des tubes-guides sans manchons, ces tubes-guides faisant saillie circonférentiellement dans les gorges. Dans un autre système de fixation (représenté sur la figure 5), les manchons 80 aussi bien que les tubesguides 50 font saillie circonférentiellement dans les gorges 90.
Facultativement, on utilise des moyens pour positionner les manchons (ou les tubes-guides) à une distiance axiale prédéterminée dans les passages pour barres de commande. De préférence, comme représenté sur la figure 5, ces moyens comprennent une section supérieure de diamètre réduit du passage raccordé à la section de diamètre normal du passage par une surface 96 d'épaulement située de préférence axialement pour maintenir une hauteur constante de l'embout supérieur dans l'assemblage combustible en tenant compte de la longueur du manchon antérieurement sectionné. Dans une variante, le manchon 80 pourrait être muni d'un collet portant contre la surface inférieure de la plaque de montage 94.
Des essais de résistance à la traction effectués sur une partie de manchon des tubes-guides de barres de commande faisant saillie circonférentiellement dans une gorge circonférentielle, entièrement circulaire et coaxiale, formée dans un passage pour barre de commande d'une section de plaque de montage d'embout supérieur, ont montré que la fixation était plus solide mécaniquement que le manchon lui-même.