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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION formée par
Société dite :
WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION pour : "Elément combustible nucléaire"
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ELEMENT COMBUSTIBLE NUCLEAIRE
La présente invention se rapporte aux éléments combustibles pour des réacteurs nucléaires et concerne plus particulièrement des éléments dans lesquels des barreaux combustibles sont engagés latéralement par des dispositifs élastiques qui maintiennent l'écartement entre les barreaux.
Le brevet des Etats-Unis d'Amérique Re 28079 décrit un appareil courant de cette catégorie d'éléments combustibles. L'élément combustible décrit dans ce brevet comporte des grilles dans lesquelles se trouvent des doigts ou des bandes élastiques qui engagent et positionnent latéralement les barreaux combustibles. Selon ce brevet, les barreaux combustibles reposent sur une plaque d'extrémités inférieure 32. Dans les réacteurs nucléaires qui sont produits actuellement, chaque élément est intercalé entre une buse supérieure et une buse inférieure. Pendant le fonctionnement du réacteur, les barreaux combustibles se dilatent à la fois en raison de l'augmentation de température et aussi en raison du flux de neutrons auxquels les barreaux sont soumis.
Pour éviter de soumettre les barreaux à des contraintes excessives, il est
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souhaitable qu'ils soient suspendus au-dessus de la buse inférieure. La technique antérieure reposait sur le frottement entre les doigts élastiques et les barreaux combustibles pour maintenir ces derniers suspendus audessus de la buse inférieure. Mais cela ne s'est pas avéré satisfaisant en raison du relâchement des doigts élastiques et de la réduction de leur force qui résultent du flux des neutrons. Ce phénomène est particulièrement marqué avec des doigts élastiques réalisés en ZIRCALLOY, alliage de zirconium. L'utilisation de cet alliage est préférée en raison de sa faible section d'absorption des neutrons. Des supports ont été proposés pour pallier le relâchement.
Dans ces supports, des ressorts en alliage de INCONEL ou similaire sont encastrés dans des bandes de ZIRCALLOY. Des éléments comprenant des supports bimétalliques sont coûteux et soulèvent des difficultés de fabrication. Une autre proposition faite pour combattre le relâchement des ressorts consiste à prévoir de larges doigts élastiques avec de grandes surfaces de contact avec les barreaux combustibles. Mais les ensembles de grilles qui en résultent sont très grands.
La production des éléments combustibles antérieurs décrits ci-dessus est également une opération coûteuse. Il est nécessaire que les écartements entre les barreaux combustibles, c'est-à-dire les canaux dans chaque élément soient maintenus dans les limites requises. Dans la technique antérieure, les écartements étaient mesurés quand les éléments étaient terminés. Si une mesure d'un écartement s'écarte des limites prescrites, l'élément doit être reconstruit.
Un objet essentiel de l'invention est donc de pallier les inconvénients de la technique antérieure et de proposer un élément combustible nucléaire d'une structure relativement peu complexe et peu coûteuse et de dimensions modérées comprenant des supports pour les
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barreaux combustibles qui non seulement maintiennent le positionnement latéral des barreaux mais suppriment également la tendance des barreaux à descendre et à engager la buse inférieure.
Compte tenu de cet objet, l'invention concerne donc un élément combustible pour un réacteur nucléaire comprenant un réseau de barreaux combustibles parallèles supportés dans des structures de grilles espacées axialement, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs blocs longitudinaux d'unités de gaine, les groupes d'unités de gaine correspondants des blocs étant coaxiaux, chaque unité de gaine comprenant une gaine avec à l'intérieur un dispositif élastique hélicoïdal, un barreau combustible s'étendant dans chaque groupe d'unités de gaine coaxiale et étant engagé élastiquement par le dispositif élastique suivant une ou plusieurs régions de contact de longueur substantielle, de manière qu'au relâchement du dispositif élastique hélicoïdal résultant du flux des neutrons,
tout déplacement longitudinal du barreau combustible le long des unités de gaine soit supprimé.
Le dispositif élastique peut comprendre plusieurs ressorts hélicoïdaux dont les extrémités sont fixées, de manière que les ressorts soient uniformément espacés autour de la périphérie de la gaine et exercent symétriquement leurs forces sur le barreau combustible.
Les gaines peuvent avoir une section circulaire, elliptique, ovale ou polygonale en fonction du réseau voulu des barreaux combustibles. Les ressorts hélicoïdaux sont faits d'un fil qui peut être de section circulaire, elliptique, ovale ou polygonale. En général, un certain nombre ou un groupe d'unités de gaine sont montés uniformément espacés le long du barreau, ce dernier étant engagé par ressort dans les gaines sur des régions de contact de longueur substantielle. - Une telle structure est appelée ici un module de barreau combustible. Les ressorts hélicoïdaux
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dans les gaines engageant chaque barreau combustible exercent leur force de manière à centrer le barreau.
Un module de barreau combustible dans lequel le barreau combustible passe dans une seule unité de gaine avec de longs ressorts hélicoïdaux montés à l'intérieur entre également dans le cadre de l'invention. Dans ce cas, les longs ressorts hélicoïdaux engagent le barreau combustible sur des régions de contact de longueur substantielle et maintiennent le barreau centré. Etant donné que la région de contact de chaque structure a une longueur substantielle, les ressorts sont efficaces pour maintenir la position latérale et la position longitudinale du barreau, indépendamment du relâchement en fonctionnement.
Le barreau combustible comporte de préférence plusieurs brides à l'intérieur desquelles sont montés plusieurs modules de barreau combustible. Les modules sont montés dans les brides en un réseau rectangulaire, avec les unités de gaine en chaque position longitudinale de chaque module, appelé ci-après quelquefois un groupe ou un bloc de gaines, disposées couche sur couche dans une bride. Chaque bloc d'unités de gaine et la bride dans laquelle il est monté forment une structure rigide.
Les joints entre les parois de chaque bride et au moins une partie, généralement la totalité, des gaines suivant la périphérie du bloc dans la bride sont soudés et certains, et généralement la totalité, des joints entre les gaines de couches contigües dans le bloc sont soudés. Bien que l'élément combustible selon l'invention comporte généralement, et avec un avantage marqué, plusieurs brides, un ensemble avec une seule longue bride maintenant les blocs de gaines entrent dans le cadre de l'invention.
L'élément combustible comporte des barres de contrôle disposées dans les positions déterminées le - Long des barreaux combustibles du réseau. Les barres de
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contrôle sont des tubes continus d'un diamètre un peu inférieur à celui des gaines. Ces barres sont prévues avec des renflements par lesquels elles sont supportées par les gaines qui les entourent.
Dans la mise en oeuvre pratique de l'invention, les gaines et les ressorts ainsi que le revêtement des barreaux combustibles sont en alliage ZIRCALLOY. Les ressorts se relâchent sous l'effet du rayonnement neutrons. Mais étant donné que les ressorts engagent les barreaux combustibles sur des régions de contact de longueur substantielle, la position latérale et la position longitudinales des barreaux sont maintenues malgré le relâchement.
D'autrs caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation ayant référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est une vue en plan d'un élément combustible constituant un mode de réalisation de l'invention,
La figure 2 est une coupe partielle vue de côté de l'ensemble de la figure 1,
La figure 3 est une vue partielle en perspective de la partie de l'élément combustible passant dans une bride,
La figure 4 est une vue en perspective d'une unité de gaine d'un module de barreau combustible faisant partie d'un élément selon l'invention,
La figure 5 est une vue en plan de cette gaine,
La figure 6 est une vue de côté de cette unité de gaine,
La figure 7 est une vue en bout de la gaine seule (fils exclus) dans la direction VII de la figure 6,
La figure 8 est une coupe suivant les lignes
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VIII-VIII de la figure 6,
La figure 9 est une vue de côté d'un module de barreau combustible selon l'invention,
La figure 10 est une coupe suivant les lignes X-X de la figure 9,
La figure 11 est une vue partielle de côté montrant la manière dont un élément combustible selon l'invention est produit,
La figure 12 est une vue partielle en plan de l'appareil de la figure 11, et
La figure 13 est une vue en perspective d'un dispositif utilisé pour la production d'un élément selon l'invention, dans la mise en oeuvre de son procédé.
L'élément combustible 21 représenté sur les figures comporte plusieurs modules 23 de barreau combustible entouré par des brides 25. Chaque module 23 (figure 9) comporte plusieurs unités de gaines 27 montées à des écartements uniformes sur un barreau combustible 29. En général, le diamètre d'un barreau combustible est de 9,50 mm.
Si cela est souhaitable, un écartement non uniforme entre également dans le cadre de l'invention. Chaque unité de gaine 27 (figures 4,6, 8) comporte un tube ou gaine 31 dans lequel sont montés plusieurs ressorts hélicoïdaux 33.
Les ressorts sont espacés uniformément suivant la périphérie intérieure de chaque gaine 31. Chaque gaine 31 comporte des fenêtres 35 espacées uniformément à sa périphérie. Les fenêtres 35 servent à éliminer la matière absorbant les neutrons parasites pour permettre le montage des ressorts hélicoïdaux 33 et pour faciliter le passage du caloporteur afin que ce dernier soit bien mélangé. Les ressorts 33 sont soudés aux extrémités opposées 39 des fenêtres. Chaque ressort est soudé sur l'extrémité inférieure 39 d'une fenêtre et sur l'extrémité supérieure d'une autre fenêtre décalée circonférentiellement par rapport à la première. Le décalage dépend du pas et du
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nombre de spires de l'hélice. Si l'hélice comporte un nombre entier de spires, il n'y a aucun décalage.
En général, chaque gaine 31 a un diamètre extérieur de 12,7 mm, une épaisseur de 0,76 mm et une longueur d'environ 50 mm. Le diamètre du fil qui forme le ressort hélicoïdal 33 est environ 0, 76 mm. Comme représenté, trois ressorts 33 sont prévus suivant la surface intérieure de la gaine 31. Trois fenêtres 35 sont prévues, dont les centres sont espacés suivant la périphérie 31 de 120 , suivant des courbes d'environ 1/3 de spires de l'hélice. Environ 8 unités de gaines 27 sont placées sur chaque barreau combustible 29.
Les brides 25 qui entourent les modules de barreaux combustibles 23 ont une forme générale rectangulaire. Dans chaque élément combustible, les brides 25 sont alignées et les modules de barreaux combustibles sont disposés dans les brides avec les unités de gaines en couches comme le montre la figure 1. Les unités de gaine forment un bloc de forme générale rectangulaire-m dans chaque bride 25. Les joints 40 entre les gaines 31 suivant la périphérie de chaque bloc et les parois 41 des brides 25 sont soudés par points. En général, les soudures sont produites par fusion au moyen d'un laser.
Les joints 42 entre les gaines 31 de chaque bloc sont également soudés par fusion. Le soudage par fusion est effectué de préférence à partir du haut de l'élément.
A des positions prédéterminées, des guides 43 Pour des barres de contrôle (non-représentées) s'étendent à travers les blocs. En général, les guides ont un diamètre extérieur de 1,22 mm et une épaisseur de 0,76 mm.
Les guides 43 sont des tubes prévus avec des renflements 45. Les guides 43 sont supportés par des renflements qui engagent les gaines voisines 31. Les renflements 45 au-dessous des gaines voisines évitent tout déplacement vertical des guides. Des renflements 45
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peuvent être formés avant ou après l'empilage. Les brides 25 sont munies d'amortisseurs sismiques 47 sur leurs parois 41. Les amortisseurs 45 sont des bossages dirigés vers l'extérieur des parois. Comme le montre la figure 1, des éléments combustibles continus sont montés dans le coeur d'un réacteur avec les amortisseurs 47 intercalés.
La distance entre les gaines 31 est établie en fonction des barreaux combustibles. Les centres des barreaux combustibles sont écartés de 450 à 500 mm.
Les modules de barreaux combustibles 23, les guides 43 de barres de contrôle et les brides 25 sont assemblés à l'aide de plusieurs dispositifs d'assemblage 51 (figure 13). Chaque dispositif d'assemblage 51 est un étrier comprenant une pièce transversale 53 et des branches 55 et 57. La pièce transversale 53 comporte deux doigts 59 sur chaque côté. Entre les doigts 59 se trouve une partie centrale 61 mobile par rapport aux doigts. Les doigts 59 sont solidaires des branches 55. La pièce 61 est solidaire ou assemblée avec la branche 57.
Une goupille de pivotement 63 passe dans l'angle à la jonction de la branche 55 et des doigts 59. La pièce centrale 61 et la branche 57 sont articulées sur la goupille 63. A l'extrémité opposée à la goupille 63, les doigts 59 et la pièce 61 sont prévus avec des ouvertures coaxiales 65 dans laquelle passe une goupille de blocage 67. A l'enlèvement de la goupille 67, la pièce 63 et la branche 57 peuvent pivoter vers le bas, en enlevant ainsi la branche 57 de sorte qu'un élément terminé dans le dispositif 51 peut être enlevé.
A la fabrication d'un élément combustible selon l'invention, les gaines 31 avec les fenêtres 35, les guides 43 de barre de contrôle avec les renflements 45, les ressorts 33, les barreaux combustibles 29 et les plaques 71 et 73 pour le dessus et les côtés respectivement de la bride 25 sont réalisés. Les plaques 71 et 73
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sont réalisées avec les amortisseurs sismiques 47. Toutes les pièces, y compris le revêtement des barreaux combustibles 29'sont en alliage ZIRCALLOY. Mais, des éléments combustibles dans lesquels le revêtement est fait d'une autre matière, comme l'acier inoxydable, entrent dans le cadre de l'invention.
Les ressorts 33 sont montés dans les gaines 31 formant les unités de gaine 27. Les extrémités des ressorts sont soudées sur les limites supérieure et inférieure 39 des fenêtres décalées 35. S'il y a trois ressorts et trois fenêtres et si la longueur du ressort est un tiers de spire, comme les montrent les figures, chaque ressort est soudé par son extrémité inférieure sur la limite inférieure 39 de la fenêtre 35 et sur la limite supérieure 39 de la fenêtre suivante dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à partir de la première fenêtre, vue par le dessus de l'unité de gaine 27. Un module 23 de barreaux combustibles est maintenant formé en montant plusieurs unités de gaine 27 sur un barreau combustible 29. Les unités de gaine sont uniformément espacées le long du barreau 29.
Les ressorts 33 sont uniformément espacés suivant la périphérie de chaque gaine 31 et sont de toute manière positionnées de manière que le barreau combustible 29 soit centré dans toutes les gaines montées sur lui.
Plusieurs dispositifs d'assemblage 51 (figure 13) avec les goupilles de blocage 67 dans les trous 65 sont alignés, avec les pièces transversales 53 dans un même plan. Les plaques 71 et 73 sont disposées le long des surfaces intérieures des pièces transversales 53 et des branches 55 et 57 de chaque dispositif de montage (figure 12). De préférence, les plaques 71 et 73 sont assemblées sur leurs côtés en une structure en forme de U comme le montre la figure 12. Mais la disposition de plaques séparées 71 et 73 dans les dispositifs de montage
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reste dans le cadre de l'invention. Une rangée de modules de barreaux combustibles est placée le long des plaques transversales 71, avec les unités de gaine 27 en une. première couche sur les plaques 71. Les joints 40 entre les gaines 31 et la plaque 71 sont soudés.
Les joints 40 entre les gaines 31 aux extrémités des premières couches et les plaques 73 sont également soudées. Une autre rangée de modules de barreaux combustibles 29 est placée sur la première couche, avec les unités de gaine 27 de cette rangée en une seconde couche sur les unités de gaine de la première couche. Les joints 42 entre les gaines de la première et de la seconde couche sont soudés.
Les joints 40 entre les gaines aux extrémités de chacune des couches et des plaques 73 sont également soudés. De la même manière, d'autres rangées de modules de barreaux combustibles sont placées en une troisième, une quatrième, une cinquième, etc... couches avec les unités de gaine 27 dans les couches en structure en U. Les unités de gaine 27 de chaque couche supplémentaire sont sur les unités de gaine de la couche qui se trouve juste au-dessous.
Les joints 42 entre les gaines de chaque couche supplémentaire et les gaines de la couche inférieure sont soudeées.
Les joints 40 entre les plaques 73 et les gaines aux extrémités de chacune des autres couches sont également soudés. Une structure essentiellement rigide est ainsi obtenue. En général, le réseau ainsi assemblé est carré, comprenant 17 positions d'unités de gaine dans chaque dimension, soit 289 positions de gaine. L'expression "positions d'unités de gaine"est utilisée volontairement car il n'y a pas des unités de gaine 27 dans toutes les positions. En fabrication, des espaces sont laissés pour les guides 43 qui sont introduits quand la structure est assemblée. Quand l'assemblage des plaques 71 et 73, des modules de barreaux combustibles 29 et des guides est terminé, les sommets 71 sont fixés sur les côtés 73
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pour compléter les brides 25.
Bien qu'il soit avantageux dans la réalisation de l'élément de positionner les rangées de modules de barreaux combustibles 7 dans les plaques 71 et 73 en mode U, l'introduction des barreaux 29 dans des unités de gaine 27 coaxiales après que les réseaux rectangulaires de ces gaines ont été assemblés avec les plaques 71 et 73 reste dans le cadre de l'invention. Quand l'élément combustible 21 est complètement réalisé, les goupilles de blocage 67 sont enlevées et les pièces 61 ainsi que les côtés 57 sont pivotés vers le bas et l'élément est enlevé. Quand l'élément est ainsi formé, l'écartement entre les barres de contrôle, c'est-à-dire l'écartement des canaux, est progressivement mesuré pour assurer qu'il se situe dans les limites avant que l'assemblage soit terminé.
La fonction de la bride 25 est d'encadrer le réseau de modules 23 de barreaux combustibles et les guides 43 de barres de contrôle. La bride 25 comporte des languettes de guidage 81 qui facilitent le chargement des éléments combustibles dans le coeur (non-représenté) d'un réacteur. Les amortisseurs 47 des brides 25 amortissent les mouvements latéraux entre les éléments combustibles 21 pendant des perturbations sismiques.
Les avantages de l'élément combustible selon l'invention sont les suivants :
1. Le maintien transversal et axial des barreaux combustibles 29 est assuré par la force combinée des ressorts hélicoïdaux 33 uniformément opposés ou symétriquement espacés.
2. La configuration des ressorts hélicoïdaux crée des turbulences du caloporteur éliminant la nécessité ou réduisant le nombre des ailettes mélangeuses qui sont necessaires dans les éléments antérieurs.
3. Les modules de barreaux combustibles 23 peuvent être assemblés préalablement, puis combinés en des éléments combustibles 21. Le besoin est éliminé ou
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évité d'un ensemble squelette et d'un chargement des barreaux combustibles par poussée ou traction comme dans la technique antérieure.
4. Les rayures du revêtement et barreaux combustibles sont éliminées ou réduites au minimum.
5. Grâce au procédé d'empilage, rangée par rangée, l'inspection en cours de fabrication de l'écartement des canaux, c'est-à-dire de l'écartement entre les barreaux est possible.
Les avantages du nouveau procédé de réalisation de l'élément selon l'invention, en plus de permettre l'inspection en cours de fabrication sont :
1. La réduction ou même l'élimination des contraintes de charge des barreaux combustibles.
2. L'élimination de la nécessité d'opérations intermédiaires, c'est-à-dire de la préparation d'ensembles squelettes.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of a request for
PATENT OF INVENTION formed by
So-called company:
WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION for: "Nuclear fuel element"
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NUCLEAR FUEL ELEMENT
The present invention relates to fuel elements for nuclear reactors and more particularly relates to elements in which fuel rods are engaged laterally by elastic devices which maintain the spacing between the rods.
U.S. Patent Re 28079 describes a common appliance in this category of fuel elements. The fuel element described in this patent comprises grids in which there are fingers or elastic bands which engage and position the fuel rods laterally. According to this patent, the fuel rods rest on a lower end plate 32. In nuclear reactors which are currently produced, each element is interposed between an upper nozzle and a lower nozzle. During operation of the reactor, the fuel rods expand both due to the increase in temperature and also due to the flux of neutrons to which the rods are subjected.
To avoid subjecting the bars to excessive stress, it is
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desirable that they be suspended above the lower nozzle. The prior art was based on the friction between the elastic fingers and the fuel rods to keep the latter suspended above the lower nozzle. However, this has not proved satisfactory due to the loosening of the elastic fingers and the reduction in their force which result from the flux of the neutrons. This phenomenon is particularly marked with elastic fingers made of ZIRCALLOY, a zirconium alloy. The use of this alloy is preferred because of its low neutron absorption section. Supports have been proposed to mitigate the relaxation.
In these supports, springs of INCONEL alloy or similar are embedded in ZIRCALLOY bands. Elements comprising bimetallic supports are expensive and raise manufacturing difficulties. Another proposal made to combat the loosening of the springs consists in providing large elastic fingers with large contact surfaces with the fuel rods. But the resulting sets of grids are very large.
The production of the prior fuel elements described above is also an expensive operation. It is necessary that the spacings between the fuel rods, that is to say the channels in each element are kept within the required limits. In the prior art, gaps were measured when the elements were finished. If a measurement of a gap deviates from the prescribed limits, the element must be reconstructed.
An essential object of the invention is therefore to overcome the drawbacks of the prior art and to propose a nuclear fuel element of a relatively uncomplicated and inexpensive structure and of moderate dimensions comprising supports for the
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fuel rods which not only maintain the lateral positioning of the rods but also suppress the tendency of the rods to descend and engage the lower nozzle.
In view of this object, the invention therefore relates to a fuel element for a nuclear reactor comprising a network of parallel fuel rods supported in grid structures spaced axially, characterized in that it comprises several longitudinal blocks of cladding units, the groups of corresponding sheath units of the blocks being coaxial, each sheath unit comprising a sheath with a helical elastic device inside, a fuel rod extending in each group of coaxial sheath units and being engaged elastically by the elastic device according to one or more contact regions of substantial length, so that upon relaxation of the helical elastic device resulting from the flux of neutrons,
any longitudinal displacement of the fuel rod along the cladding units is eliminated.
The elastic device can comprise several helical springs, the ends of which are fixed, so that the springs are uniformly spaced around the periphery of the sheath and symmetrically exert their forces on the fuel rod.
The sheaths can have a circular, elliptical, oval or polygonal section depending on the desired network of fuel rods. The coil springs are made of a wire which can be of circular, elliptical, oval or polygonal section. In general, a number or a group of sheath units are mounted uniformly spaced along the bar, the latter being spring-loaded in the sheaths on contact regions of substantial length. - Such a structure is called here a fuel rod module. Coil springs
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in the sheaths engaging each fuel rod exert their force so as to center the rod.
A fuel rod module in which the fuel rod passes in a single sheath unit with long helical springs mounted inside is also within the scope of the invention. In this case, the long helical springs engage the fuel rod over contact regions of substantial length and keep the rod centered. Since the contact region of each structure has a substantial length, the springs are effective in maintaining the lateral position and the longitudinal position of the bar, independently of the relaxation in operation.
The fuel rod preferably has several flanges inside which are mounted several fuel rod modules. The modules are mounted in the flanges in a rectangular network, with the sheath units in each longitudinal position of each module, hereinafter sometimes called a group or a block of sheaths, arranged layer on layer in a flange. Each block of duct units and the flange in which it is mounted form a rigid structure.
The joints between the walls of each flange and at least a part, generally all, of the sheaths along the periphery of the block in the flange are welded and some, and generally all, of the joints between the sheaths of contiguous layers in the block are welded. Although the fuel element according to the invention generally comprises, and with a marked advantage, several flanges, an assembly with a single long flange holding the cladding blocks within the scope of the invention.
The fuel element comprises control rods arranged in the determined positions along the fuel rods of the network. The bars of
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control are continuous tubes with a diameter slightly smaller than that of the sheaths. These bars are provided with bulges by which they are supported by the sheaths which surround them.
In the practical implementation of the invention, the sheaths and springs as well as the coating of the fuel rods are made of ZIRCALLOY alloy. The springs relax under the effect of neutron radiation. However, since the springs engage the fuel rods over contact regions of substantial length, the lateral position and the longitudinal position of the rods are maintained despite the relaxation.
Other characteristics and advantages of the invention will appear during the description which follows of an exemplary embodiment with reference to the appended drawings in which:
FIG. 1 is a plan view of a fuel element constituting an embodiment of the invention,
FIG. 2 is a partial sectional side view of the assembly of FIG. 1,
FIG. 3 is a partial perspective view of the part of the fuel element passing through a flange,
FIG. 4 is a perspective view of a sheath unit of a fuel rod module forming part of an element according to the invention,
FIG. 5 is a plan view of this sheath,
FIG. 6 is a side view of this sheath unit,
FIG. 7 is an end view of the single sheath (wires excluded) in the direction VII of FIG. 6,
Figure 8 is a section along the lines
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VIII-VIII of figure 6,
FIG. 9 is a side view of a fuel rod module according to the invention,
FIG. 10 is a section along the lines X-X of FIG. 9,
FIG. 11 is a partial side view showing the way in which a fuel element according to the invention is produced,
FIG. 12 is a partial plan view of the apparatus of FIG. 11, and
Figure 13 is a perspective view of a device used for the production of an element according to the invention, in the implementation of its method.
The fuel element 21 shown in the figures comprises several fuel rod modules 23 surrounded by flanges 25. Each module 23 (FIG. 9) comprises several sheath units 27 mounted at uniform spacings on a fuel rod 29. In general, the diameter of a fuel rod is 9.50 mm.
If desirable, non-uniform spacing is also within the scope of the invention. Each sheath unit 27 (FIGS. 4, 6, 8) comprises a tube or sheath 31 in which several helical springs 33 are mounted.
The springs are uniformly spaced along the inner periphery of each sheath 31. Each sheath 31 has windows 35 uniformly spaced at its periphery. The windows 35 serve to remove the material absorbing the parasitic neutrons to allow the mounting of the coil springs 33 and to facilitate the passage of the coolant so that the latter is well mixed. The springs 33 are welded to the opposite ends 39 of the windows. Each spring is welded to the lower end 39 of a window and to the upper end of another window offset circumferentially relative to the first. The offset depends on the pitch and the
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number of turns of the propeller. If the propeller has an integer number of turns, there is no offset.
In general, each sheath 31 has an outside diameter of 12.7 mm, a thickness of 0.76 mm and a length of about 50 mm. The diameter of the wire which forms the helical spring 33 is approximately 0.76 mm. As shown, three springs 33 are provided along the inner surface of the sheath 31. Three windows 35 are provided, the centers of which are spaced along the periphery 31 of 120, along curves of approximately 1/3 of the turns of the propeller. . About 8 cladding units 27 are placed on each fuel rod 29.
The flanges 25 which surround the fuel rod modules 23 have a generally rectangular shape. In each fuel element, the flanges 25 are aligned and the fuel rod modules are arranged in the flanges with the sheath units in layers as shown in FIG. 1. The sheath units form a generally rectangular block-m in each flange 25. The joints 40 between the sheaths 31 along the periphery of each block and the walls 41 of the flanges 25 are spot welded. In general, welds are produced by fusion using a laser.
The joints 42 between the sheaths 31 of each block are also welded by fusion. Fusion welding is preferably carried out from the top of the element.
At predetermined positions, guides 43 for control bars (not shown) extend through the blocks. In general, the guides have an outside diameter of 1.22 mm and a thickness of 0.76 mm.
The guides 43 are tubes provided with bulges 45. The guides 43 are supported by bulges which engage the neighboring sheaths 31. The bulges 45 below the neighboring sheaths prevent any vertical displacement of the guides. Bulges 45
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can be formed before or after stacking. The flanges 25 are provided with seismic dampers 47 on their walls 41. The dampers 45 are bosses directed towards the outside of the walls. As shown in Figure 1, continuous fuel elements are mounted in the core of a reactor with the dampers 47 interposed.
The distance between the sheaths 31 is established as a function of the fuel rods. The centers of the fuel rods are spaced from 450 to 500 mm.
The fuel rod modules 23, the control rod guides 43 and the flanges 25 are assembled using several assembly devices 51 (FIG. 13). Each assembly device 51 is a stirrup comprising a transverse part 53 and branches 55 and 57. The transverse part 53 has two fingers 59 on each side. Between the fingers 59 is a central part 61 movable relative to the fingers. The fingers 59 are integral with the branches 55. The part 61 is integral with or assembled with the branch 57.
A pivot pin 63 passes in the angle at the junction of the branch 55 and the fingers 59. The central part 61 and the branch 57 are articulated on the pin 63. At the end opposite to the pin 63, the fingers 59 and the part 61 are provided with coaxial openings 65 through which a locking pin 67 passes. When the pin 67 is removed, the part 63 and the branch 57 can pivot down, thereby removing the branch 57 so that a finished element in the device 51 can be removed.
When manufacturing a fuel element according to the invention, the sheaths 31 with the windows 35, the guides 43 of the control rod with the bulges 45, the springs 33, the fuel rods 29 and the plates 71 and 73 for the top and the sides respectively of the flange 25 are produced. Plates 71 and 73
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are made with seismic shock absorbers 47. All the parts, including the coating of the fuel rods 29 ', are made of ZIRCALLOY alloy. However, combustible elements in which the coating is made of another material, such as stainless steel, come within the scope of the invention.
The springs 33 are mounted in the sheaths 31 forming the sheath units 27. The ends of the springs are welded to the upper and lower limits 39 of the offset windows 35. If there are three springs and three windows and if the length of the spring is a third of a turn, as shown in the figures, each spring is welded by its lower end to the lower limit 39 of the window 35 and to the upper limit 39 of the next window in an anticlockwise direction to from the first window, seen from above of the sheath unit 27. A fuel rod module 23 is now formed by mounting several sheath units 27 on a fuel rod 29. The sheath units are uniformly spaced along the bar 29.
The springs 33 are uniformly spaced along the periphery of each sheath 31 and are in any case positioned so that the fuel rod 29 is centered in all the sheaths mounted on it.
Several assembly devices 51 (FIG. 13) with the locking pins 67 in the holes 65 are aligned, with the transverse parts 53 in the same plane. The plates 71 and 73 are arranged along the interior surfaces of the transverse parts 53 and of the branches 55 and 57 of each mounting device (FIG. 12). Preferably, the plates 71 and 73 are assembled on their sides in a U-shaped structure as shown in Figure 12. But the arrangement of separate plates 71 and 73 in the mounting devices
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remains within the scope of the invention. A row of fuel rod modules is placed along the transverse plates 71, with the cladding units 27 in one. first layer on the plates 71. The joints 40 between the sheaths 31 and the plate 71 are welded.
The joints 40 between the sheaths 31 at the ends of the first layers and the plates 73 are also welded. Another row of fuel rod modules 29 is placed on the first layer, with the cladding units 27 of this row in a second layer on the cladding units of the first layer. The joints 42 between the sheaths of the first and of the second layer are welded.
The joints 40 between the sheaths at the ends of each of the layers and of the plates 73 are also welded. In the same way, other rows of fuel rod modules are placed in a third, a fourth, a fifth, etc. layers with the sheath units 27 in the layers in U-shaped structure. The sheath units 27 of each additional layer are on the sheath units of the layer which is located just below.
The joints 42 between the sheaths of each additional layer and the sheaths of the lower layer are welded.
The joints 40 between the plates 73 and the sheaths at the ends of each of the other layers are also welded. An essentially rigid structure is thus obtained. In general, the network thus assembled is square, comprising 17 positions of sheath units in each dimension, or 289 sheath positions. The term "sheath unit positions" is used voluntarily because there are not sheath units 27 in all positions. In manufacturing, spaces are left for the guides 43 which are introduced when the structure is assembled. When the assembly of the plates 71 and 73, of the fuel rod modules 29 and of the guides is finished, the vertices 71 are fixed on the sides 73
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to complete the flanges 25.
Although it is advantageous in the production of the element to position the rows of fuel rod modules 7 in the plates 71 and 73 in U mode, the introduction of the bars 29 in coaxial sheath units 27 after the networks rectangular of these sheaths were assembled with the plates 71 and 73 remains within the scope of the invention. When the fuel element 21 is completely made, the locking pins 67 are removed and the parts 61 as well as the sides 57 are pivoted downwards and the element is removed. When the element is thus formed, the spacing between the control rods, i.e. the spacing of the channels, is gradually measured to ensure that it is within the limits before the assembly is completed. .
The function of the flange 25 is to frame the network of modules 23 of fuel rods and the guides 43 of control rods. The flange 25 includes guide tabs 81 which facilitate the loading of the fuel elements into the core (not shown) of a reactor. The dampers 47 of the flanges 25 dampen the lateral movements between the fuel elements 21 during seismic disturbances.
The advantages of the fuel element according to the invention are as follows:
1. The transverse and axial maintenance of the fuel rods 29 is ensured by the combined force of the helical springs 33 uniformly opposite or symmetrically spaced.
2. The configuration of the coil springs creates turbulence in the coolant eliminating the need or reducing the number of mixing fins that are required in the front elements.
3. The fuel rod modules 23 can be assembled beforehand, and then combined into combustible elements 21. The need is eliminated or
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avoided of a skeleton assembly and of a loading of the fuel rods by pushing or pulling as in the prior art.
4. Scratches on the coating and fuel rods are eliminated or minimized.
5. Thanks to the stacking process, row by row, inspection during manufacture of the channel spacing, that is to say the spacing between the bars is possible.
The advantages of the new method for producing the element according to the invention, in addition to allowing inspection during manufacture are:
1. Reducing or even eliminating the load constraints of the fuel rods.
2. Elimination of the need for intermediate operations, that is, the preparation of skeleton assemblies.