EP2831888A1 - Procede et dispositif mobile permettant de reduire les resistances thermiques entre deux solides - Google Patents

Procede et dispositif mobile permettant de reduire les resistances thermiques entre deux solides

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EP2831888A1
EP2831888A1 EP13717200.3A EP13717200A EP2831888A1 EP 2831888 A1 EP2831888 A1 EP 2831888A1 EP 13717200 A EP13717200 A EP 13717200A EP 2831888 A1 EP2831888 A1 EP 2831888A1
Authority
EP
European Patent Office
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elements
basket
traction
transmitting
base
Prior art date
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Application number
EP13717200.3A
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German (de)
English (en)
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EP2831888B1 (fr
Inventor
Jean Claude BONNARD
Bernard Duret
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00—Transportable or portable shielded containers
    • G21F5/005—Containers for solid radioactive wastes, e.g. for ultimate disposal
    • G21F5/008—Containers for fuel elements
    • G21F5/012—Fuel element racks in the containers
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00—Transportable or portable shielded containers
    • G21F5/06—Details of, or accessories to, the containers
    • G21F5/10—Heat-removal systems, e.g. using circulating fluid or cooling fins

Definitions

  • the invention relates to a storage basket for nuclear fuel assemblies consisting of a plurality of contiguous cells of great length in each of which can be introduced a fuel assembly or possibly the rods of several fuel assemblies.
  • Rings are intended for the storage and / or transport of said fuel assemblies, possibly in shielded or non-shielded packaging. They are suitable for used fuel, but can also be used for new fuel. They can be used in dry or wet conditions, for example when storing fuels in swimming pools or when they are introduced in transport or storage containers.
  • Stacking various materials is the solution provided to the needs of the various functions of a fuel assembly transport ship (radiation protection, impact resistance, fire ). In the case of high power to be discharged, a limit to the internal temperature results from the presence of games required for stacking.
  • a storage basket 10 for nuclear fuel assemblies comprising one or more contiguous cells 12, of great length, into which can be introduced a fuel assembly or possibly the rods of several fuel assemblies.
  • the baskets are sometimes also designed to provide additional shielding against radiation.
  • the basket generally consists of an association of several materials, each of them fulfilling at least one of the three functions mentioned above.
  • the main materials used are, in general:
  • this system with interlocking different radial layers requires, in particular to more easily introduce an assembly or the basket in a castle, to play games at the interfaces between the different layers, in particular between assembly and cavity but also between the basket and the ferrule.
  • These sets for example about 5 mm and 2 mm, can be disadvantageous with respect to heat transfer requirements.
  • the transport is under nitrogen but more conducive gases (helium) can be used, in this case, internal and external clearances, respectively 5 mm and 2 mm, are sufficient to transport PWR fuel (pressurized water reactor) since the powers are weak. But there is the problem of being able to transport higher power fuels (for example of the MOX fuel type or assemblies with actinides in the future).
  • helium helium
  • internal and external clearances respectively 5 mm and 2 mm
  • the maximum power of an assembly transported under helium would be limited to 2.5 kW without exceeding 450 ° C and 4.5 kW without exceeding 650 ° C while the need for power transported could to be much superior.
  • the document WO 2011/161233 describes a system that makes it possible to reduce the thermal resistance of contact due to external games.
  • the 4 parts of a basket come into contact with the steel ferrule.
  • the result is a simple system, with improved radial transfers, but not so-called internal games.
  • the gain, in terms of evacuable power, is therefore low.
  • the power output at 650 ° C is 6.3 kW. If the external clearance is canceled, for example according to the teaching of document WO 2011/61233, it increases to 6.75 kW, ie an increase in the evacuable power of only 8%. If we cancel the 2 games then the power goes to 8.75 (an increase of + 40%). But in this technique, the contacted surfaces are important (about 1/4 of the external surface of the basket), so that, unless there are prohibitive manufacturing tolerances, the contact can be made only on a generator or just a few areas.
  • a heat transmitting element for a substantially prismatic nuclear fuel storage container comprising
  • Each transmitting element is made of a material which conducts heat, and therefore of good thermal conductivity, for example of a metallic material such as aluminum or copper.
  • each of these lateral faces is provided with at least 2 studs or 2 studs.
  • the means for providing traction of the element may comprise notches or lateral recesses made in the element, each recess opening into one of the secondary plane faces, and possibly in the corresponding lateral face.
  • a wall of each notch comprises means, for example at least 2 studs or 2 studs.
  • Such an element may comprise at least one pull rod, for example having a perforated interior, or not, and cooperating with the means to ensure traction of the element in a direction parallel to the base.
  • Such an element may have, in a plane perpendicular to the base, a substantially triangular shape.
  • a nuclear fuel storage basket element may therefore include:
  • each transmitting element being connected to its neighbors by the means to ensure traction of the element in a direction parallel to the base
  • each secondary flat surface of an element can:
  • the stack of transmitter elements may have a height (h) less than the total height of the basket element.
  • the rest of the basket consists of a transmitting material, stacked above and below the transmitting elements described above.
  • the height h is then substantially equal to or close to the length over which the fuel elements produce heat.
  • the basket element may further comprise at least a second stack of transmitter elements as described above, arranged in a zone separated from the first stack by a continuous portion of material. This second stack then plays a mechanical role, but a lower thermal role.
  • An elementary nuclear fuel storage basket may comprise a plurality of storage basket elements of the type described above, arranged to delimit a substantially square central cavity or rectangular or hexagonal in a plane perpendicular to the direction of traction of each basket, according to the shape of the assembly for which it is intended.
  • Also concerned here is a method for storing and / or transporting a nuclear fuel rod, comprising the following steps:
  • Such a method may be preceded by a step of introducing the storage basket into a pool, and followed by a step of extracting the basket loaded with the rods to bring it out of the pool.
  • means are used to apply a force on a stack of transmitting elements, which allows the basket to modify its internal and external radii and thus reduce the gaps between assembly and basket and also between basket and the external environment, for example a ferrule.
  • the basket adapts its shape and marries any deformation of the assembly.
  • the invention therefore makes it possible to maintain significant play during the introduction of the load and then to resorb them before a subsequent operation, for example handling or transport.
  • the system makes it possible to reduce, and even to cancel, the thermal contact resistances (directly related to the gas gap in the games and to the thermal conductivity of the gas ). But it has other advantages:
  • This basket will adapt its shape and marry any longitudinal deformation of the assembly
  • the invention described here allows, by the multiplicity of its basic surfaces d increase the number of contact points and have larger contact areas.
  • the invention makes it possible to minimize the internal and external clearances in a basket, which makes it possible to carry out the transport storage and transportation of certain assemblies, whose powers (P> 8kW) are greater than those currently generated. It also makes it possible to optimize the number of transport assemblies, since both a single assembly, a plurality of assembly, can be made.
  • FIG. 1, already described, is an exploded view of a castle of known structure
  • FIGS. 2A-2D and 3A-3B are various views of transmitter elements as described.
  • FIGS. 4A-4C represent two elements linked by a connecting rod and their relative movement
  • FIGS. 5A-5D are various views of transmitter elements
  • FIGS. 6A and 6B show a stack of transmitting elements, linked by rods and their relative movement
  • FIGS. 7A and 7B are schematic views, respectively of a basket in the open position and of a basket in the closed position
  • FIGS. 8A and 8B are views of a basket containing an assembly
  • FIGS. 9A-9E are steps for introducing an assembly into a basket
  • FIGS. 10A and 10B are top views of two systems, one of which contains several assemblies, each of these systems comprising at least one basket, a steel ferrule and a resin
  • FIGS. 11, 12 and 13, respectively show the evolution of the maximum possible temperature as a function of the internal and external clearances and the power of an assembly, for one assembly, 7 and 12 assemblies, respectively.
  • FIGS. 2A side view, in section along the plane
  • FIG. 2A it can be seen that the various transmitter elements are stacked along a direction Oz of a trirectangular trihedron Oxyz.
  • FIG. 2B also shows two walls 22, 24, which are respectively the hot and cold walls of the environment in which the stack is positioned (the wall 22, called the hot wall, is on the side a hot assembly, located in the interior of the basket, while the wall 24, called cold, is that of the environment immediately outside the basket).
  • the references 22 and 24 are two planes which delimit the lateral extension of the stack, according to Ox, when it is in the closed or lowered position, as explained below; in the following we refer to 2 walls, but we can also read 2 plans.
  • the axis Ox is perpendicular to the two walls 22,24 while the axes Oz and Oy are parallel to them.
  • the stack extends in a general direction according to Oz.
  • Each element of the stack has a substantially prismatic shape, as illustrated in FIG. 2C for an embodiment of an individual element 30.
  • the other elements of FIG. 2A are identical or similar to it and, for this reason, all the parts - similar or identical to those described in Figure 2C - these other elements are not described in detail.
  • the element represented in FIG. 2C is substantially a pentahedron or a triangular prism, with three quadrilateral faces 303, 303 ', 305 adjacent in pairs and two triangular faces 301, 30 non-adjacent to each other and substantially perpendicular to one another.
  • the sides and the angles can be truncated: one will then use, nevertheless, the expression "stops" or "top”.
  • edges 307, or the top, and the base 305 extend 2 surfaces 303, 303 'that can be designated, for convenience, respectively by "upper surface” and “lower surface”.
  • these surfaces are planar, but they may have other shapes, for example they may comprise corrugations or corrugations, intended to come into contact, or to assemble, with corrugations or corresponding corrugations a flat surface of a neighboring element.
  • the element is bounded by two walls or lateral faces 301, 30.
  • the latter two walls are substantially perpendicular to the base 305 and substantially parallel to the plane xOz.
  • the side walls here: 341, 34, the element represented being the element 34
  • the side walls are inclined and thus cut at the same time the Ox and Oy axes.
  • each of these transmitter elements has a substantially triangular shape, each triangle having a large side and 2 small sides, which are preferably of substantially equal length, the triangle itself being substantially isosceles.
  • the three sides are truncated at their end, as illustrated in Figure 2D, or Figures 4A-4C.
  • each one then, strictly, no longer a form substantially triangular, but rather hexagonal, with 3 long sides and 3 small sides which alternate with each other.
  • the height of this triangle is smaller than the distance between the two walls 22, 24.
  • the maximum distance between the top 307 of the element and its base 305 makes it possible to maintain a clearance 27, 29 between this element and each of the two walls 22, 24.
  • the device is in the "closed" position (FIGS. 4C, 6B and 7B) there remain areas 270, 270 ', 290, 290' which are not filled with a portion of a transmitting element.
  • These sets are dimensioned to avoid any contact between a transmitting element and the adjacent second-ranking element (for example, in FIG.
  • FIG. 2A we see, in a manner similar to that presented in FIG.
  • the various elements 30, 32, 34, 36 are stacked as shown in FIG. 2A, the lower (respectively upper) planar surface of a first element being in contact with or facing the upper (respectively lower) plane surface of a second element immediately adjacent, but located under (respectively) on this first element, along the axis Oz.
  • a transmitting element 30 has a base directed towards the wall 24 while the base of the neighboring elements is directed towards the wall 22.
  • two adjacent elements can be supported against one another by one of their lower and upper flat surfaces, according to an interface 40.
  • This is in the form of a segment of straight line which defines, with a line parallel to the axis Ox, or perpendicular to the walls 22, 24, an acute angle A (for example between 30 ° and 60 °, for example still equal to, or close to, 45 °).
  • the faces 305, 325, etc. are flat.
  • this face may have a curvature, for example it may consist of a cylinder portion, as illustrated in FIGS. 3B, 5C and 5D with the faces 345 '(element 34, FIG. 3B), and 305' (element 30, 5C and 5D), the axis of the cylinder being parallel to the direction of traction of the entire stack.
  • the thermal effect of the entire stack is not affected in the closed or lowered position of the stack, because the contacts between the plane surfaces adjacent to two neighboring elements remain identical to what has been described above.
  • the cylindrical portion of the wall 345 ', 305' is tangential to the outer wall or to the outer plane 24.
  • Such a curvature may be useful to conform to the shape of a cylinder, the plans or walls 22 and 24 are often cylindrical (see for example the structures of Figures 10b) according to an axis parallel to the direction of traction.
  • each of the lateral faces 301, 301 ', 321, 321', 341, 341 ', 361, 361' of each element may comprise two studs 30 ', 30 ", 32', 32", 34 ', 34 ", 36', 36", each stud being close to one of the lower and upper planar surfaces of the corresponding element.
  • the two studs of the same lateral face are substantially aligned in a direction parallel to the base of this same element or along the edge 305 in the sectional view of FIG. 2D (or else: according to the direction of traction).
  • Each post has a substantially cylindrical shape, the axis of the cylinder being directed substantially perpendicular to the side face on which the pin is located.
  • a connecting rod or rod 40, 42, 44, 46 connects the two tenons closest to two neighboring elements. This link will define the maximum distance that can be between the two flat surfaces, lower and upper, the closest to two neighboring elements, when they are not in contact. It also defines the maximum amplitude of the possible sliding of a plane face of an element relative to the plane face opposite the neighboring element.
  • a rod has for example the shape shown in Figure 2A or 6A, this shape is longitudinal and has a central opening, also longitudinal.
  • the maximum amplitude of this opening that is to say the distance between the internal faces of the two short sides of the rod is equal to the maximum distance desired between the external generatrices of the two neighboring studs of two transmitter elements immediately adjacent in stacking.
  • the link and its lateral opening allow 2 neighboring elements to slide on one another, keeping their immediate neighboring faces in contact.
  • each of the links has a central opening which allows the two neighboring elements 301 and 321, 321 and 341, 341 and 361 to be spaced apart so that their neighboring lateral faces remain parallel to each other with a distance e.
  • This distance allows the transmitting elements to be in the "raised” position to allow the introduction of element bars in the basket.
  • the lateral faces of the neighboring elements are in contact with each other, as illustrated in FIG. 6B or 7B.
  • the links are then in a relaxed position, the distance between two studs adjacent to two adjacent elements being less than the maximum amplitude defined by the internal opening of each link.
  • each rod 47 has two openings, each of these openings for accommodating a stud 30 ", 32" of one of the transmitter elements.
  • One of these openings that which is around the tenon 30 ", allows the rod to move only in rotation around this tenon, but not in translation, while the other opening allows it to move in rotation around 32 "and allows the element 32 to move in translation: the corresponding opening extends over a greater length, approximately from the middle of the link (in the direction of its length) to the inner side from one of its lateral ends.
  • the distance between the two openings and the length of the 2 nd aperture are chosen so that the two neighboring transmitting elements can pass:
  • FIG. 4B At an intermediate position (FIG. 4B), in which the adjacent lateral faces of two neighboring elements are spaced apart from one another by a desired distance, and each of the bases approaches the corresponding wall 22, 24,
  • FIG. 4C a "plating" position in which two adjacent lateral faces are in contact with one another or pressed against each other, and the base of each of the elements is pressed against the wall 22, 24 corresponding.
  • FIGS. 5A-5D Another embodiment of a connection system between neighboring elements is illustrated in FIGS. 5A-5D, FIGS. 5A-5B corresponding to an embodiment with a base 305 in the form of a flat wall, FIGS. 5C-5D corresponding to a realization whose base 305 'has the shape of a cylinder portion.
  • the element 30 represented comprises:
  • each lateral notch In the inner wall of each lateral notch is here made a hole 203 ', 204' in which can be positioned a pin, intended to cooperate with the end of a rod or a rod, as already described above .
  • each notch is therefore intended to be provided with means, for example at least 1 stud or 1 pin, to couple each element using, for example, two rods, as explained above.
  • Each notch has a volume sufficient to accommodate an end portion of the corresponding link.
  • means or a pulling mechanism 21 are positioned on one side of the basket at the top or bottom thereof.
  • Means comprising for example one or more rods 210 and / or one or more jacks are connected to the end element of the stack of elements to communicate to all the elements upward or downward movement along the axis oz.
  • the means 21 may allow to exert pressure on the entire stack, when the latter is in the closed or lowered position.
  • Each element of the basket then separates from neighboring elements, in the manner explained above, in conjunction with FIGS. 4A-4C, 6A-6B and 7A-7B. This movement releases games 27, 29, 27 ', 29' in the radial direction (FIGS. 2A, 6A and 7A).
  • each transmitting element extends over a limited length L, for example between 100 mm and 200 mm or 500 mm this length being chosen according to the surface qualities of the elements and the quality of the desired heat transfer.
  • L can be the stretched length of an arc, especially in the case of a base such as the base 345 'of Figure 3B.
  • an assembly which generally has a cylindrical shape, will be surrounded by a plurality of n basket members, arranged substantially circularly, each basket member covering an area of about 360 ° / n.
  • n basket members arranged substantially circularly, each basket member covering an area of about 360 ° / n.
  • Figures 8A and 8B for a hexagonal assembly, each basket member 60, 62, 64, 66, 68, 70 covering a sector of about 60 °.
  • References 620-626 are the individual elements of two basket members 62. The two end members 620 and 626 are truncated to provide planar surfaces at both ends of the stack.
  • FIGS. 8A and 8B there is shown the three-dimensional system, with a vertical array of transmitter elements eliminated (or a removed basket element) for better viewing.
  • the set of basket elements is arranged to define an internal hexagonal opening at 17, in which a fuel element can be introduced.
  • FIG. 8A corresponds to an opening situation, the transmitting elements being in disjoint position from each other, as illustrated in FIG. 2A and in FIG. 4A.
  • a game which can be important, is then created between the load, which is in the center of the basket, and the inner wall of this basket.
  • FIG. 8B corresponds to a closing situation, the neighboring transmitter elements being in the contact position with each other, as illustrated in FIG. Figure 4C and Figure 6B. In this position, any play, which was previously between the load and the inner surface of the basket, is canceled.
  • the hexagon 15 is the load, its outer wall corresponds to the hot wall (walls 22) of FIG. 2A.
  • FIGS. 8A and 8B shows a basket (amputated from a column of elements only for questions of visibility of the drawing) and the hexagonal tube 15. But it is also possible to introduce several assemblies, as illustrated in FIG. 10B, which represents a view from above: in this case, the basket comprises:
  • a fixed part 55 (a stack of discs of heat-conducting material, for example aluminum, each disc having the appropriate openings for passing the baskets to the desired positions),
  • a ring of basket elements 550 Each element being of the type according to the invention, as already presented above.
  • the basket thus formed is disposed inside a castle, the assembly being surrounded by a shell 54 of steel and a layer 52 of resin.
  • the assembly may be provided with vanes 56 for the removal of heat; these are the fins which, in Figure 10C, outwardly outwardly We find these references 52, 54 in Figure 10A, for the case of a single basket.
  • a constituent assembly of a castle may therefore comprise at least one elementary basket as described above, but also a set of absorbent layers, for example a layer 54 (which may be forged steel or lead) to absorb the gamma radiation, and a layer 52 (containing a lot of hydrogen) to slow the neutrons.
  • a layer 54 which may be forged steel or lead
  • a layer 52 containing a lot of hydrogen
  • An elementary basket may have the structure that has just been described above, over its entire height.
  • some elements may be arranged in a part in which there is little or no heat exchange, as in the zones 200, 200 '.
  • These elements work as has been described above, but they have only a role of mechanical blocking, and not, or little, role from the thermal point of view. On the contrary, the set of moving elements has both a thermal and mechanical role.
  • the zones 200 ', 200 are separated from the zone or the portion 20 by a portion of homogeneous and continuous material, not provided with transmitting elements as described above.
  • FIGS. 9A-9E show the steps of a fuel loading in a device according to the invention.
  • this assembly which does not yet contain a fuel element, is immersed in a swimming pool 120 and the covers 130 of the various parts are open.
  • FIG. 9B the transmitter elements of the basket are raised, in the manner already explained above, by pulling on all the elements, using the means 21. Their release is thus relaxed and games are introduced between the base of each element and the surface 22, 24 towards which it is turned (see the explanations given above).
  • the support force is then reversed on the elements of the wall of the basket, as illustrated in FIG. 9D, so as to position the transmitting elements in contact with one another, and without leaving play between the bases of these elements. elements and walls.
  • the set can then be lifted from the pool for draining.
  • the power per assembly ranges from 4kW6 (TC12) to 6kW3 (TCl) for standard games. Cancel these games would get respectively 6kW6 to 8kw8.
  • the geometry chosen for the castle is a multi-layer geometry: - TN12 type (used as soon as we have more than one assembly to transport), shown in top view in Figure 10B.
  • the outside diameter layer 550 is the same as the basket used today which does not change the rest of the geometry.
  • Reference 54 designates a steel ferrule
  • the geometry is of type IL49.
  • curve I corresponds to 2 sets of 1 mm each
  • curve II corresponds to 1 internal clearance of 5 mm and 1 external clearance of
  • curve III corresponds to 1 internal clearance of 5 mm and 1 external clearance of 2 mm
  • the curve IV corresponds to 2 sets of 5 mm
  • the curve V corresponds to 2 sets of 0 mm, that is to say to a contact obtained according to the present invention
  • the curve ⁇ corresponds to 1 internal clearance of 5 mm and 1 external clearance of 1 mm; in this standard case 5.5kW can be evacuated per assembly, ie a total power of 39 kW and the resin has a temperature between 70 ° C and 88 ° C, the curve ⁇ ⁇ corresponds to 2 sets of 0 mm.
  • the external resin reaches a temperature of 80 ° C.
  • the evacuable power for the above three configurations and for 2 different maximum temperatures was synthesized in Table I below. The evacuable power is indicated for each of these cases, underlined when the games are null.
  • Tmax 450 oC 3,3kw (4,6kw) 2,9kw (4kw) 2,5kw (3,5kw)
  • Tmax 650 ° C 6.3kw (8.8kw) 5.5kw (7.6kw) 4.6kw (6.6kw)
  • the invention applies in the field of storage and / or transport of high power radioactive materials, especially high-power generation IV fuels, for example still assemblies loaded with minor actinides.

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Abstract

On décrit ici un élément transmetteur (30, 32, 34, 36) pour un panier de rangement de combustible nucléaire, de forme sensiblement prismatique, comportant 3 faces principales (303, 303', 305, 325, 345, 365), dont une base et 2 surfaces planes secondaires, et deux faces latérales (301, 301'), en un matériau transmettant la chaleur, muni latéralement de moyens pour assurer une traction de l'élément selon une direction parallèle à la base.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF MOBILE PERMETTANT DE REDUIRE LES RESISTANCES
THERMIQUES ENTRE DEUX SOLIDES
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
L'invention concerne un panier de rangement pour assemblages combustibles nucléaires constitué d'une pluralité d'alvéoles contiguës de grande longueur dans chacune desquelles peut être introduit un assemblage combustible ou éventuellement les crayons de plusieurs assemblages combustibles.
Ces paniers de rangement (que l'on appelle également casiers ou
« racks ») sont destinés au stockage et/ou au transport desdits assemblages combustibles, éventuellement en emballages blindés ou non. Ils sont adaptés pour le combustible irradié, mais sont aussi utilisables pour du combustible neuf. I ls peuvent être utilisés en milieu sec ou humide, par exemple lors du stockage des combustibles en piscine ou lors de leur introduction dans des emballages de transport ou stockage.
L'empilement de divers matériaux est la solution apportée au besoin des différentes fonctions d'un château de transport d'assemblages combustibles (radioprotection, tenue aux chocs, aux feux...). Dans le cas de forte puissance à évacuer, une limite à la température interne résulte de la présence de jeux nécessaires à l'empilement.
Les problématiques liées à la sûreté et aux transports de matières radioactives sont exposées dans les documents « La sûreté des transports de matières radioactives », par B. Lenail, Revue Générale Nucléaire n° 1 2005 ; « Conception, fabrication et essais des emballages pour le transport des matières radioactives », par B.C. Bernardo, AIEA Bulletin Vol. 21, n°6 ou encore dans le document EP 0 752 151.
En général, les assemblages combustibles sont véhiculés à sec dans des châteaux contenant jusqu'à 12 assemblages (ou plus). Ces emballages de transport ont été agréés par les autorités compétentes françaises, britanniques et japonaises et répondent aux critères imposés par la réglementation AI EA pour les emballages de Type B. Ce type de château, utilisé depuis près de 40 ans, repose sur le principe des performances intrinsèque au colis (double barrière, tenue au feu...) qui empêche tout rejet de radioactivité.
Comme illustré en figure 1, de l'extérieur vers l'intérieur, un château comporte, sur sa grande longueur :
- une zone externe 2, qui peut être munie d'ailettes 4 de refroidissement,
- une couche 6 absorbant les neutrons,
- une virole 8 en acier,
- et un panier 10 de rangement pour assemblages combustibles nucléaires, comportant une ou plusieurs alvéoles contigues 12, de grande longueur, dans lesquelles peut être introduit un assemblage combustible ou éventuellement les crayons de plusieurs assemblages combustibles.
On connaît divers types de paniers à structure alvéolaire pour assemblages combustibles nucléaires. Ils assurent en général trois fonctions :
- le contrôle de la criticité, à sec ou en présence d'eau, à l'état liquide ou gazeux (cette eau pouvant contenir des composés neutrophages, à base de bore par exemple), de l'ensemble des assemblages qui y sont rangés,
- une résistance mécanique suffisante qui répond à deux objectifs : (i) assurer le maintien de la géométrie du panier chargé d'assemblages et éviter la détérioration des crayons combustibles lors des utilisations normales (manutention, transport...), (ii) assurer le contrôle de la criticité par maintien de la géométrie du panier même en conditions accidentelles (choc et chute importants) selon les réglementations en vigueur,
- le transfert thermique, pour évacuer la chaleur dégagée dans le cas des assemblages irradiés.
Les paniers sont parfois conçus également en vue d'apporter un complément de blindage contre les radiations. Le panier est généralement constitué d'une association de plusieurs matériaux, chacun d'eux remplissant au moins une des trois fonctions citées ci-dessus. Les principaux matériaux utilisés sont, en général :
- l'acier inox ou l'aluminium (ou ses alliages) pour la fonction de résistance mécanique,
- l'aluminium ou le cuivre (ou leurs alliages) pour la fonction de transfert thermique,
- les composés au bore (comme les frittés à base de B4C), les alliages de cuivre, d'aluminium ou d'acier inox contenant du bore pour la fonction de contrôle de la criticité.
Du point de vue des performances thermiques d'un château, l'évacuation de la puissance interne et la résistance à un feu de 800°C pendant 30 mn est actuellement résolue en jouant sur les matériaux (virole en acier, panier en aluminium...) et leur performance (« compound » traversé par des ailettes, protection des joints...).
Pour une question de réalisation et surtout de montage, ce système avec des emboîtements des différentes couches radiales nécessite, notamment pour introduire plus aisément un assemblage ou le panier dans un château, de ménager des jeux au niveau des interfaces entre les différentes couches, en particulier entre assemblage et cavité mais aussi entre le panier et la virole. Ces jeux, par exemple d'environ 5 mm et 2 mm, peuvent être pénalisants au regard des besoins en transfert thermique.
En particulier, dans le cas de forte puissance à évacuer, la présence de ces jeux engendre de fortes résistances thermiques, donc de forts gradients thermiques, ce qui augmente fortement la température maximale interne lorsqu'on souhaite accroître les puissances maximales admissibles (qui dépendent aussi des matériaux, du taux de combustion...).
Actuellement, le transport se fait sous azote mais des gaz plus conducteurs (hélium) peuvent être utilisés, dans ce cas, des jeux interne et externe, respectivement de 5 mm et 2 mm, suffisent pour transporter du combustible REP (réacteur à eau pressurisée) puisque les puissances sont faibles. Mais il se pose le problème de pouvoir transporter des combustibles de plus forte puissance (par exemple de type combustible MOX ou bien des assemblages avec actinides dans le futur).
La possibilité d'une bonne évacuation des calories vers l'extérieur, sans dépasser des températures internes rédhibitoires, est donc un problème clé pour l'avenir.
Dans ce cas, ce n'est pas tant la puissance totale transportée qui pose problème, mais plutôt le gradient thermique qui est créé par la présence des jeux mentionnés ci-dessus.
Ainsi en utilisant la technologie actuelle d'une structure de type TN12, la puissance maximale d'un assemblage transporté sous hélium serait limitée à 2.5 kW sans dépasser 450°C et 4.5 kW sans dépasser 650°C alors que le besoin en puissance transportée pourrait être bien supérieur.
Le document WO 2011/161233 décrit un système qui permet de diminuer les résistances thermiques de contact dues aux jeux externes. Dans ce système, les 4 parties d'un panier entrent en contact avec la virole en acier. Il en résulte un système simple, avec une amélioration des transferts radiaux, mais pas des jeux dits internes. Le gain, en termes de puissance évacuable, est donc faible.
Il se pose donc également le problème des jeux dits internes (entre assemblage et panier).
En effet, si on reprend le cas du château à un assemblage sous hélium, avec des jeux classiques (par exemple 5 mm en interne et 2 mm en externe) la puissance évacuable à 650°C est de 6.3 kW. Si on annule le jeu externe, par exemple selon l'enseignement du document WO 2011/61233, elle passe à 6.75 kW, soit un accroissement de la puissance évacuable de, seulement, 8%. Si on annule les 2 jeux alors la puissance passe à 8.75 (soit un accroissement de + 40%). Mais, dans cette technique, les surfaces mises en contact sont importantes (environ 1/4 de la surface externe du panier), si bien que, à moins d'avoir des tolérances de fabrication rédhibitoires, le contact peut se faire seulement sur une génératrice ou simplement quelques zones.
Par conséquent, les jeux internes à un château de stockage ou de transport, dont les épaisseurs des jeux créent une résistance de contact importante, ainsi que les critères thermiques à ne pas dépasser, conditionnent grandement la puissance évacuable lors d'un transport d'assemblages combustibles.
Un problème est donc d'améliorer les échanges thermiques internes à un château de transport afin de diminuer les températures atteintes en régime nominal. EXPOSÉ DE L'INVENTION
On apporte ici une solution à cette limitation.
On décrit d'abord un élément transmetteur de la chaleur pour un pa nier de rangement de combustible nucléaire, de forme sensiblement prismatique, comportant
3 faces principales, dont une base et 2 surfaces planes secondaires, et deux faces latérales, en un matériau transmettant la chaleur, muni latéralement de moyens pour assurer une traction de l'élément selon une direction parallèle à la base.
Chaque élément transmetteur est en un matériau qui conduit la chaleur, donc de bonne conductivité thermique, par exemple en un matériau métallique tel que de l'aluminium ou du cuivre.
Les moyens pour assurer une traction de l'élément peuvent être placés sur les faces latérales. Par exemple chacune de ces faces latérales est munie d'au moins 2 plots ou 2 tenons.
En variante les moyens pour assurer une traction de l'élément peuvent comporter des encoches ou des évidements latéraux pratiqués dans l'élément, chaque évidement débouchant dans une des faces planes secondaires, et éventuellement dans la face latérale correspondante. Une paroi de chaque encoche comporte des moyens, par exemple d'au moins 2 plots ou 2 tenons.
Un tel élément peut comporter au moins une biellette de traction, pa r exemple ayant un intérieur ajouré, ou pas, et coopérant avec les moyens pour assurer une traction de l'élément selon une direction parallèle à la base.
Un tel élément peut avoir, dans un plan perpendiculaire à la base, une forme sensiblement triangulaire.
La base peut être plane, ou avoir au moins une courbure autour d'un axe sensiblement parallèle à la direction de traction. Un élément de panier de rangement de combustible nucléaire, peut donc comporter :
- un premier empilement d'éléments transmetteurs du type décrit ci- dessus, chaque surface plane secondaire d'un élément étant en regard d'une surface plane secondaire d'un élément transmetteur voisin, de sorte que les bases des différents éléments transmetteurs sont alternativement tournées vers un côté de l'empilement puis vers l'autre, chaque élément transmetteur étant connecté à ses voisins par les moyens pour assurer une traction de l'élément selon une direction parallèle à la base,
- des moyens pour exercer une traction sur l'ensemble des éléments transmetteurs.
Dans un tel élément de panier de rangement, chaque surface plane secondaire d'un élément peut :
- être en contact avec une surface plane secondaire d'un élément transmetteur voisin lorsqu'aucune traction n'est exercée sur l'ensemble des éléments transmetteurs, notamment lorsqu'une pression est exercée sur l'ensemble des éléments,
- et être éloignée, de la surface plane secondaire d'un élément transmetteur voisin, lorsqu'une traction est exercée sur l'ensemble des éléments transmetteurs.
L'empilement d'éléments transmetteurs peut avoir une hauteur (h) inférieure à la hauteur totale de l'élément de panier. Dans ce cas, le reste du panier est constitué d'un matériau transmetteur, empilé au-dessus et au-dessous des éléments transmetteurs décrits ci-dessus. La hauteur h est alors sensiblement égale ou voisine de la longueur sur laquelle les éléments combustibles produisent de la chaleur.
L'élément de panier peut comporter en outre au moins un deuxième empilement d'éléments transmetteurs tels que décrit ci-dessus, disposés dans une zone séparée du premier empilement par une portion continue de matériau. Ce deuxième empilement joue alors rôle mécanique, mais un rôle thermique moindre.
Un panier élémentaire de rangement de combustible nucléaire peut comporter une pluralité d'éléments de panier de rangement de type décrit ci-dessus, disposés de manière à délimiter une cavité centrale de forme sensiblement carrée ou rectangulaire ou hexagonale dans un plan perpendiculaire à la direction de traction de chaque panier, selon la forme de l'assemblage auquel il est destiné.
On peut donc constituer un château pour le stockage et/ou le transport de combustible nucléaire, comportant un panier élémentaire de rangement, du type tel que décrit précédemment, le panier étant entouré(s) d'une couche de protection périphérique pour l'absorption des rayons gamma et une couche de protection périphérique pour ralentir les neutrons.
On peut également constituer un château pour le stockage et/ou le transport de combustible nucléaire, comportant plusieurs paniers élémentaires de rangement, par exemple en nombre compris entre 2 et 12, chaque panier élémentaire étant du type tel que décrit précédemment.
Les paniers élémentaires sont placés dans un panier fixe lui-même ceinturé par une pluralité d'éléments transmetteurs du type précédent qui assurent un contact thermique efficace avec les couches périphériques
Est également ici concerné un procédé de stockage et/ou de transport de crayon de combustible nucléaire, comportant les étapes suivantes:
- exercer une traction sur les éléments de panier d'un panier de rangement tel que décrit ci-dessus, de manière à les amener depuis une position initiale à une position soulevée et à engendrer un jeu entre chaque élément transmetteur et chacune des parois chaude et froide,
- introduire un ou plusieurs assemblages dans la cavité centrale,
-relâcher la traction, pour ramener les éléments transmetteurs dans la position initiale, dans laquelle la base de chaque élément transmetteur est positionnée en contact avec l'une ou l'autre des parois chaude et froide. Lors de cette étape, l'effet de la gravitation peut suffire pour ramener les éléments dans la position initiale, du fait de leur propre poids. On peut éventuellement ajouter une pression supplémentaire, ce qui permet de maintenir les éléments dans cette position même lorsque le panier est dans une position autre que la position verticale, par exemple lorsqu'il est en position horizontale lors d'un transport. Un tel procédé peut être précédé d'une étape d'introduction du panier de rangement dans une piscine, et suivi d'une étape d'extraction du panier chargé avec les crayons pour l'amener hors de la piscine.
Dans l'invention, on met en œuvre des moyens pour appliquer une force sur un empilement d'éléments transmetteurs, ce qui permet au panier de modifier ses rayons internes et externes et ainsi de réduire les espaces entre assemblage et panier et aussi entre panier et l'environnement extérieur, par exemple une virole.
Ainsi le panier adapte sa forme et épouse d'éventuelles déformations de l'assemblage.
L'invention permet donc de conserver des jeux importants lors de l'introduction de la charge puis de les résorber avant une opération ultérieure, par exemple une manutention ou un transport.
Dans le cas du transport d'assemblages, et en particulier de fortes puissances, le système permet de réduire, et même d'annuler, les résistances thermiques de contact (directement liées au gap de gaz dans les jeux et à la conductibilité thermique du gaz). Mais il présente d'autres avantages :
- le placage du panier sur l'assemblage permet une tenue mécanique pendant le transport ; on n'a alors plus besoin d'introduire des cales comme c'était le cas auparavant,
- ce panier va adapter sa forme et épouser d'éventuelles déformations longitudinales de l'assemblage,
- il réduit les coûts d'usinage actuels du panier,
- dans certains cas (notamment celui d'un assemblage dans un étui, on pourrait remplacer l'hélium du panier par de l'air sec ou de l'azote.
Par rapport à la technique décrite dans le document WO 2011/161233, où, on le rappelle, le contact peut se faire seulement sur une génératrice ou simplement quelques zones, l'invention décrite ici permet, par la multiplicité de ses surfaces de base d'augmenter le nombre de points de contact et d'avoir des surfaces de contact plus grandes. Plus les éléments transmetteurs sont de petite taille, meilleure est l'adaptation à la forme. L'invention permet de minimiser les jeux internes et externes dans un panier, ce qui permet de réaliser le stockage et le transport en transport de certains assemblages, dont les puissances (P>8kW) sont supérieures à celles dégagées actuellement. Elle permet également d'optimiser le nombre de transport des assemblages, puisque que aussi bien un assemblage unique, qu'une pluralité d'assemblage, peuvent être réalisés.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, est une vue éclatée d'un château de structure connue,
- les figures 2A-2D et 3A-3B sont diverses vues d'éléments transmetteurs tels que décrits,
- les figures 4A-4C représentent 2 éléments liés par une biellette et leur mouvement relatif,
- les figures 5A-5D sont diverses vues d'éléments transmetteurs,
- les figures 6A et 6B représentent un empilement d'éléments transmetteurs, liés par des biellettes et leur mouvement relatif,
- les figures 7A et 7B sont des vues schématiques, respectivement d'un panier en position d'ouverture et d'un panier en position de fermeture,
- les figures 8A et 8B sont des vues d'un panier contenant un assemblage,
- les figures 9A-9E sont des étapes d'introduction d'un assemblage dans un panier,
- les figures 10A et 10B sont des vues de dessus de 2 systèmes, dont l'un contenant plusieurs assemblages, chacun de ces systèmes comportant au moins un panier, une virole en acier et une résine, - les figures 11, respectivement 12 et 13, représentent l'évolution de la température maximale possible en fonction des jeux internes et externes et de la puissance d'un assemblage, pour 1 assemblage, respectivement 7 et 12 assemblages.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On se réfère d'abord aux figures 2A (vue de côté, en coupe selon le plan
AA' ou xOz de la figure 2B) et 2B (vue de dessus, en coupe selon le plan BB' ou xOy de la figure 2A) qui représentent un empilement d'éléments transmetteurs 30, 32, 34, 36 de la chaleur d'un système 20 de panier selon un mode particulier de réalisation de l'invention.
Sur la figure 2A, on voit que les divers éléments transmetteurs sont empilés suivants une direction Oz d'un trièdre trirectangle Oxyz. On a représenté également, sur cette figure et en figure 2B, deux parois 22, 24, qui sont respectivement les parois chaude et froide de l'environnement dans lequel l'empilement est positionné (la paroi 22, dite paroi chaude, est du côté d'un assemblage chaud, situé dans l'intérieur du panier ; tandis que la paroi 24, dite froide, est celle de l'environnement immédiatement extérieur au panier). En dehors de cet environnement les références 22 et 24 sont deux plans qui délimitent l'extension latérale de l'empilement, selon Ox, lorsqu'il est en position fermée ou abaissée, comme expliqué plus loin ; dans la suite on fait référence à 2 parois, mais on peut aussi bien lire 2 plans.
L'axe Ox est perpendiculaire aux 2 parois 22,24 tandis que les axes Oz et Oy leur sont parallèles. L'empilement s'étend selon une direction générale selon Oz.
Chaque élément de l'empilement a une forme sensiblement prismatique, comme illustré en figure 2C pour un mode de réalisation d'un élément individuel 30. Les autres éléments de la figure 2A lui sont identiques ou similaires et, pour cette raison, toutes les parties - similaires ou identiques à celles qui sont décrites en figure 2C - de ces autres éléments ne sont pas décrites en détail.
Plus spécifiquement, l'élément représenté en figure 2C est sensiblement un pentaèdre ou un prisme triangulaire, avec trois faces quadrilatérales 303, 303', 305 adjacentes deux à deux et deux faces triangulaires 301, 30 non-adjacentes entre elles et sensiblement perpendiculaires à l'axe Oy. Il comporte une base 305, qui, dans ce mode de réalisation, est plane et parallèle à une arrête 307 qui s'étend selon l'axe Oy du trièdre trirectangle Oxyz.
Selon un aspect particulier, illustré en figure 2D, les côtés et les angles peuvent être tronqués : on utilisera alors, quand même, l'expression « arrête » ou « sommet ».
Entre l'arrête 307, ou le sommet, et la base 305 s'étendent 2 surfaces 303, 303' que l'on pourra désigner, par commodité, respectivement par « surface supérieure » et « surface inférieure». Dans l'exemple représenté, ces surfaces sont planes, mais elles peuvent avoir d'autres formes, par exemple elles peuvent comporter des corrugations ou des ondulations, destinées à venir en contact, ou à s'assembler, avec des corrugations ou des ondulations correspondantes d'une surface plane d'un élément voisin.
Latéralement, selon l'axe Oy, l'élément est limité par deux parois ou faces latérales 301, 30 . Dans cet exemple de réalisation, ces deux dernières parois sont sensiblement perpendiculaires à la base 305 et sensiblement parallèles au plan xOz. Dans une variante, représentée schématiquement en vue de dessus en figures 3A et 3B, les parois latérales (ici : 341, 34 , l'élément représenté étant l'élément 34) sont inclinées et coupent donc à la fois les axes Ox et Oy. Dans le plan zOx, chacun de ces éléments transmetteurs a une forme sensiblement triangulaire, chaque triangle présentant un grand côté et 2 petits côtés, qui sont de préférence de longueur sensiblement égale, le triangle étant lui-même sensiblement isocèle. De préférence encore, les trois côtés sont tronqués à leur extrémité, comme illustré en figure 2D, ou en figures 4A - 4C. Dans le plan zOx, chacun a alors, strictement, non plus une forme sensiblement triangulaire, mais plutôt hexagonale, avec 3 grands côtés et 3 petits côtés qui alternent l'un avec l'autre.
La hauteur de ce triangle, ou la distance entre l'arrête 307 ou le sommet et la base 305, est inférieur à l'écart entre les deux parois 22, 24. Ainsi, lorsque l'élément est positionné comme illustré en figure 2A, la distance maximale entre le sommet 307 de l'élément et sa base 305 permet de conserver un jeu 27, 29 entre cet élément et chacune des 2 parois 22, 24. Lorsque le dispositif est en position « fermée » (figures 4C, 6B et 7B) il subsiste des zones 270, 270', 290, 290' qui ne sont pas comblées avec une portion d'un élément transmtteur. Ces jeux sont dimensionnés pour permettre d'éviter tout contact entre un élément transmetteur et l'élément voisin de second rang (par exemple, sur la figure 2A, tout contact est évité entre les éléments 30 et 34, entre les éléments 32 et 36 etc.). Ces zones ne posent pas de problème du point de vue thermique car la chaleur passe par les contacts créés entre les éléments voisins, entre 30 et 32, entre 32 et 34, entre 34 et 36 etc. Ces zones sont disposées, alternativement, vers chacune des parois 22, 24 ; même pleines de gaz, et donc isolantes, leur influence thermique est négligeable parce qu'elles sont shuntées par un passage parallèle beaucoup plus conducteur thermiquement.
Sur la figure 2A on voit, de manière similaire à ce qui présenté en figure
2C, la base 325, 345, 365 des autres éléments 32, 34, 36, et leurs arêtes, 327, 347, 367.
Les divers éléments 30, 32, 34, 36 sont empilés comme indiqué sur la figure 2A, la surface plane inférieure (respectivement supérieure) d'un premier élément étant en contact ou en regard de la surface plane supérieure (respectivement inférieure) d'un deuxième élément immédiatement voisin, mais situé sous (respectivement : sur) ce premier élément, selon l'axe Oz.
Les grands côtés des éléments empilés sont disposés, alternativement, vers la paroi 24 et vers la paroi 22. Autrement dit, un élément transmetteur 30 a une base dirigée vers la paroi 24 tandis que la base des éléments voisins est dirigée vers la paroi 22.
En position fermée ou abaissée de l'empilement, deux éléments voisins peuvent s'appuyer l'un contre l'autre par l'une de leurs surfaces planes inférieure et supérieure, selon une interface 40. Celle-ci a la forme d'un segment de droite qui définit, avec une droite parallèle à l'axe Ox, ou perpendiculaire aux parois 22, 24, un angle aigu A (par exemple compris entre 30° et 60°, par exemple encore égal à, ou voisin de, 45°).
Dans l'exemple décrit ci-dessus, les faces 305, 325, etc sont planes.
En variante, cette face peut présenter une courbure, par exemple elle peut consister en une portion de cylindre, comme illustré en figures 3B, 5C et 5D avec les faces 345' (élément 34, figure 3B), et 305' (élément 30, figures 5C et 5D), l'axe du cylindre étant parallèle à la direction de traction de l'ensemble de l'empilement. L'effet thermique de l'ensemble de l'empilement n'en est pas affecté en position fermée ou baissée de l'empilement, car les contacts entre les surfaces planes voisines de deux éléments voisins restent identiques à ce qui a été décrit ci-dessus. La section de cet élément, selon un plan zOx, a encore une forme triangulaire ou comme celle de la figure 2D, la base 305 du triangle étant un segment de droite. En position abaissée de l'empilement, la portion cylindrique de la paroi 345', 305' est tangente à la paroi extérieure ou au plan extérieur 24. Une telle courbure peut être utile pour épouser la forme d'un cylindre, les plans ou parois 22 et 24 étant souvent cylindriques (voir par exemple les structures des figures 10 10b) suivant Un axe parallèle à la direction de traction.
Comme on le voit également sur les figures 2A - 2C , 3A - 3B et des figures 5A - 5D , chacune des faces latérales 301, 301', 321, 321', 341, 341', 361, 361' de chaque élément peut comporter deux tenons 30', 30", 32', 32", 34', 34", 36', 36", chaque tenon étant proche d'une des surfaces planes inférieure et supérieure de l'élément correspondant. Les deux tenons d'une même face latérale sont sensiblement alignés selon une direction parallèle à la base de ce même élément ou selon l'arête 305 dans la vue en coupe de la figure 2D (ou encore : selon la direction de traction). Chaque tenon a une forme sensiblement cylindrique, l'axe du cylindre étant dirigé de manière sensiblement perpendiculaire à la face latérale sur laquelle ce tenon est situé.
Une bielle ou biellette 40, 42, 44, 46 relie les deux tenons les plus proches de deux éléments voisins. Cette biellette va donc définir l'écart maximum qu'il peut y avoir entre les deux surfaces planes, inférieure et supérieure, les plus proches de deux éléments voisins, lorsque ceux-ci ne sont pas en contact. Elle définit également l'amplitude maximum du glissement possible d'une face plane d'un élément par rapport à la face plane en regard de l'élément voisin.
Ces biellettes, et les tenons correspondants, permettent d'appliquer à l'élément concerné une traction selon une direction parallèle, ou sensiblement parallèle, à l'axe Oz et/ou à l'intersection 305 de la base avec le plan zOx (cas des figures 2D et 3B). Dans le cas de la figure 4A, la force appliquée sur chaque face a une composante également selon Ox, mais cela est sans conséquence parce que, en position de traction (figure 4A) les éléments sont bloqués. Par conséquent, la force résultante est là encore selon l'axe Oz. Comme on le voit sur la figure 2A, et comme expliqué ci-dessous, une force F de direction Oz peut ainsi être appliquée ou transmise à chaque élément, la base de celui-ci restant parallèle à la paroi chaude ou froide correspondante vers laquelle elle est tournée. Dans la mesure où chaque élément est disposé, selon l'axe Oz, entre deux autres éléments, chaque tenon subit une force de traction vers le haut, mais également le poids des éléments qui sont situés sous lui.
On peut ainsi assurer le déplacement relatif des éléments constitutifs du panier, lorsque ceux-ci sont empilés et disposés entre les deux parois telles que les parois chaude et froide 22, 24.
Ces moyens vont permettre d'écarter les différents éléments par rapport à chacun de ses voisins et donc d'induire entre deux faces latérales de deux éléments voisins un écart e, ces deux faces latérales restant parallèle entre elles. De même, il se produit, lors de l'écartement des différents éléments, un positionnement de ceux-ci de sorte qu'un espace, ou jeu 27, 29, est ménagé entre les différents éléments et les parois 22,24.
Une biellette a par exemple la forme représentée en figure 2A ou 6A, cette forme est longitudinale et comporte une ouverture centrale, elle aussi longitudinale. L'amplitude maximum de cette ouverture, c'est-à-dire la distance entre les faces internes des deux petits côtés de la biellette est égale à la distance maximum souhaitée entre les génératrices extérieures des deux tenons voisins de deux éléments transmetteurs immédiatement voisins dans l'empilement. La biellette et son ouverture latérale permettent à 2 éléments voisins de glisser l'un sur l'autre, en gardant leurs faces planes immédiatement voisines en contact. Par exemple, on voit en figure 2A que chacune des biellettes a une ouverture centrale qui permet aux deux éléments voisins 301 et 321, 321 et 341, 341 et 361... d'être écartés de manière à ce que leurs faces latérales voisines restent parallèles entre elles avec une distance e. Cette distance, ou cet écartement, permet aux éléments transmetteurs d'être en position « soulevée » afin de permettre l'introduction de barres d'éléments dans le panier. En position abaissée, les faces latérales des éléments voisins sont en contact l'une avec l'autre, comme illustré en figure 6B ou 7B. Les biellettes sont alors dans une position relâchée, la distance entre deux tenons voisins de deux éléments voisins étant inférieure à l'amplitude maximale définie par l'ouverture interne de chaque biellette.
Un autre mode de réalisation des biellettes est représenté en figures 4A-4C : chaque biellette 47 comporte deux ouvertures, chacune de ces ouvertures permettant d'accueillir un tenon 30", 32" d'un des éléments transmetteurs. L'une de ces ouvertures, celle qui est autour du tenon 30", permet à la biellette de se déplacer seulement en rotation autour de ce tenon, mais pas en translation, tandis que l'autre ouverture lui permet de se déplacer en rotation autour du tenon 32" et permet à l'élément 32 de se déplacer en translation : l'ouverture correspondante s'étend sur une plus grande longueur, environ depuis le milieu de la biellette (dans le sens de sa longueur) jusqu'au côté intérieur d'une de ses extrémités latérales.
La distance entre les deux ouvertures et la longueur de la 2eme ouverture sont choisies de manière à ce que les deux éléments transmetteurs voisins puissent passer :
- d'une position dite initiale (figure 4A), dans laquelle les deux faces voisines de deux éléments voisins sont en contact, et un jeu 27, 29 est ménagé entre la base de chacun des éléments et la paroi ou la paroi 22,24 à laquelle cette base fait face,
- à une position intermédiaire (figure 4B), dans laquelle les faces latérales voisines de deux éléments voisins sont écartées l'une de l'autre d'une distance souhaitée, et chacune des bases se rapproche de la paroi 22, 24 correspondante,
- puis à une position de « placage » (figure 4C) dans laquelle 2 faces latérales voisines sont en contact l'une de l'autre ou plaquées l'une contre l'autre, et la base de chacun des éléments est plaquée contre la paroi 22, 24 correspondante.
Dans ce mouvement, les extrémités de la biellette effectuent, sous l'action des moyens 21 (figure 7A), un mouvement sensiblement circulaire, sur un cercle dont le centre est le centre de la biellette.
Un autre mode de réalisation d'un système de liaison entre les éléments voisins est illustré en figures 5A - 5D, les figures 5A - 5B correspondant à une réalisation avec une base 305 en forme de paroi plane, les figures 5C - 5D correspondant à une réalisation dont la base 305' a la forme d'une portion de cylindre. Cette fois, l'élément 30 représenté comporte :
- deux encoches latérales, ou évidements latéraux, 203, 204, qui débouchent dans la face plane supérieure 303 et éventuellement (comme c'est le cas sur les figures 5A - 5D) dans la face latérale 30 , 301 correspondante,
- deux encoches latérales, ou évidements latéraux, 205, 206, qui débouchent dans la face plane inférieure 303' et éventuellement dans la face latérale 30 , 301 correspondante.
Dans la paroi intérieure de chaque encoche latérale est ici réalisé un trou de 203', 204' dans lequel on peut positionner un tenon, destiné à coopérer avec l'extrémité d'une bielle ou d'une biellette, comme déjà décrit ci-dessus.
Une paroi de chaque encoche est donc destinée à être munie des moyens, par exemple au moins 1 plot ou 1 tenon, pour coupler chaque élément à l'aide, par exemple, de deux biellettes, comme expliqué ci-dessus. Chaque encoche a un volume suffisant pour accueillir une partie d'extrémité de la biellette correspondante.
Comme représenté en figure 7 A, des moyens ou un mécanisme de traction 21 sont positionnés d'un côté du panier, en haut ou en bas de celui-ci. Des moyens comportant par exemple une ou plusieurs tiges 210 et/ou un ou plusieurs vérins sont reliés à l'élément d'extrémité de l'empilement d'éléments pour communiquer à l'ensemble des éléments un mouvement ascendant ou descendant suivant l'axe Oz. Les moyens 21 peuvent permettre d'exercer une pression sur l'ensemble de l'empilement, lorsque celui-ci est en position fermée ou abaissée.
Lorsqu'on veut introduire un assemblage dans le panier, on exerce une force vers le haut, comme schématisé par les flèches F sur les figures 2A, 6A et 7A, parallèlement à l'axe Oz et à chacune des parois 22, 24.
Chaque élément du panier se sépare alors des éléments voisins, de la manière expliquée ci-dessus, en liaison avec les figures 4A - 4C, 6A - 6B et 7A -7B Ce mouvement libère des jeux 27, 29, 27', 29' dans le sens radial (figure 2A, 6A et 7A).
Une fois l'assemblage en place, on applique une force vers le bas (toujours selon l'axe Oz), ou bien c'est la force de gravitation qui attire les éléments transmetteurs vers le bas, les faces planes des éléments transmetteurs viennent en contact les unes avec les autres et les jeux internes et externes disparaissent (comme en figures 4C, 6B et 7B). À l'issue de cette phase, une force d'appui peut encore être exercée sur l'empilement d'éléments pour diminuer les résistances thermiques à l'interface solide-solide de chaque couple d'éléments voisins et garantir la tenue mécanique de l'ensemble, quelle que soit la position du château, y compris en position horizontale.
Comme on le voit dans les vues de dessus des figures 2B et 3 et dans la vue en perspective de la figure 2C, chaque élément transmetteur s'étend sur une longueur L limitée, par exemple comprise entre 100 mm et 200 mm ou encore 500 mm, cette longueur étant choisie en fonction des qualités de surface des éléments et de la qualité du transfert thermique souhaité. L peut être la longueur étirée d'un arc, notamment dans le cas d'une base telle que la base 345' de la figure 3B.
Par conséquent, un assemblage, qui a en général une forme cylindrique, va être entouré par une pluralité de n éléments de panier, disposés de manière sensiblement circulaire, chaque élément de panier couvrant un secteur d'environ 360°/n. Une telle disposition est représentée en figures 8A et 8B, pour un assemblage hexagonal, chaque élément de panier 60, 62, 64, 66, 68, 70 couvrant un secteur d'environ 60°. Les références 620-626 sont les éléments individuels deux éléments de panier 62. Les deux éléments d'extrémité 620 et 626 sont tronqués pour obtenir des surfaces planes, aux deux extrémités de l'empilement.
Sur ces figures 8A et 8B, on a représenté le système en trois dimensions, avec une rangée verticale d'éléments transmetteurs éliminée (ou un élément de panier éliminé) pour une meilleure visualisation. L'ensemble des éléments de panier est disposé pour définir une ouverture hexagonale interne à 17, dans laquelle un élément de combustible peut être introduit.
La figure 8A correspond à une situation d'ouverture, les éléments transmetteurs étant en position disjointe l'un de l'autre, comme illustré en figure 2A et en figure 4A. Un jeu, qui peut être important, est alors créé entre la charge, qui est au centre du panier, et la paroi interne de ce panier.
La figure 8B correspond à une situation de fermeture, les éléments transmetteurs voisins étant en position de contacts l'un avec l'autre, comme illustré en figure 4C et en figure 6B. Dans cette position, tout jeu, qui se trouvait précédemment entre la charge et la surface interne du panier, est annulé.
Dans l'exemple de réalisation des figures 8A et 8B, l'hexagone 15 est la charge, sa paroi extérieure correspond à la paroi chaude (parois 22) de la figure 2A.
Dans cette réalisation, on note la présence d'une zone, entre deux cellules voisines d'un même étage, ou entre 2 éléments (par exemple 62 et 64) de panier, dans laquelle il n'y a pas d'éléments transmetteurs. Mais, pour la même raison que celle indiqué ci-dessus pour les jeux résiduels 270, 290, cela n'est pas gênant du point de vue de la conduction thermique ; en effet, la chaleur passe « à côté », dans des zones hautement conductrices du point de vue thermique (le rapport de la conductivité de l'aluminium sur celle de l'hélium est de 1000 et, sur celle de l'air, elle est d'environ 6000).
Une fois le système mis en place (figures 7B, 8B), l'évacuation des calories dans le sens radial est améliorée et il est en résulte une diminution importante des gradients thermiques radiaux.
Ainsi en utilisant un procédé de stockage mettant en œuvre un panier tel que décrit ci-dessus, la limite précédemment énoncée de 2.5 kW (Tmax < 450°C) et 4.5 kW (Tmax < 650°C) pour un TN12 passe respectivement à 3.5 kW et 6.5 kW. Lors d'un transport d'un assemblage, on peut donc atteindre 5 kW pour Tmax < 450°C et 9 kW pour Tmax < 650°C.
La réalisation illustrée en figures 8A et 8B montre un panier (amputé d'une colonne d'éléments uniquement pour des questions de visibilité du dessin) et le tube hexagonal 15. Mais il est également possible d'introduire plusieurs assemblages, comme illustré en figure 10B, qui représente une vue de dessus : dans ce cas, le panier comporte :
- une pluralité de paniers élémentaires 100-106,
- une partie fixe 55 (un empilement de disques en matériau conducteur de chaleur, par exemple en aluminium, chaque disque ayant les ouvertures appropriées pour laisser passer les paniers aux positions souhaitées),
- une couronne d'éléments de panier 550 Chaque élément étant du type selon l'invention, comme déjà présenté ci-dessus. Le panier ainsi constitué est disposé à l'intérieur d'un château, l'ensemble étant entouré d'une virole 54 en acier et d'une couche 52 en résine. L'ensemble peut être muni d'ailettes 56 d'évacuation de la chaleur ; ce sont celles ailettes qui, sur la figure 10C, dépassent vers l'extérieur On retrouve ces références 52, 54 sur la figure 10A, pour le cas d'un seul panier.
Un ensemble constitutif d'un château, peut donc comporter au moins un panier élémentaire tel que décrit ci-dessus, mais également un ensemble de couches absorbantes, par exemple une couche 54 (qui peut être en acier forgé ou en plomb) pour absorber le rayonnement gamma, et une couche 52 (contenant beaucoup d'hydrogène) pour ralentir les neutrons.
Un panier élémentaire peut avoir la structure qui vient être décrite ci- dessus, sur toute sa hauteur.
Il peut également avoir une telle structure sur une hauteur h limitée, qui correspond à la puissance que l'on veut évacuer, par exemple environ 1 m, comme cela apparaît par exemple en figure 9A ou l'on voit que l'ensemble 20 des éléments mobiles s'étend sur une hauteur limitée de chaque paroi du panier (il s'agit de la hauteur sur laquelle les échanges thermiques ont lieu), le reste étant constitué par deux parties 20', 20" uniformes.
En variante, comme illustrée en figure 9B, quelques éléments peuvent être disposés dans une partie dans laquelle il y n'a pas, ou peu, d'échanges thermiques, comme dans les zones 200, 200'. Ces éléments fonctionnent comme ce qui a déjà été décrit ci-dessus, mais ils n'ont alors qu'un rôle de blocage mécanique, et pas, ou peu, de rôle du point de vue thermique. Au contraire, l'ensemble 20 des éléments mobiles a, à la fois, un rôle thermique et mécanique. Les zones 200', 200 sont séparés de la zone ou de la portion 20 par une portion de matériau homogène et continue, non munie d'éléments transmetteurs tels que décrit ci-dessus.
Les figures 9A - 9E représentent les étapes d'un chargement de combustible dans un dispositif selon l'invention. Dans un premier temps (figure 9A), cet ensemble, qui ne contient pas encore d'élément combustible, est plongé dans une piscine 120 et les couvercles 130 des différentes parties sont ouverts.
Puis (figure 9B) les éléments transmetteurs du panier sont soulevés, de la manière déjà expliquée ci-dessus, par traction sur l'ensemble des éléments, à l'aide des moyens 21. On relâche ainsi leur maintien et on introduit des jeux entre la base de chaque élément et la surface 22, 24 vers laquelle elle est tournée (voir les explications données ci-dessus).
Le panier étant maintenu dans cette position soulevée, on peut introduire un élément combustible 15 (voir la figure 9C) dans l'ouverture centrale 17.
On inverse ensuite la force d'appui sur les éléments de la paroi du panier, comme illustré en figure 9D, de manière à positionner les éléments transmetteurs en contact l'un de l'autre, et sans laisser du jeu entre les bases de ces éléments et les parois.
Enfin, l'ensemble est refermé, en ramenant les couvercles dans leur position initiale (voir figure 9E).
L'ensemble peut ensuite être soulevé de la piscine pour égouttage.
On présente dans la suite des résultats numériques pour des châteaux transportant 1, 7 ou 12 assemblages. Ces châteaux sont nommés TCl, TC2 ou TC12 selon qu'ils transportent 1, 2 ou 7 assemblages, ils sont inspirés de dimensions de châteaux actuels comme l'IL49 ou le TN12.
Pour une limite de 650°C, la puissance par assemblage va de 4kW6 (TC12) à 6kW3 (TCl) pour des jeux standards. Annuler ces jeux permettrait d'obtenir respectivement 6kW6 à 8kw8.
Ci-dessous, on chiffre les gains réalisés en termes de puissance évacuable pour un critère de température donné, pour le cas d'assemblages chargés en actinides mineurs.
La géométrie choisie pour le château est une géométrie multi couches : - de type TN12 (utilisée dès qu'on a plus d'un assemblage à transporter), représenté en vue de dessus en figure 10B. Dans cette géométrie, le diamètre extérieur de la couche 550 est le même que celui du panier utilisé aujourd'hui ce qui ne modifie en rien le reste de la géométrie. La référence 54 désigne une virole en acier,
- ou de type IL49 (pour le transport d'un seul assemblage), représenté en vue de dessus en figure 10A. Dans cette géométrie, le diamètre extérieur De de la couche 52 de résine, et le diamètre extérieur du panier 100 d'aluminium sont conservés
Trois cas en ont été étudiés : le cas d'un seul assemblage, celui de 7 assemblages et celui de 12 assemblages.
Pour le cas d'un seul assemblage, la géométrie est de type IL49.
L'étude de l'effet des paramètres Tmax et des jeux conduit aux résultats suivants, donnés en figure 11 sur laquelle :
- la courbe I correspond à 2 jeux de 1 mm chacun,
- la courbe II correspond à 1 jeu interne de 5 mm et 1 jeu externe de
I mm,
- la courbe III correspond à 1 jeu interne de 5 mm et 1 jeu externe de 2 mm,
- la courbe IV correspond à 2 jeux de 5 mm,
- la courbe V correspond à 2 jeux de 0 mm, c'est-à-dire à un contact obtenu selon la présente invention,
Par exemple, pour une valeur maximale de 650°C :
- dans le cas de la courbe I, on peut évacuer 8kW,
- dans le cas standard (courbe III) on peut évacuer environ 6.3kW,
- et l'optimum est de 8.7kW lorsque les jeux disparaissent (courbe V). Pour le cas de 7 assemblages, la géométrie est de type TN12.
Lors de l'étude paramétrique, on n'a étudié que le cas standard et celui où les jeux sont nuls (les autres cas étant compris entre ces 2 cas limites). L'étude de l'effet des paramètres Tmax et des jeux conduit aux résultats suivants, donnés en figure
II sur laquelle :
- la courbe Γ correspond à 1 jeu interne de 5 mm et 1 jeu externe de 1 mm; dans ce cas standard on peut évacuer 5.5kW par assemblage, soit une puissance totale de 39 kW et la résine a une température comprise entre 70°C et 88°C, - la courbe Ι Γ correspond à 2 jeux de 0 mm.
Là encore, on voit que la réduction des jeux permet, à une température au centre maximal donné, d'augmenter la puissance évacuable.
Pour le cas de 12 assemblages, on a repris la géométrie de type TN12. Lors de l'étude paramétrique, on n'a étudié que le cas standard et celui où les jeux sont nuls (les autres cas étant compris entre ces 2 cas limites). L'étude de l'effet des paramètres Tmax et des jeux conduit aux résultats suivants, donnés en figure 13 sur laquelle :
- la courbe I" correspond à 1 jeu interne de 5 mm et 1 jeu externe de 1 mm ; dans ce cas standard on peut évacuer 4.5kW par assemblage, soit une puissance totale de 54 kW, la température au centre étant inférieure à 650°C,
- la courbe M" correspond à 2 jeux de 0 mm.
Dans ce cas de forte puissance la résine externe atteint une température de 80°C.
Les résultats de la figure 13 conduisent à la même conclusion : la réduction des jeux permet, à une température maximale donnée é »au centre, d'augmenter la puissance évacuable.
On a synthétisé dans le tableau I I ci-dessous la puissance évacuable, pour les trois configurations ci-dessus, et pour 2 températures maximales différentes (450° C et 650° C). La puissance évacuable est indiquée pour chacun de ces cas, soulignée lorsque les jeux sont nuls.
P évacuable par 1 assemblage
1 assemblage 7 assemblages 12 assemblages
Tmax=450 oC 3,3kw (4,6kw) 2,9kw(4kw) 2,5kw (3,5kw)
Tmax=650°C 6,3kw (8,8kw) 5,5kw (7,6kw) 4,6kw (6,6kw)
Tab eau I I L'invention s'applique dans le domaine stockage et/ou du transport de matières radioactives de forte puissance, notamment de combustibles de forte puissance de la génération IV, par exemple encore d'assemblages chargés en actinides mineurs.

Claims

REVENDICATIONS
1. Elément transmetteur de la chaleur (30, 32, 34, 36) pour un panier de rangement de combustible nucléaire, de forme sensiblement prismatique, comportant 3 faces principales (303, 303', 305, 325, 345, 365), dont une base et 2 surfaces secondaires, et deux faces latérales (301, 301'), en un matériau transmettant la chaleur, muni latéralement de moyens pour assurer une traction de l'élément selon une direction parallèle à la base, et l'amener depuis une position initiale, dans laquelle l'élément transmetteur est relâché et est contre une paroi, dite chaude ou froide, à une position soulevée, séparée de celle-ci d'un espace, ou d'un jeu (27, 29), et inversement.
2. Élément selon la revendication 1, les moyens pour assurer une traction de l'élément :
- étant placés sur les faces latérales,
- ou comportant des encoches latérales ou des évidements latéraux
(203, 204, 205, 206) pratiqués dans l'élément, chaque évidement débouchant dans une des faces planes secondaires, et éventuellement dans la face latérale correspondante (303).
3. Élément selon la revendication 2, les moyens pour assurer une traction de l'élément comportant au moins 2 plots ou 2 tenons (30', 30", 32', 32", 34', 34", 36', 36"), placés sur chaque face latérale ou sur une paroi de chaque encoche latérale ou évidement latéral.
4. Élément selon l'une des revendications 1 à 3, comportant au moins une biellette (40, 42, 44, 47) de traction coopérant avec les moyens pour assurer une traction de l'élément selon une direction parallèle à la base.
5. Élément selon la revendication précédente, la biellette de traction ayant un intérieur au moins en partie ajouré.
6. Élément selon l'une des revendications précédentes, ayant, dans un plan perpendiculaire à la base, une forme sensiblement triangulaire.
7. Élément selon l'une des revendications précédentes, la base étant plane ou formant une portion de cylindre (305').
8. Élément selon l'une des revendications précédentes, les surfaces secondaires (303, 303') étant planes ou munies d'ondulations.
9. Elément (60, 62, 64, 66, 68, 70) de panier de rangement de combustible nucléaire, comportant :
- un premier empilement d'éléments transmetteurs selon l'une des revendications précédentes, disposé entre les deux parois, chaque surface secondaire d'un élément étant en regard d'une surface secondaire d'un élément transmetteur voisin, les bases des différents éléments absorbant étant alternativement tournées vers un côté de l'empilement, puis vers l'autre, chaque élément transmetteur étant connecté à ses voisins par les moyens pour assurer une traction de l'élément selon une direction parallèle à la base,
- des moyens (21) pour exercer une traction sur l'ensemble des éléments transmetteurs.
10. Élément (60, 62, 64, 66, 68, 70) de panier de rangement selon la revendication précédente, chaque surface secondaire d'un élément :
- étant en contact avec une surface secondaire d'un élément transmetteur lorsqu'aucune traction n'est exercée sur l'ensemble des éléments transmetteurs,
- et étant située à une distance non nulle, de ladite surface secondaire, et sensiblement parallèle à celle ci, lorsqu'une traction est exercée sur l'ensemble des éléments transmetteurs.
11. Élément (60, 62, 64, 66, 68, 70) de panier de rangement selon la revendication 9 ou 10, l'empilement d'éléments transmetteurs ayant une hauteur (h) inférieure à la hauteur totale de l'élément de panier.
12. Élément (60, 62, 64, 66, 68, 70) de panier de rangement selon l'une des revendications 9 à 11, comportant en outre au moins un deuxième empilement d'éléments transmetteurs selon l'une des revendications 1 à 8, disposés dans une zone (200, 200') séparée du premier empilement par une portion continue de matériau.
13. Panier de rangement de combustible nucléaire, comportant une pluralité d'éléments de panier de rangement selon l'une des revendications 9 à 12, disposés de manière à délimiter une cavité centrale (17) de forme sensiblement cylindrique ou carrée ou rectangulaire ou hexagonale dans un plan perpendiculaire à la direction de traction de chaque panier.
14. Château pour le stockage et/ou le transport de combustible nucléaire, comportant au moins un panier de rangement selon la revendication précédente, entouré d'une couche de protection périphérique (54) pour l'absorption des rayons gamma et une couche (52) de protection périphérique pour ralentir les neutrons.
15. Château pour le stockage de combustible nucléaire, selon la revendication précédente, comportant plusieurs paniers en nombre compris entre 2 et 12.
16. Procédé de stockage et/ou de transport de crayon de combustible nucléaire (15), comportant les étapes suivantes :
- exercer une traction sur les éléments transmetteurs des éléments de panier d'un panier de rangement selon la revendication 13, de manière à les amener depuis une position initiale à une position soulevée et à engendrer un jeu (27, 29) entre chaque élément transmetteur et les deux plans (22,24) qui définisse les surfaces chaudes et froides, - introduire un ou plusieurs crayons de combustible dans la cavité centrale (17),
- relâcher les éléments transmetteurs, pour les ramener dans la position initiale, dans laquelle la base de chaque élément transmetteur est positionnée en contact avec l'une ou l'autre des deux parois (22,24) chaude et froide.
17. Procédé selon la revendication 16, comportant une étape préalable d'introduction du panier de rangement dans une piscine (12), et une étape ultérieure d'extraction de la piscine, du panier chargé avec les crayons.
18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, dans lequel chaque crayon de combustible à une puissance au moins égale à 7 kW ou 8 kW.
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