Assemblage combustible pour réacteurs nucléaires refroidis au gaz
La présente invention se rapporte aux assemblages combustibles
pour réacteurs nucléaires, et plus particulièrement aux assemblages pour
réacteurs refroidis au gaz.
Dans son brevet principal la demanderesse a proposé un assemblage
qui est constitué de lits de particules sphériques, parcourus par un débit
vertical du réfrigérant et superposés de façon à former entre eux un espace
destiné à l'écoulement du gaz réfrigérant. Divers modes de réalisation
d'un tel assemblage ont été décrits. Il a été remarqué que pour certaines utilisations il peut être opportun de prévoir une structure spéciale des lits
de façon qu'ils puissent résister à des températures très élevées.
L'assemblage selon le présent perfectionnement est caractérisé en
ce que la partie sortie du réfrigérant d'un ou plusieurs lits est constituée d'une structure céramique. De préférence les autres parois de ces lits seront recouvertes d'une isolation thermique.
Un mode de mise en application d'un assemblage selon le présent perfectionnement est décrit ci-après, en se référant aux figures jointes
qui représentent :
- la figure 1 une coupe longitudinale montrant une partie du coeur'd'un assemblage du type de celui représenté à la figure 4 du brevet principal
- la figure 2 une coupe selon la ligne II - II de la figure 1
- la figure 3 un détail d'une forme de réalisation particulière suivant la figure 1. La figure 1 représente un lit, dont la disposition générale est similaire à celle représentée sur la figure 4 du brevet principal, sauf que le fluide réfrigérant parcourt le lit de haut en bas.
Une structure d'acier-1 constitue la partie supérieure et la paroi extérieure du lit. Un tube de céramique 2 constitue la paroi intérieure chaude, et une grille annulaire 3 en céramique forme la base du lit. Le réfrigérant pénètre par l'entrée annulaire 4, formée par les plaques d'acier annulaires 5 et 6, et passe dans le lit par les perforations 7 de la plaque 5. Il sort du lit par la grille de céramique 3 vers la sortie radiale annulaire 8, formée par la grille 3 et la plaque 9. Le gaz s'échappe par la sortie annulaire 10, en faisant un angle de 15-20[deg.] avec la direction verticale du réfrigérant dans le conduit central chaud 11.
La paroi d'acier 1 et la plaque 6 sont pourvues d'une isolation thermique 12 faite d'un matériau composé de fibre céramique. En cours de fabrication, ce matériau est légèrement fixé à sa place à l'aide d'une résine thermo-durcissable. Cette fibre céramique est fournie sous une forme qui rappelle le papier absorbant ; elle se compose d'alumine et de dioxyde de silicium en proportions à peu près égales, avec des traces d'autres céramiques.
Son point de fusion est 1750[deg.] C et il s'agit d'un produit bien connu dans l'industrie. La fibre fixée sur la plaque 6 est protégée de l'ércsion et
de la pénétration par le gaz par la plaque 9. Celle-ci serait épaisse
d'environ 0.4 mm et faite d'un métal réfractaire tel le niobium, cependant
l'on pourrait aussi bien employer une plaque de protection en céramique.
En service, la fibre fixée sur la plaque 1 est maintenue à sa place par le
lit de particules enrobées ; sa surface en contact avec les particules peut être renforcée, si nécessaire, par enduction d'un ciment réfractaire ou par vaporisation d'une céramique. Ces deux techniques sont bien connues dans l'industrie.
La plaque 9 est maintenue à sa place par son bord extérieur sous
la grille 3, et par son bord intérieur sous le tube 2. Elle peut être renforcée par des cannelures radiales embouties.
Dans certaines zones de la structure froide, on peut pratiquer dans les plaques 1 et 6 des perforations ou des fentes locales, de façon à permettre la diffusion de gaz froid vers l'acier et l'isolation céramique intérieure, pour améliorer le refroidissement de l'acier. On peut aussi pratiquer des fentes locales dans certaines zones critiques pour réduire, si nécessaire,
les tensions thermiques.
La grille 3 (Fig. 2) se compose d'un certain nombre de barreaux
de céramique 13. Ceux-ci sont de hauteur uniforme, mais présentent une extrémité 14 en forme de T. La largeur de chaque barreau varie légèrement de sorte que dans le plan horizontal ils ont la forme de trapèzes très allongés.
Des bossages 15 garnissent l'un des cotés de façon à créer l'espacement requis de 0.6 à 0.7 mm avec le barreau adjacent. La section en T à l'extrémité extérieure du barreau sert à le stabiliser en même temps qu'elle assure la localisation de cette extrémité. Les barreaux s'appuient à leur extrémité intérieure sur le rebord 16 du tube céramique 2.
Ce dessin particulier de la grille comporte les avantages suivants :
- les pièces peuvent être formées individuellement par moulage avant durcissage. Ceci fournit une structure bien homogène et de dimensions précises ; - il n'est pas nécessaire de pratiquer des perforations puisque l'espace pour l'écoulement du gaz est automatiquement formé par les bossages moulés, sauf pour les barreaux plus longs dans lesquels des fentes 19 sont formées ;
- chaque barreau est libre de se dilater indépendamment des autres, dans toutes les directions.
Ceci élimine dans la grille les contraintes globales qui, autrement, seraient engendrées par des points chauds locaux dans le gaz ;
- les barreaux étant simplement appuyés à leurs extrémités, la configuration des contraintes est simple et facile à calculer ;
- l'effort primaire se fait en flexion et les barreaux peuvent, si nécessaire, être individuellement soumis à un essai de charge en flexion pour l'assurance de qualité ;
- l'utilisation de barreaux indépendants rend superflu l'usinage précis du rebord 16 du tube 2. De même, il n'est pas nécessaire de préparer la surface de la plaque 9 sur laquelle s'appuient les extrémités extérieures des barreaux.
Chaque barreau prendra indépendamment un appui ferme, tout en partageant également avec les autres le poids du lit de combustible ;
- on évite le frottement entre le tube 2 et les barreaux 13, car ceux-ci peuvent pivoter individuellement autour de leur extrémité 14.
En cours d'assemblage, la-grille est formée en deux moitiés par collage provisoire des barreaux. Ces deux moitiés sont ensuite montées à leur place. Le tube 2 est tenu par les forces de pression, dirigées vers le bas, et par le poids des particules enrobées. Cette charge est reportée sur le tube par les barreaux 13 de la grille 3 prenant appui sur le rebord 16. Cette force assure le joint d'étanchéité entre la collerette 17 du bord supérieur du tube et le rebord 18 formé par les plaques d'acier 5 et 6. Ce joint peut être amélioré grâce à une céramique durcissable placée sous forme de mastic en cours de montage.
La face extérieure du tube 2, c'est-à-dire coté particules, de même que le rebord 18, peuvent recevoir par vaporisation une couche de céramique isolante - dioxyde de zirconium, par exemple - jusqu'à une épaisseur de 1 mm.
Ceci peut s'avérer nécessaire pour réduire le gradient axial de température dans le tube 2, et donc les contraintes qui en résultent ; de plus cela permettrait de minimiser la température de l'acier au rebord 18. Ce rebord 18 sera refroidi par le gaz pénétrant dans le lit et par les fuites de gaz entre le rebord 18 et la collerette 17.
Comme dans tout assemblage de combustible, il faut s'assurer qu'une surchauffe provoquant la fusion d'une partie, ou de l'entièreté, du combustible de l'assemblage, n'entraîne pas une situation semblable dans les assemblages adjacents et une propagation générale dans tout le coeur.
Dans le système proposé, ce principe de restriction d'un assemblage fondu à l'intérieur de ses limites géométriques propres, est respecté en concevant le tube céramique 2 de façon telle qu'il se désintègre à une tempé-
<EMI ID=1.1>
carbure de silicium ne fond pas en dessous de quelque 2700[deg.] C. Au cas où
plus aucun refroidissement ne serait assuré dans le coeur, tous les assemblages de coeur fondraient, et le problème de propagation latérale n'existe pas. Ce problème ne se pose que dans le cas d'un défaut, ou d'un blocage de l'écoulement, dans un assemblage isolé, mais le reste du coeur sera toujours refroidi.
On peut alors montrer que, même si la température du gaz à la sortie
<EMI ID=2.1>
effective des composants d'acier sera bien inférieure, grâce à l'écran constitué par l'isolation thermique en céramique entre le gaz chaud et le combustible d'une part, et le métal de l'autre, en plus de l'effet refroidissant de l'écoulement de gaz. Toutefois, le tube de céramique 2 atteindra la température des gaz chauds, puisque ses deux faces y sont exposées. C'est pourquoi la partie inférieure du tube 2, y compris le rebord 16, est détachable du reste, de façon à permettre au combustible surchauffé de s'échapper par le conduit central, avant que la structure d'acier n'ait pu atteindre des températures dangereuses.
Suivant une forme particulière de l'invention (Fig. 3), la partie inférieure du tube 2 est divisée en huit pièces 20, rattachées à la partie supérieure par des languettes verticales 21 à l'aide d'une soudure de silicium qui fond à 1400[deg.] C. Le joint vertical permet aux pièces 20 de tomber verticalement hors de leur logement, mais elles sont aussi libres de pivoter vers l'intérieur du fait que les joints verticaux peuvent former un petit angle
(par exemple de 20[deg.]) avec la direction radiale. On notera que la grille 3
est totalement flexible de sorte que la charge verticale appliquée fera pivoter les barreaux 13 autour de leur extrémité en T et que, lors de la fusion de la soudure de silicium, les pièces 20 seront ainsi détachées du tube 2.
Ceci permet aux particules surchauffées de s'échapper de la botte
et de tomber dans le conduit axial au centre de l'assemblage et, de là, hors
du coeur. Le tube 2 peut aussi être composé de 8 pièces indépendantes soudées ensemble.
Une plaque 22, faite de gaze métallique, est librement posée au dessus du lit de combustible. Le but est d'éviter que les particules ne s'échappent par les perforations relativement importantes pratiquées dans la plaque 5 ; de plus, cette gaze amortira toute vibration qui serait induite
dans la couche supérieure de particules par l'écoulement du gaz dans le conduit radial d'entrée 4.
Chaque tube 2 est muni de bossages 23, formés près du sommet (ou près du rebord 16), pour empêcher tout déplacement vertical d'un tube, ce qui pourrait bloquer le canal de sortie 10. Il y aura normalement un espace d'environ
1 mm entre les bossages et la surface voisine.
La méthode de construction du système de bottes consiste à monter d'abord tous les conduits d'entrée 4 sur un gabarit, en respectant les espacements verticaux voulus. Les tubes 2 seront ensuite placés, puis les deux moitiés de la grille 3. Le positionnement correct des pièces de céramique peut alors être vérifié, après quoi elles sont provisoirement fixées à leurs places par collage. La plaque extérieure 1 est ensuite soudée en position, puis le lit
est rempli de particules enrobées par un trou de remplissage pratiqué dans la paroi 1.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, et que bon nombre de variantes peuvent y etre apportées. Ainsi par exemple on peut encore réduire les pertes de charge hydrauliques en adaptant le tube 2 de telle manière que le réfrigérant sorte du lit parallèlement au conduit
central 11.
On peut également suspendre les tubes 2 en haut de l'assemblage et les rattacher l'un à l'autre par une connexion du type baïonnette, soit simplement empiler les tubes les uns sur les autres.
Revendications
1. Assemblage combustible pour réacteurs nucléaires refroidis au gaz, selon
le brevet principal, caractérisé en ce que la partie sortie du réfrigérant d'un ou plusieurs lits est constituée d'une structure céramique.
Fuel assembly for gas-cooled nuclear reactors
The present invention relates to fuel assemblies
for nuclear reactors, and more particularly to assemblies for
gas-cooled reactors.
In its main patent the applicant proposed an assembly
which consists of beds of spherical particles, traversed by a flow
vertical refrigerant and superimposed so as to form a space between them
intended for the flow of refrigerant gas. Various embodiments
of such an assembly have been described. It has been noticed that for certain uses it may be advisable to provide a special structure of the beds.
so that they can withstand very high temperatures.
The assembly according to the present improvement is characterized by
that the refrigerant outlet part of one or more beds is made of a ceramic structure. Preferably, the other walls of these beds will be covered with thermal insulation.
An embodiment of an assembly according to the present improvement is described below, with reference to the accompanying figures
that represent :
- Figure 1 a longitudinal section showing part of the core of an assembly of the type of that shown in Figure 4 of the main patent
- Figure 2 a section along line II - II of Figure 1
- Figure 3 a detail of a particular embodiment according to Figure 1. Figure 1 shows a bed, the general arrangement of which is similar to that shown in Figure 4 of the main patent, except that the refrigerant flows through the bed from top to bottom.
A steel-1 structure forms the top and outer wall of the bed. A ceramic tube 2 forms the hot inner wall, and an annular ceramic grid 3 forms the base of the bed. The refrigerant enters through the annular inlet 4, formed by the annular steel plates 5 and 6, and passes into the bed through the perforations 7 of the plate 5. It leaves the bed through the ceramic grid 3 towards the radial outlet. annular 8, formed by the grid 3 and the plate 9. The gas escapes through the annular outlet 10, making an angle of 15-20 [deg.] with the vertical direction of the refrigerant in the hot central duct 11.
The steel wall 1 and the plate 6 are provided with thermal insulation 12 made of a material composed of ceramic fiber. During manufacture, this material is lightly fixed in its place using a thermosetting resin. This ceramic fiber is supplied in a form reminiscent of absorbent paper; it is composed of alumina and silicon dioxide in roughly equal proportions, with traces of other ceramics.
Its melting point is 1750 [deg.] C and it is a well known product in the industry. The fiber fixed to the plate 6 is protected from erection and
penetration by the gas through the plate 9. This would be thick
about 0.4 mm and made of a refractory metal such as niobium, however
one could as well use a ceramic protection plate.
In service, the fiber fixed to the plate 1 is held in its place by the
bed of coated particles; its surface in contact with the particles can be reinforced, if necessary, by coating with a refractory cement or by vaporizing a ceramic. These two techniques are well known in the industry.
Plate 9 is held in place by its outer edge under
the grid 3, and by its inner edge under the tube 2. It can be reinforced by stamped radial grooves.
In certain areas of the cold structure, it is possible to make local perforations or slots in plates 1 and 6, so as to allow the diffusion of cold gas towards the steel and the interior ceramic insulation, to improve the cooling of the 'steel. Local slits can also be made in certain critical areas to reduce, if necessary,
thermal stresses.
Grid 3 (Fig. 2) consists of a number of bars
ceramic 13. These are of uniform height, but have a T-shaped end 14. The width of each bar varies slightly so that in the horizontal plane they have the shape of very elongated trapezoids.
Bosses 15 line one of the sides so as to create the required spacing of 0.6 to 0.7 mm with the adjacent bar. The T-section at the outer end of the bar serves to stabilize it at the same time as it ensures the location of this end. The bars are supported at their inner end on the rim 16 of the ceramic tube 2.
This particular design of the grid has the following advantages:
- the parts can be individually formed by molding before hardening. This provides a very homogeneous structure and precise dimensions; - it is not necessary to make perforations since the space for the gas flow is automatically formed by the molded bosses, except for the longer bars in which slits 19 are formed;
- each bar is free to expand independently of the others, in all directions.
This eliminates the overall stresses in the grid which would otherwise be generated by local hot spots in the gas;
- the bars being simply supported at their ends, the configuration of the stresses is simple and easy to calculate;
- the primary force is in bending and the bars can, if necessary, be individually subjected to a bending load test for quality assurance;
- The use of independent bars makes precise machining of the rim 16 of the tube 2 superfluous. Likewise, it is not necessary to prepare the surface of the plate 9 on which the outer ends of the bars rest.
Each bar will take firm support independently, while sharing the weight of the fuel bed equally with the others;
- The friction between the tube 2 and the bars 13 is avoided, because the latter can pivot individually around their end 14.
During assembly, the grid is formed into two halves by temporarily gluing the bars. These two halves are then mounted in their place. The tube 2 is held by the pressure forces, directed downwards, and by the weight of the coated particles. This load is transferred to the tube by the bars 13 of the grid 3 resting on the rim 16. This force provides the seal between the collar 17 of the upper edge of the tube and the rim 18 formed by the steel plates. 5 and 6. This seal can be improved by a hardenable ceramic placed in the form of putty during assembly.
The outer face of the tube 2, that is to say on the particle side, as well as the rim 18, can receive by vaporization an insulating ceramic layer - zirconium dioxide, for example - up to a thickness of 1 mm.
This may prove to be necessary in order to reduce the axial temperature gradient in the tube 2, and therefore the resulting stresses; moreover, this would make it possible to minimize the temperature of the steel at the flange 18. This flange 18 will be cooled by the gas entering the bed and by the gas leaks between the flange 18 and the flange 17.
As in any fuel assembly, care must be taken to ensure that overheating causing some or all of the fuel in the assembly to melt does not result in a similar situation in adjacent assemblies and general spread throughout the heart.
In the proposed system, this principle of restricting a molten assembly within its own geometric limits is respected by designing the ceramic tube 2 in such a way that it disintegrates at a temperature.
<EMI ID = 1.1>
silicon carbide does not melt below some 2700 [deg.] C. In case
no more cooling would be provided in the core, all core assemblies would melt, and the problem of lateral propagation does not exist. This problem only arises in the event of a fault, or blockage of flow, in an isolated assembly, but the rest of the core will still be cooled.
We can then show that, even if the temperature of the gas at the outlet
<EMI ID = 2.1>
effective steel components will be much lower, thanks to the screen formed by the ceramic thermal insulation between the hot gas and the fuel on the one hand, and the metal on the other, in addition to the cooling effect of gas flow. However, the ceramic tube 2 will reach the temperature of the hot gases, since its two faces are exposed to it. This is why the lower part of the tube 2, including the rim 16, is detachable from the rest, so as to allow the superheated fuel to escape through the central duct, before the steel structure can reach dangerous temperatures.
According to a particular form of the invention (Fig. 3), the lower part of the tube 2 is divided into eight parts 20, attached to the upper part by vertical tabs 21 using a silicon solder which melts at 1400 [deg.] C. The vertical joint allows the parts to fall vertically out of their housing, but they are also free to rotate inward as the vertical joints can form a small angle.
(eg 20 [deg.]) with the radial direction. Note that grid 3
is totally flexible so that the applied vertical load will cause the bars 13 to rotate around their T-shaped end and that, when the silicon solder is fused, the parts 20 will thus be detached from the tube 2.
This allows overheated particles to escape from the boot
and fall into the axial duct in the center of the assembly and, from there, out
of the heart. Tube 2 can also be made up of 8 independent pieces welded together.
A plate 22, made of metallic gauze, is loosely placed above the bed of fuel. The aim is to prevent the particles from escaping through the relatively large perforations made in the plate 5; in addition, this gauze will damp any vibration that may be induced
in the upper layer of particles by the flow of gas in the radial inlet duct 4.
Each tube 2 is provided with bosses 23, formed near the top (or near the rim 16), to prevent any vertical displacement of a tube, which could block the outlet channel 10. There will normally be a gap of about
1 mm between the bosses and the neighboring surface.
The method of constructing the boot system consists in first mounting all the inlet conduits 4 on a jig, respecting the desired vertical spacings. The tubes 2 will then be placed, then the two halves of the grid 3. The correct positioning of the ceramic pieces can then be checked, after which they are temporarily fixed in their places by gluing. The outer plate 1 is then welded in position, then the bed
is filled with coated particles by a filling hole in the wall 1.
It is obvious that the invention is not limited to the embodiment described, and that a good number of variations can be made thereto. Thus, for example, the hydraulic head losses can be further reduced by adapting the tube 2 so that the refrigerant leaves the bed parallel to the duct.
central 11.
It is also possible to suspend the tubes 2 at the top of the assembly and attach them to one another by a bayonet-type connection, or simply stack the tubes on top of each other.
Claims
1. Fuel assembly for gas-cooled nuclear reactors, according to
the main patent, characterized in that the refrigerant outlet part of one or more beds is made of a ceramic structure.