CH625902A5

CH625902A5 -

Info

Publication number: CH625902A5
Application number: CH1257578A
Authority: CH
Inventors: Felix S Jabsen
Original assignee: Babcock & Wilcox Co
Priority date: 1977-12-15
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1981-10-15
Also published as: FR2412142A1; DE2850968A1; LU80661A1; FR2412142B1; IT1104237B; JPS5648838B2; ATA880278A; SE7812252L; US4208249A; GB2010569B; IT7809657A0; AT365827B; JPS5489180A; BE872659A; CA1098628A; IL56055A; NL7811471A; SE426625B; GB2010569A; DE2850968C2

Description

La présente invention est relative à des réacteurs nucléaires et elle concerne plus particulièrement un dispositif pour l'absorption de chocs qui sont appliqués à des assemblages combustibles et des assemblages analogues.

Pour qu'un réacteur nucléaire produise une puissance utile, il est nécessaire d'assembler l'uranium pouvant subir la fission sous une concentration suffisante et avec une configuration physique permettant d'obtenir une séquence continue de réactions de fission induites par des neutrons dans les noyaux d'uranium. La chaleur produite par ces réactions dans cet assemblage ou dans le cœur du réacteur est habituellement absorbée par un courant d'eau sous pression. Cette eau chauffée, sous pression, est alors amenée par pompage dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur où la chaleur absorbée est transmise à de l'eau de refroidissement secondaire. C'est naturellement cette eau de refroidissement secondaire qui se transforme en vapeur d'eau qui entraîne les turbines ou un autre dispositif générateur de courant électrique.

Pour obtenir une concentration appropriée en uranium dans le cœur du réacteur, on a souvent eu l'habitude de préparer des granules de bioxyde d'uranium. Ces granules aont chargés dans de longs tubes creux minces qu'on désigne comme barres de combustible lorsque les extrémités de tube sont fermées. Afin d'augmenter la résistance structurale du cœur du réacteur, ces barres de combustible sont disposées en sous-groupes qui sont appelés assemblages combustibles et dont chacun est formé d'environ 200 barres de combustible.

Les assemblages de leur côté sont montés suivant une disposition généralement cylindrique circulaire de manière à former le cœur du réacteur.

Naturellement, le cœur du réacteur constitue un environnement qui s'oppose à l'intégrité structurale de ces parties constituantes. La température, le débit d'eau, la pression, le rayonnement et les facteurs analogues dans le cœur du réacteur se combinent tous pour exercer de grosses contraintes sur les matériaux du noyau. En outre de ces facteurs extrêmes d'environnement, on doit aussi prendre des mesures adéquates pour permettre aux éléments structuraux du cœur du réacteur de résister aux forces d'une nature plus inhabituelle et peut-être plus violente, autres que celles qui s'exercent lors des conditions de fonctionnement ordinaires. Les chocs sismiques ou de tremblement de terre et les chocs thermiques qui s'exercent sur la structure physique, et qui peuvent accompagner un accident dans lequel une partie importante de l'eau sous pression s'évapore ou s'écoule du cœur du réacteur, sont des exemples typiques des situations où on peut rencontrer des forces qui dépassent de loin celles produites au cours d'un fonctionnement de routine.

On a coutume de faire face à ce problème en ajoutant d'une manière ou d'une autre davantage de matériaux et davantage de métal dans le cœur du réacteur. Ce procédé direct pour résoudre le problème, bien qu'il fournisse probablement la protection structurale requise, présente un certain nombre de caractéristiques indésirables. Les matériaux supplémentaires dans le cœur du réacteur présentent par exemple un effet «parasite» qui absorbe une partie de la population neutronique dans le cœur. Les neutrons absorbés de cette manière ne contribuent pas à la production d'énergie et sont ainsi gaspillés et utilisés inefficacement.

En conséquence, il existe un besoin de perfectionnement des structures du cœur du réacteur permettant à ce cœur de réacteur d'atténuer ou d'absorber en toute sécurité des chocs et les autres forces majeures de caractère inhabituel sans qu'il soit nécessaire d'ajouter des matériaux à la structure du cœur du réacteur, ce perfectionnement ne produisant pas une augmentation des pertes parasites en neutrons.

Ces problèmes ainsi que d'autres problèmes qui caractérisent la technique antérieure sont surmontés dans une grande mesure par mise en œuvre de la présente invention. L'assemblage combustible selon l'invention est défini par la revendication 1.

Ainsi, lorsqu'un tremblement de terre ou un phénomène analogue force le plongeur et les ensembles à tampons à ressort à se déplacer en direction longitudinale relativement aux montants respectifs de guidage, l'eau sous pression dans les montants de guidage arrête ce mouvement. Cette eau, qui jaillit par les trous dans les plaques, permet le déplacement relatif des montants de guidage et des tempons à ressort dans une direction longitudinale à une vitesse contrôlée à laquelle les forces appliquées sont absorbées en toute sécurité.

Ainsi, on réalise, conformément à l'invention, une technique perfectionnée permettant de résister aux forces majeures appliquées qui peuvent s'exercer sur le cœur du réacteur nucléaire et qui éliminent de ce réacteur nucléaire une quantité importante de matériaux parasites d'absorption de neutrons.

L'invention sera maintenant décrite plus en détail en se référant au dessin annexé dans lequel:

— la figure 1 est une vue en perspective d'une partie d'un assemblage combustible qui présente les caractéristiques principales de l'invention;

— la figure 2 est une vue en coupe de face d'une partie de l'assemblage combustible représenté sur la figure 1 ;

— la figure 3 est une vue en élévation de côté de la partie de l'assemblage combustible qui est représenté sur la figure 1.

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On se réfère maintenant à la figure 1 qui représente un assemblage combustible 10. Cet assemblage combustible 10 est formé par un groupe de barres de combustible 11 longues et minces, dont les axes longitudinaux sont disposés d'une manière généralement parallèle. L'une des extrémités des barres de combustible est reçue dans un montage extrême 12.

Comme représenté, le montage extrême 12 comporte une grille cellulaire 13 qui est disposée transversalement aux axes longitudinaux des barres de combustible 11 afin d'être en prise avec les extrémités de ces barres de manière à supporter ainsi le mouvement en direction longitudinale de ces barres combustible.

Le montage extrême 12 comprend en outre une pièce moulée extrême 14 qui supporte la grille cellulaire 13. Comme représenté, la pièce moulée extrême 14 est en général sous forme d'un cube creux ouvert à ses extrémités transversales et muni à chacune des faces respectives du cube de fentes longitudinales 15,16,17 et 20. Les fentes 15,16,17 et 20 sont parallèles aux axes longitudinaux des barres de combustible 11. Ces fentes sont disposées dans la partie médiane de chacune des faces de cube dans le sens longitudinal sur une longueur d'environ deux tiers, mesurée à partir de l'extrémité transversale de la pièce moulée 14 qui est espacée en direction longitudinale par rapport à la grille 13. Des butées 21,22,23 et 24 qui ont l'aspect général de rivets sont fixées respectivement dans les fentes 15,16,17 et 20 à une distance d'environ un quart de la profondeur de la fente, mesurée de nouveau à partir de l'extrémité transversale de la pièce moulée 14, qui présente un espacement en direction longitudinale par rapport à la grille 13.

Les tampons à ressort 25,26,27 et 30 qui seront décrits ci-dessous d'une manière plus détaillée font saillie depuis l'intérieur creux de la pièce moulée extrême 14 à travers les fentes respectives 15,16,17 et 20 afin de permettre un déplacement en direction longitudinale par rapport aux barres de combustible 11, déplacement qui est limité par les butées respectives 21,22,23 et 24 et les parties de la pièce moulée extrême 14 qui sont adjacentes à la grille cellulaire 13 et immédiatement au dessous des fentes.

L'assemblage combustible entier 10 est aligné dans le cœur du réacteur (non représenté sur le dessin) et est entretoisé de manière à atténuer le déplacement en direction longitudinale des barres de combustibles 11 au moyen de quatre tampons internes dont on a représenté uniquement les tampons 31 et 32 dans la figure 1. Les tampons 31 et 32 sont fixés à une grille disposée transversalement (également non représentée sur le dessin) et descendent de cette grille qui s'étend sur la surface au dessous du cœur de réacteur entier. Les tampons internes sont généralement disposés rectangulairement en ensembles de quatre. Chacun de ces ensembles est spécifique pour un assemblage combustible particulier. Les tampons internes dont on a représenté les tampons 31 et 32 portent contre les parties des tampons à ressort 25,26,27 et 30 qui font saillie à travers les fentes respectives 15,16,17 et 20 dans les faces de la pièce moulée extrême 14.

Dans la figure 2, on voit la pièce moulée extrême 12 munie d'un épaulement transversal 33 qui est en prise avec un bord d'une partie de la grille cellulaire 13. Comme représenté,

la fente 15 est bloquée au moyen de la butée 21. La partie du tampon à ressort 25 qui fait saillie à travers la fente 15 porte contre le tampon interne 34 qui est fixé à la grille supérieure (non représentée dans le dessin).

Conformément à une caractéristique de l'invention, le tampon à ressort 25 est muni d'une ouverture 35. Un montant de guidage creux 36 est reçu dans l'ouverture 35 pour permettre un déplacement relatif en direction longitudinale. Une goupille 37 fixe également un plongeur cylindrique 40 au tampon à ressort 25. La goupille 37 maintient en outre le plongeur 40 dans l'extrémité du montant de guidage 36 afin de bloquer cette extrémité par ailleurs ouverte du montant 36. L'ajustement entre la paroi cylindrique du plongeur 40 et la paroi interne du montant de guidage 36 est suffisamment libre pour permettre le déplacement libre en direction longitudinale relativement au montant, mais pour obtenir néanmoins une étanchéité raisonnable aux fluides entre le plongeur et la paroi. Comme représenté, le montant de guidage 36 présente une orientation telle que son axe longitudinal est parallèle aux axes longitudinaux des barres de combustible 11. Les fentes des montants de guidage 41 et 42 sont également formées dans les parois du tube en direction longitudinale. Les largeurs de ces fentes 41 et 42 des montants de guidage sont adéquates pour permettre le déplacement de la goupille 37 en direction longitudinale relativement au montant de guidage 36 pendant le mouvement longitudinal du montant de guidage relativement au plongeur 40 comme décrit plus en détail ci-dessous. Les profondeurs de ces fentes 41 et 42 des montants de guidage sont en outre égales à environ la moitié de la longueur des montants de guidage 36, les extrémités des fentes des montants de guidage se trouvant au dessus de la surface transversale de la grille cellulaire 13.

A titre d'exemple, le montant de guidage 36 fait saillie dans la structure cellulaire de la grille 13 et est fixé à celle-ci.

Comme représenté, les parties 43 de la grille 13 sont éliminées de manière à former des évidements pour la réception de la partie inférieure du montant de guidage 36 pénétrant dans la grille 13. Une plaque 44 en forme de disque, située à l'intérieur du montant de guidage 36, est fixée à la surface transversale de la grille cellulaire 13. Le diamètre de la plaque 44 est choisi de manière à obtenir l'obturation de l'extrémité du montant de guidage 36 dans lequel elle est logée. Un orifice 45 est formé dans la plaque 44 de manière à procurer un moyen pour la communication de fluide entre le volume 46 du montant de guidage, qui est formé entre le plongeur 40 et la plaque 44, et le restant du volume du cœur de réacteur.

En fonctionnement et comme représenté sur la figure 3 au moyen d'une structure dans le montage extrême 12, accompagnant celle qui a été décrite en liaison avec la figure 2, lorsque le cœur du réacteur subit un choc sismique majeur ou une autre contrainte, une composante longitudinale de cette force produit le déplacement de l'assemblage combustible 10 vers le tampon interne 32. Le tampon 32 porte contre la partie du tampon à ressort 30 qui fait saillie depuis la pièce moulée extrême 14 à travers la fente 20. Ce mouvement de l'assemblage combustible 10 est retardé, non seulement du fait de l'élasticité du ressort hélicoïdal 47, mais également du fait de l'action des forces hydrauliques qui sont produites à l'intérieur des montants de guidage 50.

Ainsi, le réfrigérant constitué par de l'eau sous pression dans le cœur du réacteur qui remplit le volume 51 du montant de guidage agit comme amortisseur, l'eau dissipant la force exercée, lorsqu'elle s'écoule de la cavité 51 par un orifice 52 dans la plaque 53. L'une des caractéristiques saillantes de l'invention cependant, réside dans la section de sortie progressivement décroissante qui est obtenue au moyen du déplacement longitudinal d'un plongeur 54 au delà des fentes de montant de guidage, la fente 55 de montant de guidage étant uniquement représentée sur la figure 3. Ainsi, lorsque le choc est appliqué initialement au cœur du réacteur, l'écoulement d'eau à partir du volume 51 est relativement sans restriction et l'effet de retardement du mouvement longitudinal de la combinaison du plongeur et du montant de guidage est relativement léger. Ce retardement initialement léger protège les éléments du cœur du réacteur d'un endommage-

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ment qui se produirait autrement par suite de l'application brutale d'une force importante à un système rigide. Lorsque l'élément combustible 10 se déplace en direction longitudinale vers le tampon interne 32, le plongeur 54 bloque progressivement l'orifice constitué par la fente 55 du montant de guidage et l'autre fente correspondante dans le montant de guidage 50 qui est hors du plan de la figure 3. Cette diminution progressive de la section d'orifice de sortie a un effet d'augmentation de la résistance à l'écoulement à partir du volume 51 dans le restant du cœur du réacteur en procurant ainsi une atténuation progressive de la force appliquée, laquelle est absorbée graduellement au lieu d'être absorbée d'une manière brutale. L'atténuation progressive de la force en question qui caractérise l'invention protège la structure du cœur du réacteur vis à vis d'un endommagement possible auquel on pourrait s'attendre si la force était appliquée à un système rigide.

En outre, en ce qui concerne le fonctionnement du dispositif de l'invention, lorsque le plongeur 54 a complètement bloqué les fentes du montant de guidage, une évacuation contrôlée du fluide à partir de la chambre 51 continue à travers l'orifice 52 de la plaque 53 jusqu'à ce que la force appliquée soit complètement absorbée. Dans cette absorption de force, le ressort en boudin 47 participe également de manière à atténuer une partie du choc appliqué. En clair, la combinaison du ressort en boudin 47, de l'orifice 52 et de la section libre de sortie changeant progressivement qui est obtenue par l'effet de coopération du plongeur 54 et des fentes du montant de guidage associé, constitue un moyen sensiblement meilleur pour résister à ces forces que l'un quelconque de ces s éléments seuls ou que deux de ces éléments, même si la capacité des éléments individuels est augmentée pour absorber la charge prévue entière, et cela d'une manière qui permet en outre d'éliminer effectivement du cœur du réacteur, les matériaux supplémentaires absorbant les neutrons. Ainsi, les montants de guidage creux qui caractérisent la présente invention permettent d'éliminer du cœur du réacteur les matériaux inefficaces absorbant les neutrons d'une manière qui cependant accroît la résistance structurale de ce cœur de réacteur.

Naturellement, lorsque le choc appliqué a été dissipé de la manière précité, l'énergie emmagasinée dans le ressort en boudin comprimé 47 presse l'assemblage combustible 10 en direction longitudinale de manière à l'éloigner du tampon interne 32 jusqu'à ce que ce déplacement soit arrêté du fait de l'action du tampon à ressort 30 et de la butée 24. Dans la plupart des situations pratiques envisagées, on s'attend à ce que tous les montants de guidage pour l'atténuation des chocs dans une structure de cœur de réacteur interviennent pour résister aux forces majeures auxquelles il peut être nécessaire de résister.

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Claims

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1. Assemblage combustible pour un réacteur nucléaire comprenant une pluralité de barres de combustible longues et minces, chacune de ces barres ayant deux extrémités, ces barres étant espacées l'une de l'autre et de manière générale parallèles l'une à l'autre en direction longitudinale, une grille cellulaire étant en prise avec l'une des extrémités de chacune des barres de combustible précitées, toutes les extrémités engagées dans la grille précitée étant adjacentes l'une à l'autre aux extrémités longitudinales des barres, caractérisé par un montant de guidage creux (50) assemblé à une extrémité

à la grille (13) pour déplacement longitudinal avec celle-ci, le montant de guidage ayant au moins une fente longitudinale (55) formée dans ce montant, la fente étant disposée à partir de l'extrémité du montant de guidage qui est espacée par rapport à la grille, sur une partie de la longueur du montant de guidage, avec une plaque (53) montée dans le montant de guidage pour déplacement longitudinal avec celui-ci, un tampon (25) disposé d'une manière générale transversalement à la fente (55) du montant de guidage, ce tampon ayant une ouverture (35) qui est formée pour la réception du montant de guidage et pour permettre le mouvement du tampon en direction longitudinale relativement au montant de guidage (50), et un plongeur (54) dans le montant de guidage, fixé au tampon pour obtenir le déplacement avec ce tampon relativement au montant de guidage, le plongeur bloquant et débloquant progressivement la fente (55) du montant de guidage en réponse au déplacement du plongeur relativement au montant de guidage.

2. Assemblage combustible suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen constitué par un ressort (47) entourant le montant de guidage, le ressort étant disposé entre la grille (13) et le tampon (25).

3. Assemblage combustible suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque (53) comprend en outre un orifice (52) formé dans cette plaque pour permettre le passage de fluide à travers cette plaque dans la direction longitudinale précitée.