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PROCEDE DE FABRICATION DE GRILLE A CELLULES CALIBREES POUR ASSEMBLAGE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de grille pour assemblage combustible nucléaire ayant au moins deux jeux de plaquettes entrecroisées délimitant des cellules traversées les unes par des tubes guides et les autres par des crayons combustibles, les plaquettes étant munies de moyens limitant le débattement des crayons à partir des noeuds d'un réseau régulier.
Une des fonctions des grilles est de maintenir transversalement les crayons combustibles pour éviter l'apparition de vibrations, excitées par le réfrigérant en circulation, d'amplitude telle qu'il y ait usure du gainage par interaction mécanique avec les moyens des plaquettes.
Dans la plupart des assemblages combustibles utilisés à ce jour, les plaquettes sont munies de ressorts situés à l'opposé de bossettes et exerçant sur les crayons une force de maintien contre les bossettes. Mais l'évolution des caractéristiques des réacteurs, notamment vers des taux de combustion et des performances thermohydrauliques accrues, conduit à modifier les fonctions des différentes grilles. En particulier il est à l'heure actuelle jugé avantageux d'utiliser une seule grille de supportage des crayons, les grilles restantes pouvant elle-mêmes appartenir à deux types différents, l'un des types ayant un rôle structural et comportant une ceinture tandis que les autres ont un rôle purement thermohydraulique.
On a déjà proposé de munir les grilles, autres que celle supportant les crayons, de bossettes placées à un ou plusieurs niveaux dans le sens d'écoulement du réfrigérant, à l'exclusion de ressorts. Pour éviter d'endommager la gaine des crayons lors de leur introduction, le passage entre
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les bossettes laisse un jeu aux crayons. Mais les toléraces de fabrication sont telles qu'un jeu résiduel pour les crayons de plus grand diamètre implique que le jeu pour les crayons de plus petit diamètre et les cellules les plus grandes peut atteindre une valeur importante, de l'ordre de 0, 4 mm.
Ce jeu peut encore augmenter au cours de l'irradiation de l'assemblage, à la suite du fluage de la gaine du crayon ou du grandissement de la cellule, ce qui peut l'amener à une valeur telle que les vibrations pourraient atteindre une amplitude provoquant la dégradation de la gaine.
La présente invention vise à fournir un procédé de fabrication de grille permettant de réduire les variations dimensionnelles entre cellules et donc de réduire la taille du jeu maximal susceptible d'exister en début de vie et après irradiation de l'assemblage.
Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de fabrication de grille du type ci-dessus défini, suivant lequel on constitue lesdits moyens par des bossettes dont la saillie initiale est telle qu'elles délimitent un passage de taille au plus égale au diamètre minimum des crayons de combustible, caractérisé en ce qu'on déforme les bossettes vers l'extérieur de façon permanente avant insertion des crayons pour donner à chaque passage une taille prédéterminée, légèrement supérieure à celle d'un crayon et fixée par un gabarit.
Le gabarit peut être prévu de façon que le jeu maximal en début d'utilisation de l'assemblage ne dépasse pas 0,2 mm, de sorte qu'après irradiation la valeur maximale que peut atteindre le jeu ne risque pas de provoquer de dégradation rapide des gaines de crayon.
La déformation peut être réalisée par des processus très variés.
Une première solution consiste à mettre en forme les bossettes par déformation plastique de ces dernières à l'aide d'une pige constituant gabarit qui peut être rigide
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et introduite à force ou expansible jusqu'à un diamètre déterminé.
Une seconde solution consiste à déformer les bossettes par fluage thermique sous une contrainte mécanique provoquée par introduction préalable d'une pige constituant le gabarit.
Du fait des contraintes mécaniques imposées à l'ensemble de la grille par l'introduction d'une pige, même si toutes les cellules ne sont pas simultanément traitées, il est souhaitable de placer préalablement la grille dans un cadre rigide pour que l'expansion des bossettes ne provoque pas de distorsion globale de la grille.
Une troisième solution, utilisable lorsque les bossettes ont un caractère massif, consiste à usiner les bossettes de la grille par enlèvement mécanique de copeaux, c'est-à-dire par un procédé traditionnel de brochage, de fraisage ou d'alésage ou par un procédé d'électro-érosion ou d'électrochimie, l'outil d'usinage constituant alors le gabarit.
Cette dernière solution présente, lorsque l'outil d'usinage est prévu pour donner aux faces d'appui des bossettes une section circulaire, l'avantage d'offrir une surface de contact plus importante aux crayons combustibles placés dans la cellule, donc de minimiser l'usure de la gaine. Elle est en contrepartie plus complexe.
L'invention est applicable aussi bien à des grilles délimitant des cellules réparties selon un réseau triangulaire qu'à des grilles destinées à maintenir les crayons aux noeuds d'un réseau carré, les grilles ayant en général trois jeux de plaquettes dans le premier cas et deux jeux seulement dans le second. Il ne sera fait référence par la suite qu'à des grilles destinées à maintenir les crayons aux noeuds d'un réseau carré, mais les indications qui seront données peuvent être transposées directement au cas d'une grille à réseau triangulaire.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
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description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 est une vue de dessus d'une fraction de grille à bossettes à laquelle est applicable l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe suivant la ligne AA de la figure 1, montrant respectivement une grille dont chaque cellule contenant un crayon a deux plans de bossettes et a un seul plan de bossettes ; - les figures 4 et 5 sont des schémas montrant deux phases successives d'introduction dans une cellule d'une pige de calibrage par déformation plastique ; - la figure 6, similaire à la figure 5, montre la déformation plastique par expansion d'une pige fendue ;
- la figure 7 montre un montage permettant de calibrer simultanément toutes les cellules d'une grille avec des piges expansibles fendues du genre montré en figure 6 ; - les figures SA et 8B sont des vues en coupe transversale de piges fendues expansibles destinées respectivement à une cellule à réseau carré et à une cellule à réseau triangulaire ; - la figure 9, similaire à la figure 7, montre un montage utilisable pour calibrer des cellules de grille par fluage thermique sous contrainte ; - les figures 10 et 11 montrent schématiquement, en vue de dessus, une cellule à bossettes massives dont le calibrage est effectué par usinage avec enveloppes carrée (figure 10) ou circulaire (figure 11).
La grille montrée en figure 1 et 2 est notamment utilisable en tant que grille de structure dans un assemblage combustible nucléaire pour réacteur à eau sous pression, bien qu'elle soit également, sous une forme allégée et éventuellement démunie de ceinture, utilisable en tant que grille à fonction purement thermohydraulique. Une telle grille peut notamment être incorporée dans un assemblage du
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genre décrit dans l'une ou l'autre des demandes de brevet déposées le même jour que la présente demande pour"Grille additionnelle pour assemblage combustible de réacteur nucléaire et assemblage en comportant application"et pour "Grille à ailettes de mélange pour assemblage combustible nucléaire".
La grille 10 est constituée de deux jeux de plaquettes entrecroisées 12 et 14, en alliage à base de zirconium tel que le "zircaloy 4" détendu thermiquement. Les plaquettes sont généralement découpée dans du feuillard, assemblées à mi-fer et solidarisées les unes des autres par soudage aux croisements. Leur tranche aval est prolongée par des ailettes de mélange 16 qui peuvent avoir une quelconque des dispositions classiquement utilisées. Les plaquettes peuvent également être munies de languettes (non représentées) placées autour des cellules destinées au passage de tubes guides. Ces languettes sont alors destinées à être soudées, par exemple par résistance, aux tubes guides.
Chaque face de chacune des cellules destinées à recevoir un crayon combustible 18 (dont deux seulement sont représentés schématiquement sur les figures 1 et 2) est munie d'au moins une bossette en saillie vers l'intérieur, exception faite des cellules de rive qui ne comportent des bossettes que sur deux ou trois côtés.
Dans l'état final de la grille les bossettes de butée ont une saillie telle qu'elles laissent subsister un jeu diamétral permettant aux crayons combustibles 18 de coulisser mais suffisamment faible pour que l'amplitude des vibrations éventuellement induites par l'écoulement n'atteigne pas une valeur telle que les chocs endommageraient les gaines. Les ailettes 16 doivent elles-mêmes être dessinées de façon que les bossettes 20 interdisent aux crayons de venir en contact avec les ailettes.
Dans le mode de réalisation montré en figure 2, chaque cellule destinée à recevoir un crayon est munie (exception faite des cellules de rive) de huit bossettes
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20,22 réparties à deux niveaux différents, chacun situé à proximité d'une des grandes faces de la grille.
En revanche, dans le mode de réalisation de la figure 3, chaque cellule est munie de quatre bossettes 24 seulement, placées à proximité du plan médian de la grille.
Dans les deux cas, les bossettes sont constituées par découpe d'une bande dans la plaquette et refoulement de la bande dans un sens et dans l'autre. L'invention serait cependant applicable à des bossettes ayant une constitution différente mais susceptibles d'être déformées plastiquement.
Pour calibrer toutes les cellules, c'est-à-dire pour donner une valeur déterminée à l'espacement entre les couples de bossettes qui se font face, une première solution consiste à déformer plastiquement, par voie purement mécanique, les bossettes à l'aide d'une pige constituant un gabarit.
Dans le mode de réalisation des figures 4 et 5, la pige 26 comporte un nez tronconique à extrémité arrondie destinée à faciliter l'introduction de la pige et un corps cylindrique 30 de calibrage. Toutes les cellules peuvent être simultanément calibrées en y insérant un faisceau de piges.
Cette solution a l'avantage de la simplicité. Elle a l'inconvénient qu'un effort tangentiel est appliqué sur les bossettes de grille et peut avoir un effet défavorable sur leur état de surface et sur le parallèlisme de la face d'appui de la bossette sur le crayon combustible placé dans la cellule. Cet inconvénient est facile à surmonter dans le cas d'une grille du genre montré en figure 3. Il complique la mise en oeuvre dans le cas d'une grille du genre montré en figure 2, ayant des bossettes 20,22 à deux niveaux.
La pige 26a montrée en figure 6 permet d'écarter cet inconvénient. La partie terminale de la pige 26a est fractionnée par des fentes radiales et a une forme externe cylindrique. On constitue ainsi des becs élastiques, au
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nombre de quatre lorsque la pige 26a est destinée à une grille à réseau carré (figure 8), au nombre de trois lorsque la pige est destinée à une grille à réseau triangulaire (figure 9). Dans la pige est ménagé un alésage central borgne 32 destiné à recevoir une tige 34 calibrée. Le diamètre de la tige 34 et celui de l'alésage 32 sont prévus de façon que la partie inférieure de la pige, lorsqu'elle est expansée par l'introduction de la tige 34, présente la section requise pour ajuster la saillie des bossettes à la valeur appropriée.
La mise en oeuvre du mode de réalisation de la figure 6 découle directement de la description qui vient d'en être donnée. Les piges 26a sont introduites dans les cellules de grille à calibrer. L'introduction se fait sans difficulté puisque la pige peut se contracter en réduisant l'épaisseur des fentes lorsqu'elle pénètre dans une cellule étroite. Les tiges 34 sont ensuite introduites dans les alésages 32 (flèche F sur la figure 6), ce qui amène le diamètre extérieur des-piges à la valeur de calibrage en déformant les bossettes ou les parois de la cellule.
L'élasticité résiduelle du matériau constitutif des plaquettes rend généralement nécessaire de surdimensionner légèrement les piges et les tiges de façon que, lors du retrait des piges 26a, les cellules prennent la dimension requise.
Lorsque les cellules à calibrer comportent des bossettes situées à deux niveaux, comme dans le cas illustré sur la figure 6, les fentes et l'alésage 32 doivent être suffisamment longs pour que la pige prenne une section droite circulaire aux deux niveaux, lors de l'insertion complète de la tige.
Il est possible de calibrer les cellules d'une même grille en plusieurs fois. Il est cependant préférable, pour que le pas de répartition des cellules reste égal sur toute la grille 10, de calibrer simultanément toutes les cellules en utilisant un nombre de piges 26 ou 26a égal au nombre de
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cellules à calibrer. Des cales cylindriques peuvent être placées dans les cellules destinées à recevoir des tubes guides, afin d'éviter la déformation de ces dernières lors de l'insertion des piges.
Comme le montre la figure 7, le calibrage peut être réalisé sur une presse mécanique ou hydraulique ou sur un balancier dont le plateau fixe 36 porte par exemple les piges 26a tandis que le plateau mobile 38 porte les tiges 34.
Pour éviter un gonflement transversal de la grille lors de la déformation plastique des bossettes, il est avantageux de placer la grille 10 dans un cadre 40 ayant une ouverture centrale dont les dimensions sont les dimensions maximales tolérées pour l'enveloppe de grille.
Le retrait élastique des plaquettes lors de l'extraction des piges 26 ou 26a réduit alors légèrement l'enveloppe et permet de dégager le cadre.
Une seconde solution consiste à utiliser la faculté des matériaux qui sont utilisés en général pour constituer les grilles n'ayant pas de fonction de supportage, à fluer sous l'effet d'une contrainte mécanique associée à une température suffisante.
Pour cela, comme indiqué en figure 9, des piges cylindriques 26b, par exemple portées par un plateau 36b, sont insérées dans les cellules puis leurs parties terminales sont centrées à l'aide d'un second plateau 38b. Ces piges ont un diamètre déterminé en fonction des dimensions à donner aux cellules de grille après calibrage. Ce diamètre dépend du matériau de la grille et de la température de traitement thermique retenu, qui fixent le retrait lors de l'enlèvement des piges. Comme dans le cas des figures 4 à 7, les plaquettes sont initialement constituées de façon que la distance entre bossettes après assemblage des plaquettes en une grille soit inférieure à la dimension à réaliser. Un jeu J est prévu pour absorber les dilatations thermiques.
Dans ce cas comme dans le cas précédent, il est
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avantageux de calibrer simultanément toutes les cellules et, pour éviter les déformations parasites globales dues au cyclage thermique, de maintenir la grille dans un cadre 40 au cours du fluage.
Les conditions de fluage dépendent évidemment de la nature du matériau constitutif des grilles. En particulier, la température à laquelle il faut porter les grilles, la durée de maintien en température et l'atmosphère dans laquelle s'effectue le traitement sont choisis de façon qu'il y ait fluage thermique, sans altération de la structure métallurgique pour le matériau. Lorsque par exemple la grille est constituée en alliage de zirconium tel que le"zircaloy 4"on peut obtenir des résultats satisfaisants en maintenant la grille à une température comprise entre 400 et 475 De pendant une durée allant de 1h à 2h30, dans une atmosphère protectrice. Dans ces conditions il ne sera en général pas nécessaire de soumettre les grilles à un nouveau traitement thermique après fluage.
Enfin une troisième solution, utilisable lorsque les bossettes sont massives, consiste à usiner la grille pour que l'intervalle entre les bossettes laisse susbsister un jeu de passage des crayons. Cette solution est notamment utilisable quand la grille est constituée par usinage global d'une plaque métallique massive. La grille peut alors être réalisée par moulage sous pression, puis usinage limité à la surface des bossettes. La figure 10 montre schématiquement, à titre d'exemple, une cellule d'une grille constituée de plaquettes entrecroisées 12c et 14c, soudées à leur intersection, et munies de bossettes 24c en forme de bouton massif.
Etant donné que de très faibles quantités de matière sont enlevées (environ 0,1 mm sur une largeur de 2 à 3 mm dans un cas représentatif) les quatre bossettes d'une même cellule peuvent être simultanément usinées par enlèvement de copeaux par brochage ou par électro-érosion à l'aide d'un outil en forme 42. On peut également utiliser
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l'usinage mécanique par fraisage ou alésage et l'électro- érosion par fil.
Dans le cas illustré en figure 11, la grille est massive et les bossettes 24d sont d'une seule pièce avec elle. L'usinage peut être effectué par le même procédé que ci-dessus. On peut également utiliser un outil en forme à enveloppe circulaire 44 qui a l'avantage de donner des surfaces d'appui épousant mieux la forme de la gaine du crayon combustible et donc d'offrir une section de contact entre crayons et bossettes plus importante, ce qui réduit le risque d'usure.
L'invention ne se limite pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemple et en particulier elle serait applicable à des formes de bossettes très variées, différent aussi bien des bossettes en pont du genre montré en figures 1 à 9 que des bossettes massives montrées en figures 10 et 11.