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Réacteur nucléaire.
.La présent invention concerne des réacteurs nucléaires et, notamment, un réacteur nucléaire comportant un noyau formé de montages combustibles polygonaux allonges, dans lequel des montages combustibles adjacents sont espacés latéralement les uns des autres par des butées de contact prévues sur ces monta- ges, des lames en matière servant à régler la réactivité peuvent- être introduites dans les intervalles séparant les montages com- bustibles, et les butées comprennent des nervures qui s'étendent dans le sens longitudinal des montages combustibles, ces nervures servant également 'à freiner l'écoulement latéral du fluide hors de ces intervalles.
Une construction de réacteur nucléaire suivant l'invention sera décrite ci-après avec référence aux dessins annexés dans les- quels:
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la Fig. 1 est une coupe verticale du noyau du réacteur la Fig. 2 est une vue en plan schématique du noyau; la Fige 3 est une coupe transversale, à plus grande éch@ le et décalée angulairement, du montage combustible supérieur gauche (portant le chiffre III) de la Fig. 2 et montre des parties le montages combustibles adjacents, et la Fig. 4 est une coupe d'un détail de la Fig. 3.
Le réacteur dont la description suit est un réacteur à eau sous pression de construction monobloc. Le réacteur com- prend un noyau nucléaire placé dans la partie inférieure d'une cuve à pression, un échangeur de chaleur dans la partie supérieure de la cuve, des pompes de circulation et un circuit pour faire passer de l'eau naturelle sous pression dans le noyau pour en extraire de la chaleur, puis dans un échangeur de chaleur pour l'amener à abandonner sa chaleur au profit d'un agent de refroi- dissement secondaire contenu dans l'échangeur de chaleur, et un pressuriseur servant à maintenir l'eau à une pression suffisante pour l'empêcher d'entrer en ébullition. Pendant son passage dans le noyau, l'eau sert de modérateur neutronique ainsi que d'agent de refroidissement.
La réactivité du noyau est commandée par une combinaison des effets de la température de l'eau dans le noyau, du'déplacement des lames absorbant les neutrons par rapport au noyau, et de l'épuisement des poisons consumables incorporés dans le noyau. L'utilisation dq poisons consumablcs pour maîtriser les variations de la réactivité est une technique classique - consistant à incorporer de petites quantités de matières absor- bant les neutrons dans le noyau d'un réacteur. Cette matière agit à la façon d'un poison en soustrayant des neutrons du noyau et en diminuant ainsi sa réactivité. Mais la matière s'épuise ou se consume en absorbant des neutrons de sorte que son effet di- minue pendant la vie du noyau.
L'invention tend à faire correspon- dre l'épuisement du poison-consumable dans le noyau avec l'épuise- ment du combustible de sorte que la réactivité totale du noyau reste en substance.inchangée pendant toute là vie utile du noyau;
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cet objectif est difficile à atteindre en pratique.
Le réacteur nucléaire (Figures 1 et 2) a la forme d'un robuste bâti cylindrique contenant 19 montages combustibles allongés de section hexagonale. Le bâti; du noyau comprend une plaque de fond 11, une paroi cylindrique 12 qui se dresse sur la plaque de fond, une bride 13 qui fait saillie vers l'in- térieur depuis l'extrémité supérieure de la paroi, et un cou- vercle 14 boulonné à la bride. Le bâti du noyau est en substance étanche à l'eau, à part des ouvertures circulaires 15 et des fentes 16 ménagées dans le couvercle et la plaque de fond.
L'eau qui est introduite dans le bâti du noyau par les ouver- tures et les fentes ménagées dans la plaque de fond sort par les ouvertures et les fentes ménagées dans le couvercle. Cha- que montage combustible 17 comprend une cellule hexagonale 18 dans laquelle une grille de support inférieure 19 supporte 169 aiguilles 21,dont 151 contiennent du combustible nucléaire sous forme d'oxyde d'uranium et les 18 restantes contiennent du poison consumable sous forme de borure de zirconium dispersé dans du zirconium; chaque aiguille de poison est gainée d'un'al- liage de zirconium et chaque aiguille combustible est gainée d'acier inoxydable. Comme le montrent les dessins, les aiguilles 21 sont espacées les unes des autres,avec leurs axes longitudinaux parallèles.
Cinq grilles d'espacement 22, espac@es le long des aiguilles combustibles,maintiennent les aiguilles espacées les unes des autres ainsi que de la cellule. A l'extrémité inférieure de chaque montage combustible, un embout inférieur comprend un cou- ' vercle 23,avec une tubulure centrale creuse 24 qui porte des anneaux d'étanchéité extérieurs 25, Lorsque chaque montage combustible est placé verticalement dans le bâti du noyau, sa tubulure 24. est enga- gée dans une des ouvertures 15 ménagées dans la plaque de fond.avec laquelleelle forme un joint étanche à l'eau.
A l'extrémité supérieu- re de chaque montage combustible, un embout supérieur comprend un
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couvercle 26 pourvu d'une tubulure centrale creuse 27 qui porte un pas de vis extérieur interrompu. Un écrou 28 comportant un pas de vis intérieur coopérant interrompu, est vissé sur la tubulure 27 lorsque cette tubulure fait saillie à travers une ouverture ménagée dans le couvercle; le serrage de cet écrou attire le montage combustible vers le haut fermement en contact avec le couvercle. L'écrou 28 porte une bague 29 qui peut être déformée dans des évidements ménagés dans la tubulure 27 pour bloquer l'é- crou par rapport à cette tubulure.
Des lames de commande 31 en matière absorbant les neutrons sont suspendues à des barres 32 du mécanisme de commande,,de manière à être axialement mobiles entre les montages combustibles; les lames sont ntroduites par les fentes
16 ménagées dans le couvercle supérieur. Chaque barre 32 porte trois lames 31 qui sont groupées çu réunies pour former un élément de commande en Y (Fig. 2); de même, les fentes 16 sont réunies en groupes de trois pour recevoir les éléments de commande. Ces éléments de commande sont refroidis par une circulation d'eau limitée passant par les fentes 16 ménagées dans le couvercle et la plaque de fond du noyau.
Dans chaque montage combustible, les aiguilles de poison consumable sont placées à la périphérie ; cet agencement a l'avantage que les crêtes du flux neutronique qui se font sentir dans les inter valles de circulation d'eau séparant les montagescombustibles sont dim nuées par la présence du poison voistn. De plus, des aiguilles . de poison consumable choisies servent à supporter les grilles d'es- pacement 22 de manière à les empêcher de se déplacer axialement.
Dans le montage représenté sur la Fig. 3, des aiguilles combustible
21a (représentées non hachurées) sont disposées en triangle avec un écartement de 1,8 cm. A la périphérie du montage combustible, douze aiguilles de poison consumable 21b (représentées mi-hachurées sont libres de coulisser dans des grilles d'espacement comme décrit ci-après, tandis que six aiguilles de poison consumable 21c (entiè- rement hachurées) sont fixées aux grilles.
Les grilles despace-
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ment 22 comprennent chacune une grille formée de lames d'acier inoxydable assemblées pour former des alvéoles hexagonaux 33 traversés par les aiguilles de combustible ou de poison consuma- ble et des bagues d'espacement élastiques 34 sont fixées a la
Grille pour venir en contact avec les aiguilles et pour les centrer dans les alvéoles. A-la périphérie du montage combustible, les lames formant la grille sont fixées à une bande périphérique 20 qui peut être glissée dans la cellule 18 du montage combustible.
Des organes d'espacement périphériques 35 sont fixés à la cellule
18 pour remplacer les bagues d'espacement à la périphérie du montage.
Chaque grille d'espacement est maintenue dans le montage combustible à des endroits axialement espacés,par suite de sa fixa- tion aux six aiguilles de poison consumable 21c. Le procédé con- sistant à fixer ces aiguilles à la grille est représenté en détail sur la Fig. 4. Chaque aiguille 21c pénètre dans un alvéole 33 de la grille et est maintenue par trois bagues 34 (dont une est repré- sentée en traits interrompus). Une virole 35 est soudée à la gaine
36 de l'aiguille 21c et un disque 37 est soudé à une extrémité de la virole. Lorsque la grille est mise en place de manière à porter contre le disque 37, un second disque 38 est glissé sur l'aiguille 21c et est soudé à la virole 35.
Celà étant, l'alvéole
33 de la grille est serré entre deux disques 37,38 montés sur l'ai- guille 21c. La virole 35 et les disques 37, 38 sont en unalliage de zirconium semblable à celui de la gaine 36; aucune soudure à la grille d'acier inoxydable n'est requise. Les aiguilles de pois consumable restantes 21b et les aiguilles combustibles 21a peuvent coulisser axialement dans les grilles d'espacement 22. Néanmoins, toutes les aiguilles du montage combustible sont espacées les unes des autres latéralement par les grilles 22 et les aiguilles.combus- tibles 21a ne sont ainsi jamais soumises à des contraintes excessi- ves.
Afin d'espacer les montages combustibles adjacents latéra lement les uns des autres, des nervures 39 (fig. 3) en alliage de
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zirconium sont soudées à des coins choisis de la cellule hexagonale
18 qui est également en alliage de zirconium. Dans un montage combustible centrale ces nervures sont soudées à un coin sur deux de la cellule mais cette disposition régulière est délibérément modifiée pour les montages combustibles périphériques tels que le montage représenté en entier sur la Fig. 3.Ces nervures servent d' une part de butées d'angle 41 et d'autre part d'éléments de guidage
41a là o il le faut.
Les butées 41 de montages combustibles adja- cents viennent mutuellement en contact lorsque les montages sont in- troduits dans le noyau et assistent l'action de maintien des' embouts d'extrémité du montage combustible. Le contact mutuel des butées d' angle sert également à empêcher les montages combustibles de tourner dans le noyau et à déterminer et maintenir les dimensions des intervalles remplis d'eau 42 entre les montages combustibles adja- cents, malgré t@@te tendance qu'auraient les montages à se déformer pendant le fonctionnement du réacteur. Les lames 31 des éléments de commande en Y peuvent coulisser dans certains de ces intervalles 42.
L'alignement de ces lames est assisté par des garnitures 43 en alliage de zirconium qui ont la forme de rivets fixés dans des lattes d'acier inoxydable 44 rapportées aux lames. Ces garnitures 43 portent contre les éléments de guidage 41a qui sont formés . par des prolongements des nervures là où il le faut. Par suite de l'identité des matières des garnitures et des éléments de guidage, la corrosion à la ligne de contact ou de coopération entre les garnitures et les éléments de guidage est ramenée à un niveau tolérable.
Une autre fonction des nervures est de freiner l'écoule- ment latéral du fluide hors des intervalles 42 et en particulier un écoulement latéral pénétrant dans le réflecteur périphérique 45 du noyau (Fig. 2) à partir des intervalles périphériques 42 qui ne contiennent pas de lames de commande. Le réflecteur 45 et tous les intervalles sont remplis d'eau de refroidissement pendent que le réacteur fonctionne mais une circulation d'eau
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excessive dans ces intervalles représente un gaspillage de l'éner- gie de pompage de l'agent de refroidissement.
Les fentes 16 ménagées dans la plaque de fond sont dimensionnées de manière à provoquer une circulation d'agent de refroidissement dans les intervalles qui est suffisante pour refroidir les lames de commande y contenues.
Aucune fente ou ouverture dans la plaque de fond n'est prévue en dessous des intervalles qui ne contiennent pas de lame de com- mande ou en dessous du réflecteur 45, de sorte que la circulation dans ces intervalles est fortement diminuée. Afin de maintenir ce schéma de circulation dans les intervalles dans le réflecteur, les butées 41 sont façonnées de manière que leur contact mutuel freine la circulation latérale,de l'agent de refroidissement entre les intervalles et en particulier la circulation latérale allant des intervalles périphériques 42 dans le réflecteur 45 du noyau, qui procurerait autrement une dérivation permettant à l'agent de refroidissement de contourner le noyau.
Les butées 41 s'étendent sur toute la longueur des cellules 18 des montages combustibles et chaque butée 41 comporte deux surfaces de butée d'angle extérieures qui sont respectivement parallèles aux deux côtés de la cellule 18 formant le coin auquel la nervure particulière 39 est fixée. Pour des intervalles non périphériques 42, trois butées 41 (une sur cha- cun de trois coins adjacents de trois cellules adjacentes) viennent en contact à leurs surfaces de butée pour former une branche de l'intervalle en Y 42, cette branche contenant une lame 31 de l'é- .lément de commande en Y.
Pour les intervalles périphériques 42, - tels que ceux représentés en haut à droite sur la Fig. 3, deux butées 41 (une sur chacun de deux coins adjacents de deux cellules adjacentes) viennent en contact à leurs surfaces de butée pour dé- limiter l'extrémité extérieure de l'intervalle 42 qui ne contient pas, de lame de commande 31.
En considérant une des nervures 39, on peut voir qu'elle comporte deux prolongements angulaires formant des bandes de guidage 41a qui sont chacune parallèles à un des deux cotés formant le coin
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de-la cellule auquel la nervure est fixée. Les bandes de gui- dage s'étendent avantageusement sur toute la longueur des cellules
18. L'effet d'étanchéité obtenu par le contact des surfaces de contact de butées adjacentes 41 est suffisant pour limiter effica. cement la circulation latérale de l'agent de refroidissement et l'absence de tout assemblage positif des montages entre eux assure qu'un montage puisse être retiré du noyau, s'il le faut, sans déranger les montages restants du noyau.
Les butées 41 sont placées tout autour de la périphérie du noyau pour freiner la circulation latérale de l'agent de refroidissement du noyau vers le réflecteur 45 et les nervures 39 sont réunies directement à la surface extérieure des cellules 18 des montages combustibles plutôt qu'aux parois de récipients formant des chambres destinées aux montages combustibles. On obtient ainsi une construction de noyau perfectionnée qui permet de gagner de la place et à laquelle suffit une construction de support moins importante pour le noyau en matière absorbant les neutrons.
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Nuclear reactor.
The present invention relates to nuclear reactors and, in particular, to a nuclear reactor comprising a core formed of elongate polygonal fuel assemblies, in which adjacent fuel assemblies are laterally spaced from each other by contact stops provided on these assemblies, blades of material for adjusting the reactivity may be inserted into the gaps between the fuel assemblies, and the stops include ribs which extend longitudinally of the fuel assemblies, these ribs also serving to brake the lateral flow of fluid outside of these intervals.
A construction of a nuclear reactor according to the invention will be described below with reference to the accompanying drawings in which:
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Fig. 1 is a vertical section of the core of the reactor in FIG. 2 is a schematic plan view of the core; Fig. 3 is a cross section, on a larger scale and angularly offset, of the upper left fuel assembly (marked with the numeral III) of FIG. 2 and shows parts of the adjacent fuel assemblies, and FIG. 4 is a sectional view of a detail of FIG. 3.
The reactor whose description follows is a pressurized water reactor of monobloc construction. The reactor comprises a nuclear core placed in the lower part of a pressure vessel, a heat exchanger in the upper part of the vessel, circulation pumps and a circuit for passing natural water under pressure through the reactor. the core to extract heat from it, then in a heat exchanger to cause it to give up its heat for the benefit of a secondary cooling agent contained in the heat exchanger, and a pressurizer used to maintain the water at sufficient pressure to keep it from boiling. During its passage through the nucleus, water acts as a neutron moderator as well as a cooling agent.
The reactivity of the nucleus is controlled by a combination of the effects of the temperature of the water in the nucleus, the displacement of the neutron absorbing laminae from the nucleus, and the depletion of the consumable poisons incorporated in the nucleus. The use of consumable poisons to control variations in reactivity is a classic technique - of incorporating small amounts of neutron absorbing material into the core of a reactor. This material acts like a poison by subtracting neutrons from the nucleus and thus reducing its reactivity. But matter is exhausted or consumed by absorbing neutrons so that its effect decreases during the life of the nucleus.
The invention seeks to match the depletion of the consumable poison in the nucleus with the depletion of the fuel so that the total reactivity of the nucleus remains substantially unchanged throughout the useful life of the nucleus;
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this goal is difficult to achieve in practice.
The nuclear reactor (Figures 1 and 2) has the shape of a sturdy cylindrical frame containing 19 elongated fuel assemblies of hexagonal cross section. The built; of the core comprises a bottom plate 11, a cylindrical wall 12 which rises on the bottom plate, a flange 13 which projects inwardly from the upper end of the wall, and a bolted cover 14 under cover of. The core frame is substantially watertight apart from the circular openings 15 and slits 16 in the cover and bottom plate.
Water which is introduced into the frame of the core through the openings and slits in the bottom plate exits through the openings and slits in the cover. Each fuel assembly 17 comprises a hexagonal cell 18 in which a lower support grid 19 supports 169 needles 21, of which 151 contain nuclear fuel in the form of uranium oxide and the remaining 18 contain consumable poison in the form of boride. zirconium dispersed in zirconium; each poison needle is sheathed with a zirconium alloy and each combustible needle is sheathed with stainless steel. As shown in the drawings, the needles 21 are spaced apart from each other, with their longitudinal axes parallel.
Five spacer grids 22, spaced along the fuel pins, keep the pins spaced from each other as well as from the cell. At the lower end of each fuel assembly, a lower end includes a cover 23, with a hollow central tubing 24 which carries outer sealing rings 25. When each fuel assembly is placed vertically in the core frame, its tubing 24 is engaged in one of the openings 15 in the bottom plate with which it forms a watertight seal.
At the top end of each fuel assembly, a top end cap includes a
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cover 26 provided with a hollow central tube 27 which carries an interrupted external screw thread. A nut 28 comprising an interrupted cooperating internal screw thread is screwed onto the pipe 27 when this pipe projects through an opening made in the cover; tightening this nut pulls the fuel assembly upward firmly in contact with the cover. The nut 28 carries a ring 29 which can be deformed in the recesses formed in the pipe 27 to block the nut with respect to this pipe.
Control blades 31 made of neutron absorbing material are suspended from bars 32 of the control mechanism, so as to be axially movable between the fuel assemblies; the blades are introduced through the slots
16 in the upper cover. Each bar 32 carries three blades 31 which are grouped together to form a Y-shaped control element (Fig. 2); likewise, the slots 16 are joined together in groups of three to receive the control elements. These control elements are cooled by a limited circulation of water passing through the slots 16 formed in the cover and the base plate of the core.
In each fuel assembly, consumable poison needles are placed on the periphery; this arrangement has the advantage that the peaks of the neutron flux which are felt in the water circulation intervals separating the fuel assemblies are dimmed by the presence of the poison present. In addition, needles. of consumable poison selected serve to support the spacer grids 22 so as to prevent them from moving axially.
In the assembly shown in FIG. 3, fuel needles
21a (shown not hatched) are arranged in a triangle with a spacing of 1.8 cm. At the periphery of the fuel assembly, twelve consumable poison needles 21b (shown half hatched are free to slide in spacer grids as described below, while six consumable poison needles 21c (fully hatched) are attached. to the gates.
The space grids
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22 each include a grid formed of stainless steel blades assembled to form hexagonal cells 33 through which the needles of fuel or consumable poison pass, and resilient spacers 34 are attached to the
Grid to come into contact with the needles and to center them in the cells. At the periphery of the fuel assembly, the blades forming the grid are fixed to a peripheral strip 20 which can be slid into the cell 18 of the fuel assembly.
Peripheral spacers 35 are attached to the cell
18 to replace the spacers at the periphery of the assembly.
Each spacer grid is held in the fuel assembly at axially spaced locations as a result of its attachment to the six consumable poison needles 21c. The method of attaching these needles to the grid is shown in detail in FIG. 4. Each needle 21c enters a cell 33 of the grid and is held by three rings 34 (one of which is shown in broken lines). A ferrule 35 is welded to the sheath
36 of the needle 21c and a disc 37 is welded to one end of the ferrule. When the grid is in place so as to bear against the disc 37, a second disc 38 is slipped over the needle 21c and is welded to the ferrule 35.
That being the case, the alveolus
33 of the grid is clamped between two discs 37,38 mounted on the needle 21c. The ferrule 35 and the discs 37, 38 are made of a zirconium alloy similar to that of the sheath 36; no welding to the stainless steel grid is required. The remaining consumable pea needles 21b and fuel needles 21a can slide axially in the spacer grids 22. However, all of the fuel assembly needles are laterally spaced from each other by the grids 22 and the fuel needles 21a. are thus never subjected to excessive constraints.
In order to space the adjacent fuel assemblies laterally from one another, ribs 39 (fig. 3) made of an alloy of
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zirconia are welded to selected corners of the hexagonal cell
18 which is also made of a zirconium alloy. In a central fuel assembly these ribs are welded to every other corner of the cell, but this regular arrangement is deliberately modified for peripheral fuel assemblies such as the assembly shown in full in FIG. 3 These ribs serve on the one hand as angle stops 41 and on the other hand as guide elements.
41a where it's needed.
The abutments 41 of adjacent fuel assemblies contact each other when the assemblies are inserted into the core and assist in the holding action of the end caps of the fuel assembly. The mutual contact of the angle stops also serves to prevent the fuel assemblies from rotating in the core and to determine and maintain the dimensions of the water-filled gaps 42 between the adjacent fuel assemblies, despite the tendency that would have the assemblies to deform during operation of the reactor. The blades 31 of the Y-shaped control elements can slide in some of these intervals 42.
The alignment of these blades is assisted by zirconium alloy fittings 43 which have the form of rivets fixed in stainless steel slats 44 attached to the blades. These linings 43 bear against the guide elements 41a which are formed. by extensions of the ribs where necessary. As a result of the identity of the materials of the linings and the guide elements, corrosion at the line of contact or cooperation between the linings and the guide elements is reduced to a tolerable level.
Another function of the ribs is to slow the lateral flow of fluid out of the gaps 42 and in particular a lateral flow entering the peripheral reflector 45 of the core (Fig. 2) from the peripheral gaps 42 which do not contain any control blades. Reflector 45 and all intervals are filled with cooling water while the reactor is operating but water is circulating
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excessive in these intervals is a waste of the cooling medium pumping energy.
The slots 16 formed in the bottom plate are dimensioned so as to cause a circulation of cooling agent in the intervals which is sufficient to cool the control blades contained therein.
No slits or openings in the bottom plate are provided below the gaps which do not contain a control blade or below the reflector 45, so that circulation in these gaps is greatly reduced. In order to maintain this pattern of circulation in the gaps in the reflector, the stops 41 are shaped so that their mutual contact restricts the lateral circulation, of the coolant between the gaps and in particular the lateral circulation going from the peripheral gaps 42 in the reflector 45 of the core, which would otherwise provide a bypass allowing the coolant to bypass the core.
The stops 41 extend the entire length of the cells 18 of the fuel assemblies and each stop 41 has two outer corner stop surfaces which are respectively parallel to both sides of the cell 18 forming the corner to which the particular rib 39 is attached. . For non-peripheral gaps 42, three stops 41 (one on each of three adjacent corners of three adjacent cells) come into contact at their stop surfaces to form a branch of the Y-shaped gap 42, this branch containing a blade. 31 of the Y-shaped control element.
For peripheral intervals 42, - such as those shown at the top right in FIG. 3, two stops 41 (one on each of two adjacent corners of two adjacent cells) come into contact at their stop surfaces to limit the outer end of gap 42 which does not contain a control blade 31.
By considering one of the ribs 39, it can be seen that it has two angular extensions forming guide strips 41a which are each parallel to one of the two sides forming the wedge.
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of - the cell to which the rib is attached. The guide strips advantageously extend over the entire length of the cells.
18. The sealing effect obtained by the contact of the contact surfaces of adjacent abutments 41 is sufficient to limit effica. The lateral circulation of the coolant and the absence of any positive assembly of the mounts between them ensures that an assembly can be removed from the core, if necessary, without disturbing the remaining mountings of the core.
The stops 41 are placed all around the periphery of the core to slow the lateral flow of coolant from the core to the reflector 45 and the ribs 39 are joined directly to the outer surface of the cells 18 of the fuel assemblies rather than at the ends. walls of containers forming chambers intended for fuel assemblies. This results in an improved core construction which saves space and which requires a smaller support construction for the nucleus of neutron absorbing material.