FR2578348A1 - Grille pour assemblage combustible nucleaire - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE GRILLE D'ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE PERFECTIONNEE. ELLE COMPORTE PLUSIEURS BANDES METALLIQUES S'INTERSECTANT ET FORMANT DES CELLULES 20 PRESENTANT UNE ENTREE 26 ET UNE SORTIE 28. LES ANGLES AUXQUELS CES BANDES 16A, 16B, 18A, 18B SONT SOUDEES ENTRE ELLES SONT DECALES VERTICALEMENT AFIN QUE LA CHUTE DE PRESSION RESULTANT DE LA DIMINUTION DE LA SECTION D'ECOULEMENT DUE AUX SOUDURES 34A, 34B SOIT REDUITE. DOMAINE D'APPLICATION: COEURS DE REACTEURS NUCLEAIRES.

Description

L'invention concerne les assemblages combus-

tibles pour réacteurs nucléaires, et en particulier des grilles pour assemblage combustible destinées à

des réacteurs nucléaires à eau sous pression.

Des grilles pour assemblage combustible destinées à des réacteurs nucléaires industriels à eau sous pression sont classiquement fabriquées par soudage entre elles, à des intersections encochées, de plusieurs bandes métalliques orientées perpendiculairement, afin de former une structure rigide à alvéoles pour espacer et supporter des barres de combustible nucléaire la traversant. Lorsque de tels assemblages combustibles sont conçus pour être utilisés dans des réacteurs nucléaires situés dans des zones sujettes à une activité sismique élevée, les grilles doivent être renforcées

pour avoir une plus grande résistance au choc sans provo-

quer de détérioration de la grille ou des barreaux de combustible. Ce renforcement consiste souvent -à réaliser de plus grosses soudures à toutes les intersections des bandes. Ces plus grosses soudures non seulement

renforcent l'assemblage, mais ont un effet sur les carac-

téristiques d'écoulement du fluide de refroidissement à travers la grille. Les soudures plus fortes augmentent - la chute de pression du fluide de refroidissement à travers l'assemblage, car la section d'écoulement de

chaque cellule définie par les bandes se croisant mutuel-

lement est réduite aux niveaux des soudures.

Lorsque, en particulier, des assemblages combustibles d'une conception doivent être insérés dans

un coeur de réacteur contenant des assemblages combus-

tibles d'une conception différente, les caractéristiques

de résistance de la grille et de chute de pression d'écou-

lement doivent être compatibles. Par exemple, des assem-

blages combustibles réalisés en Inconel 718 sont beaucoup

plus robustes que les assemblages réalisés en Zircaloy.

Bien que le Zircaloy ne soit pas aussi résistant que l'Inconel 718, il absorbe moins de neutrons et présente donc des avantages de coût de fonctionnement. Il peut apparaître des circonstances dans lesquelles un coeur de réacteur contenant des assemblages combustibles du type à Inconel 718 doit être regarni de combustible avec une charge du type en Zircaloy, de sorte que, après le rechargement, les deux types d'assemblage se trouvent dans le noyau. Pour assurer un fonctionnement en toute sécurité du coeur du réacteur à son niveau de puissance

maximale nojmimale avec le combustible mélangé, le four-

nisseur de combustible doit augmenter la résistance

des assemblages en Zircaloy tout en respectant les carac-

téristiques de pression des assemblages en Inconel 718.

L'invention a donc pour objet d'offrir des

moyens par lesquels la résistance d'un assemblage combus-

tible classique peut être augmentée, sans accroissement notable de la résistance à l'écoulement d'un fluide

à travers l'assemblage. A cet effet, on modifie la struc-

ture de la grille de l'assemblage de façon que les sou-

dures situées à chaque intersection des lames de la grille soient décalées à l'entrée et à la sortie de

chaque chenal ou cellule d'écoulement de la grille.

Dans les diverses formes de réalisation illustrées par les dessins annexés décrits ci-après, ce décalage est compris entre une soudure sur quatre placée dans un

plan ou à un niveau différent de celui des autres sou-

dures à toute sortie ou entrée de cellule, et d'autres formes de réalisation dans lesquelles chacune des quatre

soudures présentes à l'entrée ou à la sortie d'une cel-

lule se trouve à un niveau différent de celui des autres soudures. Sous sa forme la plus large, l'invention

a trait à un assemblage combustible nucléaire perfec-

tionné du type comportant plusieurs bandes métalliques

se croisant mutuellement, soudées à leurs intersections.

Au moins certaines des bandes présentent des bords suoé-

rieurs ou inférieurs non linéaires aux intersections de façon que certaines des soudures d'intersection, situées aux bords supérieurs ou inférieurs des bandes, se trouvent

à des niveaux différents par rapport aux soudures d'inter-

section à d'autres bords supérieurs ou inférieurs.

Sous une forme plus particulière de réalisa-

tion, l'invention a trait à une grille d'assemblage

combustible nucléaire comprenant plusieurs bandes allon-

gées se croisant mutuellement, reliées rigidement pour former des rangées et des colonnes de cellules orientées verticalement. Chaque cellule présente des ouvertures d'entrée et de sortie globalement carrées, définissant un chenal d'écoulement. Au moins l'un des bords supérieur ou inférieur de chaque bande présente plusieurs encoches espacées, chaque encoche s'ajustant dans une encoche complémentaire d'une bande perpendiculaire afin qu'à chaque intersection de bandes, les bords supérieurs et inférieurs des bandes se croisant mutuellement soient sensiblement au même niveau pour former un angle de cellule. Les soudures de structure de la grille sont situées à ces angles de la cellule, mais au moins l'un des quatre angles d'une ouverture se trouve à un niveau différent de celui des trois autres angles. Ceci a pour

résultat que toutes les bandes orientées dans une direc-

tion, par exemple d'une rangée, présentent au moins un bord supérieur ou inférieur non linéaire, et que

toutes les bandes orientées dans la direction transver-

sale, par exemple une colonne, présentent (dans une forme de réalisation) des bords supérieur et inférieur droits ou (dans d'autres formes de réalisation) au moins

un bord inférieur ou supérieur non linéaire.

Le bord non linéaire des bandes de la grille peuvent être en dents de scie, les maxima et minima des parties dentées coïncidant avec l'angle de cellule, ou bien la forme non linéaire peut être une forme à

courbure sensiblement continue ou en "arc-en-ciel".

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nulle- ment limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en plan d'une grille d'assemblage combustible nucléaire pour réacteur à eau sous pression selon l'invention; les figures 2A et 2B sont des élévations d'éléments de bandes de rangées alternées de la grille montrée sur la figure 1, ces vues montrant les bords inférieur linéaire et supérieur en dents de scie d'une bande et les bords supérieur linéaire et inférieur en dents de scie de l'autre bande, respectivement, d'une première forme de réalisation de l'invention; les figures 3A et 3B sont des élévations montrant des éléments de bandes de colonnes de la grille, de la figure 1, qui s'accouplent avec les bandes de rangées montrées sur les figures 2A et 2B; la figure 4 est une élévation avec coupe partielle suivant la ligne 4-4 de la figure 1, montrant les niveaux des soudures décalées de la première forme de réalisation de l'invention; la figure 5 est une élévation avec coupe partielle analogue à celle de la figure 4, d'une deuxième forme de réalisation de l'invention dans laquelle les bandes de rangées et de colonnes de la grille présentent des bords supérieur et inférieur en dents de scie les figures 6A, 6B et 6C sont des élévations des bandes de rangées et de colonnes de la deuxième forme de réalisation de l'invention montrée sur la figure ; la figure 7A est une élévation d'un élément de bande de colonne de grille à bord incurvé; la figure 7B est une élévation d'une bande de colonne de grille comportant des bords supérieur et inférieur droits qui, lorsqu'elle est utilisée avec la bande de rangée montrée sur la figure 7A, constitue une troisième forme de réalisation de l'invention et la figure 7C et une élévation d'un élément de bande de colonne ayant la même forme que celle montrée

sur la figure 7A, mais une disposition d'encoches diffé-

rente, et qui, cependant, une fois assemblée avec l'élé-

ment de la figure 7A, constitue une quatrième forme

de réalisation de l'invention.

La figure 1 est une vue en plan d'une grille

destinée à un assemblage combustible nucléaire, con-

forme à l'invention, présentant des caractéristiques communément utilisées dans des réacteurs à eau sous pression et dont le type est décrit, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 4 426 355, N 3 769 159 et N 3 423 287. La grille comporte quatre plaques périphériques 12 soudées les unes aux autres pour former un cadre extérieur dans lequel plusieurs bandes plates 14, relativement minces, avantageusement en Zircaloy, sont agencées en rangées 16 et colonnes 18 définissant des cellules 20 de grille. La totalité ou presque la totalité des cellules sont destinées à recevoir un barreau 22 de combustible les traversant

chacune verticalement (un seul étant représenté), sup-

porté dans la cellule par des ressorts, des cintres ou d'autres moyens de structure 24 formés sur les bandes 14 ou reliés à ces dernières et faisant saillie dans

les cellules 20.

Chaque cellule 20 comporte d'une manière générale quatre parrois intérieures définies. par les bandes de façon que chaque cellule constitue, en fait, un chenal ayant une entrée 26 et une sortie 28 (alignées verticalement et ne pouvant donc être discernées sur la figure 1), et quatre angles 30 associés à chaque entrée 26 et chaque sortie 28. Ces angles 30 se trouvent à l'intersection 32 des bandes 16 de rangée et des bandes 18 de colonne et sont l'emplacement auquel des apports de soudures 34 joignent rigidement les bandes. Les bords extrêmes 36 de chaque bande 14 sont soudés aux plaques périphériques 12 afin d'assurer la rigidité d'ensemble

de la grille.

Les figures 2A, 2B, 3A, 3B et 4 mon-

trent deux types et quatre orientations des bandes 14 de grille constituant l'ensemble montré sur la figure

1. Dans cette première forme de réalisation de l'inven-

tion, à l'entrée 26 et à la sortie 28 de toute cellule 20', l'un des quatre angles 30 se trouve à un niveau différent, réduisant ainsi la chute de pression à travers la cellule par rapport aux techniques classiques de soudage dans lesquelles les quatre soudures situées

à une entrée et à une sortie sont dans le même plan.

Les- bandes 16a, 16b de rangée montrées sur la figure 2 alternent entre le devant et l'arrière de la grille-. Chacune d'elles comporte un bord non linéaire, la bande -16a comportant un bord supérieur 38a en dents de scie et la bande 16b comportant un bord inférieur 40b en dents de scie. Les bords inférieur et supérieur

respectifs.40a et 38b sont sensiblement linéaires. L'ex-

pression "sensiblement linéaire" dans le contexte de la présente invention englobe les bords des bandes de grille représentées dans les brevets précités. Chaque

bande présente des encoches espacées 46, orientées verti-

calement, grâce auxquelles l'intersection 32 avec les bandes complémentaires 18 de colonne est réalisée. Sur les figures 2A et 2B, on peut voir que la hauteur totale H de chacune des bandes 16a, 16b est la même, comme

c'est le cas aussi de l'amplitude S des dents de scie.

La position de chaque encoche coincide, ou est alignée verticalement, avec les maxima 48 et minima 50 de la partie en dents de scie de chaque bande. Sur les figures 3A et 3B, les deux types de bandes 18a, 18b de colonne sont identiques aux bandes 16a et 16b de rangée, respec- tivement, mais dans une orientation différente, chacun

ayant un bord linéaire et un bord en dents de scie.

Lorsque les quatre bandes illustrées sur

les figures 2A à 3B sont assemblées, l'encoche 46i s'ac-

couple -avec l'encoche 46j, l'encoche 46k s'accouple

avec l'encoche 461, l'encoche 46m s'accouple avec l'en-

coche 46n et l'encoche 46o s'accouple avec l'encoche 46p, etc. Il apparaît donc que, dans cette forme de réalisation, les encoches 46i des maxima 48 des dents de scie du bord supérieur 38a de la bande 16a de rangée s'accouplent avec les encoches 46j des maxima des dents

de scie du bord inférieur 44a de la bande 18a de colonne.

Les encoches 46k situées sur le bord droit ou linéaire, en face des minima 50 des dents de scie, de la bande 16b de rangée s'accouplent avec les encoches 461 de la bande 18a de colonne, situées aux minima 50 des dents de scie. Les encoches 460 du bord linéaire, opposées aux maxima des dents de scie, s'accouplent avec des encoches similaires 46p opposées aux maxima des dents

de scie des bandes orientées perpendiculairement.

La figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 1, montrant la disposition résultante des bords et des angles des bandes de la grille de la première forme de réalisation de l'invention montrée sur les figures 2A à 3B. La bande 16a est au premier

plan et la bande 16b en arrière-plan; la partie infé-

rieure en dents de scie de la bande 16b est représentée en trait pointillé. Les bandes 18a et 18b de colonne

font saillie dans et à l'extérieur du plan du dessin.

On peut voir que les apports de soudures 34 associés à la sortie 28 o'écoulement de la grille se trouvent à deux niveaux distincts et que, de la même manière, les apports de soudures associés aux entrées deécoulement

26 de la grille se trouvent à des niveaux différents.

Par exemple, dans la cellule 20', trois soudures 34a (représentées), 34c et 34d (sur la plaque 12, figure 1) sont au même niveau, alors que la soudure 34b se

trouve à une distance S au-dessous des autres soudures.

Les figures 5 et 6A, 6B et 6C représentent une deuxième forme de réalisation de l'invention dans laquelle les soudures situées à l'entrée 126 et à la sortie 128 d'une cellule -ou d'un chenal particulier,

par exemple le chenal 120, sont à un niveau différent.

Dans cette forme de réalisation qui apparaît également comme vu de dessus sur la figure 1, chaque bande 114 de rangée et de colonne comporte des bords supérieur et inférieur en dents de scie. La bande 116 du type rangée est orientée dans une première rangée 116a dans laquelle les encoches 146 sont toutes situées au bord supérieur 138a de la bande, et est réorientée en une seconde bande de rangée 116b dans laquelle les encoches 146k sont toutes situées au bord inférieur 140b, les rangées alternant d'avant en arrière entre les bandes 116a, 116b de rangée. Les bandes 118 de colonne sont toutes disposées de façon similaire, présentant cependant des encoches 146j, 1461 qui alternent entre les bords supérieur et inférieur 142 et 144, aux maxima 148 des

dents de scie.

Dans cette forme de réalisation, les quatre soudures 134 de chaque sortie 128 (ou entrée 126) de cellule sont à des niveaux différents, comme montré sur la figure 5. L'angle 130a est formé à un maximum & la fois d'une bande 116b de rangée et d'une bande 118a de colonne; l'angle 130b est formé à un maximum d'une bande 118b de colonne, mais à unminimun d'une bande 116a de rangée; l'angle 130c est à un minimum d'une bande 118b de colonne et d'une bande 116b de rangée; et l'angle 130d est à un maximum d'une bande 116a de

rangée et à un minimum d'une bande 118a de colonne.

Cette configuration de soudures à des niveaux différents est également évidente (en trait pointillé) aux angles situés à l'entrée 126 de la cellule 120. Comme autre moyen permettant de réduire la section transversale de la matière de structure dans tout plan ou à tout niveau donné dans une cellule, on peut incliner les

ressorts ou cintres 24' comme montré sur la figure 5.

Les figures 7A et 7B illustrent les bandes de rangée et de colonne, respectivement, d'une troisième forme de réalisation de l'invention dans laquelle, à

chaque sortie et entrée de cellule, deux angles se trou-

vent au même niveau. Toutes les bandes 218 de colonne sont rectangulaires et présentent des encoches espacées 246j le long du bord supérieur droit 242. Toutes les bandes 216 de rangée présentent des encoches espacées 246i à leur bord inférieur 240. Cependant, étant donné que les bandes de rangée ont une dimension verticale d sensiblement uniforme et une courbure sensiblement continue, les soudures adjacentes le long de la même bande 216 de rangée, telles que celles réalisées en 230a et 230b (représentées en trait pointillé), sont à des niveaux différents et il en résulte donc une diminution de l'effet de chute de pression à la sortie ou à l'entrée

correspondante de la cellule.

Dans une quatrième forme de réalisation de l'invention, les bandes de rangée montrées sur la figure 7A sont accouplées aux bandes 318 de colonne montrées sur la figure 7C. Les bandes de colonne ont la même forme extérieure et la même courbure que les bandes de rangée montrées sur la figure 7A, sauf que, de même que dans la troisième forme de réalisation décrite, les encoches espacées 346 des bandes de colonne sont situées au bord supérieur ou convexe 342. Par contre, les encoches de la bande de rangée montrées sur la figure 7A se trouvent au bord inférieur ou concave 240 de la bande 216. Avec la quatrième forme de réalisation de l'invention, il convient de noter que l'aspect global

de la grille est quelque peu en forme de d6me, c'est-

à-dire que la partie centrale de la grille est la plus haute, avec une descente progressive vers chaque bande périphérique 12 (voir figure 1). Néanmoins, la grille

apparait en plan telle que montrée sur la figure 1.

Dans la quatrième forme de réalisation, chaque soudure située à l'entrée ou à la sortie d'une cellule ou d'un chenal se trouve à un niveau légèrement différent de

celui des autres soudures.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la grille décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, il peut s'avérer inutile de placer des apports de soudures à chaque intersection dans toutes les entrées et sorties de cellule. En pratique, des soudures sont réalisées à une intersection telle que quatre soudures d'angle sont formées simultanément, une pour chacune de quatre cellules contiguës. La moitié des intersections des bandes sur les faces supérieure et inférieure de la grille pourrait être soudée en alternance, formant un dessin en damier. Cette option peut être particulièrement intéressante lorsqu'il n'est pas demandé une résistance mécanique maximale à la grille, mais que la résistance

à l'écoulement doit être maintenue à une faible valeur.

En outre, la robustesse propre des grilles non linéaires pour résister aux charges de compression sans flambage peut également offrir une plus grande souplesse dans la suppression des soudures de certains angles de cellule

ou de certaines intersections de bandes.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Grille d'assemblage combustible nucléaire, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs bandes allongées (14) s'intersectant perpendiculairement, reliées rigidement pour former des rangées et des colon- nes de cellules verticales (20) présentant chacune une ouverture d'entrée (26) et une ouverture de sortie (28), chacune des bandes comportant des bords supérieur et inférieur, au moins l'un desdits bords supérieur et inférieur présentant plusieurs encoches espacées (46)

destinées à s'enclencher chacune avec une encoche complé-

mentaire (46) d'une bande orientée perpendiculairement à la précédente afin qu'à chaque intersection (32) de bandes, les bords supérieurs des bandes s'intersectant sensiblement au même niveau pour former un angle de sortie de cellule et les bords inférieurs des bandes s'intersectant soient situés à un autre niveau pour former un angle (30) d'entrée de cellule, chacune des bandes orientées en rangée comportant au moins un bord supérieur ou inférieur qui n'est pas linéaire de façon qu'au moins l'un des angles de chaque entrée et sortie de cellule se trouve à un niveau différent de celui des autres angles de ladite entrée ou sortie, au moins la moitié de tous les angles comportant une matière

(34> d'apport de soudure reliant les bandes s'intersec-

tant.

2. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des bandes (218) orientées en colonne comporte des bords

supérieur (242) et inférieur sensiblement linéaires.

3. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce que les bandes (216) orientées en rangée ont une forme globalement incurvée, de façon que deux angles situés à chaque entrée et à chaque sortie soient à un premier niveau et deux

angles soient à un niveau différent.

4. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que toutes les bandes (18a, 18b) orientées en colonne comportent au moins un bord inférieur ou supérieur qui n'est pas linéaire.

5. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 4, caractérisée en ce que chacun des bords supérieur et inférieur non linéaires présente une forme globalement en dents de scie, les maxima (48) et minima (50) des parties en dents de scie coïncidant

avec un angle de cellule.

6. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que les bandes orientées en rangée sont de deux types alternant, un type (16a) comportant un bord inférieur linéaire (40a) et un bord supérieur en dents de scie (38a), et l'autre type (16b) comportant un bord inférieur en dents de

scie (40b) et un bord supérieur linéaire (38b).

7. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 6, caractérisée en ce que tous les

angles sont soudés.

8. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 6, caractérisée en ce que les bandes (18a, 18b) de colonne sont des deux mêmes types que les bandes (16a, 16b) de rangée, et en ce que des encoches (46j) situées dans les maxima (48) des dents de scie du bord supérieur d'un premier type de bandes de rangée s'accouplent avec des encoches situées dans les maxima des dents de scie du bord inférieur du premier type de bandes de colonne, et des encoches (46k) du bord linéaire, opposées aux minima (50) des dents de scie d'un second type de bandes de rangée, s'accouplent avec des encoches (46n) situées aux minima des dents de scie

d'un second type de bandes de colonne.

9. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque bande (116a, 116b et 118) comporte des bords supérieur et inférieur sensiblement en dents de scie, et les minima de la partie en dents de scie du bord supérieur ou infé- rieur sont alignés verticalement avec les minima de la partie en dents de scie du bord inférieur ou supérieur, respectivement

10. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 9, caractérisée en ce que tous les

angles sont soudés.

11. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 9, caractérisée en ce que les bandes de rangée sont de deux types alternant de l'avant vers l'arrière de la grille et intersectent un seul type de bandes de colonne, le premier type de bandes (116a) de rangée présentant des encoches (146i) situées aux maxima et aux minima du bord supérieur (138a), le second type de bandes (116b) de rangée présentant des encoches

(146k) situées aux maxima et aux minima du bord infé-

rieur (140b), et la bande (118) de colonne présentant des encoches (146j, 1461) situées aux maxima alternant

entre les bords supérieur et inférieur (142, 144).

12. Grille d'assemblage combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque bande (216) orientée en rangée présente une dimension verticale

d sensiblement uniforme,et une forme sensiblement incur-

vée, ainsi que des encoches (246i) situées au bord infé-

rieur (240), et chaque bande (218) orientée en colonne présente sensiblement la m6me dimension verticale et la même forme, et des encoches (246j) situées au bord supérieur (242), de façon qu'à l'entrée ou à la sortie de chaque cellule, tous les angles soient à des niveaux différents. 1.3. Grille d'assemblage combustible nucléaire

comprenant plusieurs bandes métalliques (14) s'inter-

sectant, comportant des bords supérieur et inférieur soudés aux intersections (32) des bandes, caractérisée en ce qu'au moins certaines des bandes comportent des bords non linéaires soudés auxdites intersections de façon que certaines soudures (34) des intersections aux bords supérieur ou inférieur des bandes soient à

des niveaux différents de ceux des soudures d'inter-

section situées à d'autres bords supérieurs ou inférieurs.