ES2289583T3 - Procedimiento de limitacion de los esfuerzos de fijacion ejercidos sobre un conjunto de combustible de un reactor nuclear y conjunto de combustible. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de limitación de los esfuerzos de fijación ejercidos sobre un conjunto de combustible (1) de un reactor nuclear para compensar el empuje hidráulico del agua de refrigeración que atraviesa el conjunto de combustible (1) en funcionamiento en el reactor nuclear, comprendiendo el conjunto de combustible un armazón que contiene un haz de varillas combustibles (5) paralelas entre ellas, cerrado en sus extremos por dos cabezales transversales (7, 8) perpendiculares a la dirección longitudinal del conjunto de combustible (1), según la que circula el agua de refrigeración, comprendiendo cada uno de los cabezales (7, 8) por lo menos dos aberturas transversales de centrado (10, 12), cada una de ellas destinada a recibir un tetón de centrado (11, 13) de la placa inferior de soporte del núcleo (2) o de la placa superior del núcleo (3), caracterizado porque se realiza la fabricación de un casquillo elástico para introducirlo por rozamiento (15) en un tetón de centrado (11, 13), por al menosuna abertura de centrado de uno al menos de los cabezales (7, 8) del conjunto de combustible (1), comprendiendo el casquillo elástico un cuerpo anular que tiene una parte de fijación (15a), cuyo diámetro exterior es máximo y como mínimo igual al diámetro de la abertura de centrado (10, 12, 18) del cabezal (7, 8), según una parte de su longitud axial, por lo menos dos ramas flexibles (16) separadas una de la otra por al menos dos hendiduras (17) de dirección axial en toda la longitud del casquillo elástico (15) entre la parte de fijación (15a) y el extremo libre del casquillo (15), comprendiendo esta parte del casquillo ramas flexibles (16) que tienen un diámetro exterior inferior al diámetro de la abertura de centrado y una superficie anular de apoyo (19) en voladizo radial en el interior del casquillo (15) en la parte del extremo libre de las ramas flexibles (16), cuyo diámetro interior es inferior al diámetro de los tetones de centrado (11, 13), que se realiza dicha abertura (10, 12, 18)como mínimo en uno de los cabezales (7, 8) del conjunto de combustible (1) de un diámetro sensiblemente igual al diámetro exterior de la parte de fijación (15a) del casquillo elástico y que se fija el casquillo elástico (15) en dicha abertura de, como mínimo, uno de dichos cabezales (7, 8).
Description
Procedimiento de limitación de los esfuerzos de
fijación ejercidos sobre un conjunto de combustible de un reactor
nuclear y conjunto de combustible.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo de limitación de los esfuerzos de
fijación ejercidos sobre un conjunto de combustible de un reactor
nuclear para compensar el empuje hidráulico del agua de
refrigeración que circula por el conjunto combustible en servicio en
el reactor nuclear.
Se conocen conjuntos de combustible para
reactores nucleares refrigerados por agua y, en particular, para
reactores nucleares refrigerados por agua a presión, que comprenden
un haz de varillas de combustible paralelas entre ellas, fijadas en
un armazón cerrado en sus extremos por cabezales de dirección
transversal respecto a la dirección longitudinal axial del conjunto
de combustible.
En el caso de los reactores nucleares de agua a
presión, los conjuntos de combustible presentan generalmente la
forma de un paralelepípedo de base cuadrada de gran longitud, en la
dirección axial, por ejemplo, cuatro o más metros, que tiene una
sección cuyo lado tiene una longitud cercana a 0,20 m. Los cabezales
del conjunto de combustible tienen forma cuadrada, uno de los
cabezales situado en un primer extremo del conjunto de combustible
que está en la parte baja del conjunto de combustible en el reactor
en operación constituye el cabezal inferior y comprende, en cada
una de las esquinas, una pata destinada a apoyarse en una placa de
soporte del núcleo o placa inferior del núcleo. Dos de las patas
situadas según una diagonal del cabezal inferior están atravesadas
por aberturas destinadas, cada una de ellas, a recibir un tetón de
centrado del conjunto combustible que sobresale en la dirección
vertical y hacia arriba de la placa inferior del núcleo. Cuando se
deposita el conjunto de combustible en la placa inferior del
núcleo, se introducen las dos aberturas del cabezal inferior en dos
tetones de la placa inferior del núcleo destinados a asegurar la
posición vertical del conjunto de combustible sobre los agujeros de
paso del agua que atraviesa la placa inferior del núcleo. El cabezal
fijado en el segundo extremo del conjunto de combustible, destinado
a formar la parte alta cuando el conjunto de combustible se coloca
en el núcleo del reactor nuclear, denominado cabezal superior,
comprende en particular unos resortes de apoyo de láminas en su
superficie superior y dos aberturas de centrado en dos esquinas de
la sección cuadrada del cabezal superior. Las aberturas de centrado
del cabezal superior del conjunto de combustible están previstas
para recibir los tetones de centrado que sobresalen de una placa
superior del núcleo, destinada a reposar en la parte superior de
los conjuntos de combustible del núcleo que contienen los resortes
de apoyo de láminas. La placa superior del reactor nuclear
constituye la parte inferior de los componentes internos superiores
del reactor nuclear que se montan por encima del núcleo, después de
la carga de los conjuntos de combustible en la vasija del reactor
nuclear, de forma a asegurar la fijación de los conjuntos de
combustible del núcleo. Durante el montaje de la placa superior del
núcleo por encima de los conjuntos de combustible situados en el
núcleo del reactor, los tetones de centrado de la placa superior del
núcleo, dispuestos a la altura de cada uno de los conjuntos de
combustibles se introducen en las aberturas de centrado del cabezal
superior del conjunto de combustible.
Los tetones de centrado de la placa inferior del
núcleo y de la placa superior del núcleo tienen una parte de
acoplamiento de forma troncocónica y un cuerpo cilíndrico cuyo
diámetro es ligeramente inferior al diámetro de la abertura de
centrado. Los tetones de centrado aseguran entonces la fijación de
los conjuntos de combustible en las direcciones transversales
perpendiculares a la dirección longitudinal axial y en la dirección
longitudinal, permitiendo, no obstante, los desplazamientos
longitudinales para absorber las dilataciones diferenciales en el
reactor en operación, estando fijados los conjuntos combustibles en
la dirección axial por los resortes de láminas susceptibles de
deformase por flexión. En el reactor en operación, el agua de
refrigeración a presión del reactor nuclear atraviesa los conjuntos
de combustible en la dirección longitudinal axial y los somete, por
este hecho, a un empuje hidráulico en la dirección vertical de abajo
a arriba, que se traduce en esfuerzos ejercidos en la estructura
del conjunto de combustible y en un ligero desplazamiento de los
conjuntos de combustible en la dirección axial y en vibraciones
laterales. Para compensar el empuje hidráulico y pare evitar un
desplazamiento importante del conjunto de combustible bajo el
efecto del empuje hidráulico, es necesario prever resortes de
láminas que tengan características muy resistentes. Estos resortes
de láminas ejercen esfuerzos de compresión importantes en la
estructura del conjunto de combustible, de tal modo que es necesario
prever armazones de los conjuntos extremadamente resistentes,
experimentado estos armazones grandes esfuerzos en el reactor en
operación.
Por otra parte, durante los regímenes
transitorios del núcleo, en los que el caudal de agua de
refrigeración es susceptible de variar de manera rápida en el curso
del tiempo, el conjunto de combustible puede efectuar oscilaciones
y su cabezal inferior, en el momento que el conjunto de combustible
retrocede por efecto del empuje de los resortes de láminas, puede
llegar a golpear a la placa inferior del núcleo, lo que puede
ocasionar un desgaste y un deterioro de los conjuntos de
combustible en el reactor nuclear durante períodos de operación
prolongados.
Por consiguiente, es necesario limitar al máximo
los esfuerzos de fijación ejercidos en los conjuntos de
combustible para compensar el empuje hidráulico del agua de
refrigeración que atraviesa el conjunto de combustible.
Se ha propuesto, en la patente
FR-A-2.479.535, un dispositivo de
limitación de los efectos del empuje hidráulico axial en conjuntos
de combustible de reactor nuclear, de manera de poder suprimir los
resortes metálicos de apoyo en la parte superior de los conjuntos
combustibles y de limitar los desplazamientos rápidos y los choques
mecánicos consecutivos de los conjuntos combustibles durante
regímenes transitorios. Para eso, se fijan, en los cabezales de los
conjuntos de combustible, unos alojamientos tubulares salientes con
respecto al cabezal en dirección axial, cerrados en un extremo
axial fijado en el cabezal y abierto en su otro extremo para recibir
un tetón de centrado que se acopla de manera estanca o
prácticamente estanca en el interior del alojamiento. El
alojamiento comprende, además, una abertura calibrada al lado del
cabezal, de tal forma que, durante los desplazamientos axiales de
un conjunto de combustible en el reactor nuclear en operación, estos
desplazamientos sean frenados y amortiguados por el paso de agua en
la abertura calibrada. Se puede disponer además, en el interior del
alojamiento, un casquillo rasgado comprendiendo brazos flexibles
cuyo diámetro interior es ligeramente inferior al diámetro del dedo
de centrado.
Tal dispositivo es complejo y necesita una
modificación sustancial de los cabezales del conjunto de
combustible. Especialmente, es muy difícil modificar los conjuntos
combustibles existentes para limitar los efectos de compresión
ejercidos en la estructura del conjunto combustible para compensar
el empuje hidráulico en el conjunto de combustible en
operación.
El objetivo de la invención es dar a conocer de
esta manera un procedimiento de limitación de los esfuerzos de
fijación ejercidos en un conjunto de combustible de un reactor
nuclear para compensar el empuje hidráulico del agua de
refrigeración que atraviesa el conjunto de combustible en servicio
en el reactor nuclear, comprendiendo el conjunto de combustible un
armazón que contiene un haz de varillas de combustible paralelas
entre ellas; cerrada en sus extremos por unos cabezales
transversales perpendiculares a la dirección longitudinal del
conjunto de combustible, según la cual circula el agua de
refrigeración, comprendiendo cada uno de los cabezales por lo menos
dos aberturas que atraviesan axialmente destinadas a recibir cada
una un tetón de centrado de una placa inferior de soporte del
núcleo o de una placa superior del núcleo, pudiendo aplicarse este
procedimiento en los conjuntos de combustibles nuevos o en los
conjuntos de combustible habituales, de forma que se puedan
utilizar resortes de láminas de características mas débiles
ejerciendo una compresión reducida en el conjunto de combustible y
que se limiten los desplazamientos o choques del conjunto de
combustible en el reactor en operación.
Con este objeto, se realiza la fabricación y el
aprovisionamiento de un casquillo elástico de acoplamiento frotante
de un tetón de centrado, para al menos una abertura de centrado, de
por lo menos un cabezal del conjunto de combustible, comprendiendo
el casquillo elástico un cuerpo anular que tiene una parte de
fijación cuyo diámetro exterior es máximo y por lo menos igual al
diámetro de la abertura de centrado del cabezal, siguiendo una
parte de su longitud axial, por lo menos dos ramas flexibles
separadas una de la otra por lo menos dos ranuras de dirección
axial en toda la longitud del casquillo entre la parte de fijación y
un extremo axial libre del casquillo, según la cual el casquillo
presenta un diámetro exterior inferior al diámetro de la abertura
de centrado y una superficie anular de apoyo en voladizo radial en
el interior del casquillo en la parte del extremo libre de las
ramas flexibles, cuyo diámetro interior es inferior al diámetro de
los tetones de centrado,
- se hacen las aberturas de por lo menos un
cabezal del conjunto combustible de un diámetro sensiblemente igual
al diámetro exterior de la parte de fijación del casquillo elástico,
y
- se fija un casquillo elástico en la abertura
de los cabezales del conjunto de combustible.
Según los modos particulares de aplicación:
- el casquillo elástico se fija en la abertura
del cabezal del conjunto de combustible mediante uno de los
siguientes procedimientos: embutido, expansionado, soldadura,
atornillado;
- se fijan los casquillos elásticos en las
aberturas transversales de únicamente uno de los cabezales del
conjunto de combustible y preferentemente en las aberturas
transversales del cabezal inferior;
- se fijan los casquillos elásticos en las
aberturas transversales de cada uno de los cabezales superior e
inferior del conjunto de combustible;
- se fabrican casquillos elásticos cuyo diámetro
interior sea superior al diámetro de la parte cilíndrica de
acoplamiento de los tetones de centrado, para tener en cuenta las
tolerancias en el diámetro de la parte cilíndrica de acoplamiento
del tetón de centrado y en la separación entre los tetones de
centrado destinados a ser acoplados en el cabezal de un conjunto de
combustible;
- se prevén arcos de forma elíptica y arcos de
forma circular de contacto con el tetón de centrado en la superficie
anular de apoyo en el interior del casquillo, para optimizar el
contacto y el rozamiento de un tetón de centrado con la parte de
apoyo del casquillo elástico, durante los desplazamientos del
conjunto de combustible en la dirección vertical bajo el efecto del
empuje hidráulico.
La invención se refiere igualmente a un conjunto
de combustible de un reactor nuclear, que comprende un armazón que
contiene un haz de varillas de combustible paralelas entre sí,
cerrado en sus extremos por cabezales transversales perpendiculares
a la dirección longitudinal del conjunto de combustible, según la
cual circula el agua de refrigeración, comprendiendo cada uno de
los cabezales por lo menos dos aberturas que los atraviesan
axialmente destinadas a recibir cada una un tetón de centrado de la
placa inferior del núcleo o de la placa superior del núcleo,
caracterizado porque en el interior de por lo menos una abertura
transversal de al menos uno de los cabezales del conjunto de
combustible, está fijado un casquillo elástico que comprende un
cuerpo anular que tiene una parte de fijación, cuyo diámetro
exterior es máximo y por lo menos igual al diámetro de la abertura
transversal según una parte de su longitud axial, por lo menos dos
ramas flexibles separadas una de la otra por al menos dos ranuras
de dirección axial en toda la longitud del casquillo entre la parte
de fijación y el extremo libre del casquillo, teniendo un diámetro
exterior inferior al diámetro de la parte de fijación y una
superficie anular de apoyo en voladizo radial en el interior del
casquillo en una parte del extremo libre de las ramas flexibles,
cuyo diámetro interior es inferior al diámetro de los tetones de
centrado destinados a ser introducidos en las aberturas del
cabezal.
Preferentemente:
- las aberturas transversales del cabezal del
conjunto de combustible, en las cuales se fija el casquillo
elástico tienen un diámetro sensiblemente superior al diámetro de
los tetones de centrado, estando determinado el diámetro de las
aberturas transversales por la siguiente ecuación: DD = DB + DI -
DC, en la cual DD es el diámetro del escariado de la abertura
transversal del cabezal, DI es el diámetro interior de la parte
corriente del casquillo elástico, DB es el diámetro exterior de los
brazos flexibles del casquillo y DC es el diámetro de la parte de
apoyo interior de las ramas elásticas del casquillo.
- el diámetro interior de la parte corriente del
casquillo elástico es superior al diámetro del tetón de centrado,
para tener en cuenta las tolerancias en el diámetro de los tetones
de centrado y en la separación de los tetones de centrado
destinados a ser introducidos en el cabezal del conjunto de
combustible.
Con el fin de comprender mejor la invención, se
describe a continuación, a título de ejemplo, un modo de realización
del procedimiento según la invención y del casquillo elástico
utilizado en la ejecución del procedimiento.
La figura 1 es una vista, en perspectiva, de un
conjunto de combustible de un reactor nuclear de agua a presión en
posición de operación en el núcleo del reactor nuclear entre la
placa inferior y la placa superior del núcleo.
La figura 2 es una vista, en sección axial, de
un casquillo elástico montado en el cabezal del conjunto
combustible, después de la aplicación del procedimiento según la
invención.
La figura 3 es una vista, en sección
transversal, según (3-3) de la figura 2.
Las figuras 4A y 4B son vistas de la parte
superior de los tetones de centrado de la placa inferior del núcleo
del reactor, introducidos en dos casquillos elásticos de un cabezal
inferior de un conjunto de combustible.
La figura 4A se refiere a una primera variante
de realización y la figura 4B a una segunda variante de
realización.
La figura 5 es una vista, en alzado y en sección
parcial, de un tetón de centrado de la placa inferior de soporte
del núcleo de un reactor nuclear.
En la figura 1, se ha representado un conjunto
de combustible de un reactor nuclear refrigerado por agua a
presión, designado de forma general por la marca (1), en la posición
de operación en el núcleo del reactor nuclear, entre la placa
inferior del núcleo (2) y la placa superior del núcleo (3).
El conjunto de combustible (1) comprende un
armazón constituido principalmente por
rejillas-separadoras tales como las (4a) y (4b) que
aseguran la conservación de las varillas de combustible (5) del
conjunto de combustible en forma de haz, en el que todas las
varillas están paralelas entre sí y se mantienen en las direcciones
transversales en el interior de celdas de las
rejillas-separadoras dispuestas según una red
regular de malla cuadrada. El armazón del conjunto de combustible
comprende igualmente los tubos-guía (6) de una
longitud superior a la longitud de las varillas (5), un cabezal
inferior (7) y un cabezal superior (8) fijados en los extremos de
los tubos-guía (6) en voladizo axial con respecto a
los extremos del haz de varilla (5).
El cabezal inferior (7) del conjunto de
combustible comprende una placa transversal de forma cuadrada y unas
patas (9) solidarias a la placa (7) a la altura de cada una de sus
esquinas. El conjunto de combustible (1), como se aprecia en la
figura 1, se apoya en la placa inferior del núcleo (2) por medio de
las patas (9). Dos de las patas (9), dispuestas según una diagonal
del cabezal (7) de forma cuadrada, están atravesadas por aberturas
(10), en cada una de las cuales se introduce un tetón de centrado
(11) en voladizo sobre la superficie superior de la placa de
soporte del núcleo (2), sobre la que se deposita el conjunto de
combustible, permitiendo los tetones (11) introducidos en las
aberturas (10) de las dos patas del conjunto de combustible asegurar
el posicionamiento y el centrado del conjunto de combustible en la
placa inferior del núcleo (2). La placa inferior del núcleo (2) es
atravesada por aberturas de paso de agua. Normalmente se disponen de
cuatro aberturas de paso de agua verticales a cada uno de los
conjuntos de combustible (1) del núcleo del reactor nuclear y
desembocan en la parte inferior de la placa transversal del cabezal
inferior, que es atravesada por orificios de paso de agua
calibrados asegurando el reparto del agua de refrigeración del
reactor entre las varillas de combustible (5) del haz del conjunto
de combustible.
Durante la carga del núcleo del reactor nuclear,
las caras verticales planas que delimitan los conjuntos de
combustible (1) de forma paralelipédica de base cuadrada se sitúan
en posiciones adyacentes, estando sensiblemente en contacto las
superficies periféricas externas de las
rejillas-separadoras de los conjuntos de
combustible.
\newpage
El armazón del conjunto de combustible (1)
comprende también un cabezal superior (8) fijado en los extremos
superiores de los tubos-guía (6). El cabezal
superior (8) del conjunto de combustible que se representa en la
figura 1 comprende un marco (8a) de sección cuadrada y una placa
transversal solidaria del cuadro (8a) atravesada por aberturas de
paso del agua de refrigeración del conjunto de combustible.
En dos ángulos del marco (8a) dispuestos según
una diagonal del cabezal, están situadas dos aberturas (12)
destinadas a recibir cada una un tetón de centrado (13) que
sobresale por debajo de la placa superior del núcleo (3) del
reactor nuclear, durante el montaje de la placa superior del núcleo
(3) sobre los conjuntos de combustible cargados en el núcleo.
Siguiendo la dirección de cada lado del marco
(8a), se sitúa un conjunto de resortes de láminas (14) destinados a
asegurar la fijación del conjunto de combustible por debajo de la
placa superior del núcleo (3). Cada uno de los conjuntos de
resortes de láminas (14) se fija en el marco (8a) del cabezal a la
altura de un ángulo del marco (8a), la fijación de los cuatro
conjuntos de resortes de láminas se asegura a la altura de dos
ángulos del cuadro dispuestos en la segunda diagonal del cuadro
(8a) perpendicular a la diagonal en la que están situadas las
aberturas (12) de introducción de los tetones (13) de la placa
superior del núcleo.
Después de la carga del núcleo del reactor
nuclear, en el interior de la vasija del reactor, cada uno de los
conjuntos de combustible que viene a reposar en una posición
determinada en la placa inferior del núcleo, se vuelven a colocar
por encima del núcleo los componentes internos superiores del
reactor nuclear que comprende, en su parte inferior, la placa
superior del núcleo, cuyos tetones de guiado se introducen en las
aberturas de los cabezales superiores de los conjuntos de
combustible. Los resortes de láminas (14) son comprimidos por el
peso de los componentes internos superiores y por la presión
inducida por el cierre de la cabeza de la vasija, siendo
trasmitidas las fuerzas de compresión a la estructura del conjunto
de combustible que comprende el armazón y el haz de varillas.
La utilización de los resortes de láminas para
asegurar el apoyo de la placa superior del núcleo en los conjuntos
de combustible se muestra necesario por el hecho que aparecen
dilataciones diferenciales entre las estructuras del reactor
nuclear y los conjuntos de combustible, durante la subida de
temperatura en el reactor nuclear hasta la temperatura de
funcionamiento. Las dilataciones diferenciales son absorbidas por
los resortes de compresión (14) de los conjuntos de
combustible.
Durante el funcionamiento del reactor nuclear,
el agua de refrigeración circula entre los conjuntos de combustible
a una gran velocidad, de manera que los conjuntos de combustible
están sometidos a un empuje hidráulico en la dirección vertical y
de abajo a arriba, es decir según el sentido de la circulación del
agua de refrigeración. Para suprimir o limitar lo máximo posible
los desplazamientos de los conjuntos de combustible bajo el efecto
del empuje hidráulico, en especial durante las fases transitorias de
funcionamiento del reactor, se utilizan resortes de láminas (14)
que tengan características elevadas, es decir, resortes de láminas
por medio de los cuales se transmiten las importantes fuerzas de
compresión a las estructuras de los conjuntos de combustible. La
utilización de resortes de características elevadas permite limitar
o suprimir los desplazamientos verticales de los conjuntos
combustible y las vibraciones laterales, lo que permite evitar en
especial los choques violentos de los cabezales inferiores de los
conjuntos de combustible en la placa inferior del núcleo, después de
un levantamiento del conjunto de combustible bajo el efecto del
empuje hidráulico.
Con el objetivo de limitar las fuerzas de
compresión ejercidas en los conjuntos de combustible del núcleo de
un reactor nuclear, se ha ideado producir fuerzas que se opongan al
desplazamiento vertical de los conjuntos de combustible bajo el
efecto del empuje hidráulico, además de los resortes de
fijación.
Según la invención, la limitación de los
esfuerzos de compresión que se oponen al empuje hidráulico se
obtiene creando un rozamiento mecánico entre los tetones de
centrado de al menos una de las placas inferior y superior del
núcleo en el interior de las aberturas de paso de por lo menos uno
de los cabezales del conjunto de combus-
tible.
tible.
El procedimiento según la invención permite
realizar o modificar los conjuntos nuevos así como los conjuntos
habituales para obtener una reducción sustancial o una supresión de
los desplazamientos verticales y las vibraciones laterales de los
conjuntos de combustible en el núcleo del reactor nuclear bajo el
efecto del empuje hidráulico, limitando de forma sustancial los
esfuerzos de fijación ejercidos en el conjunto de combustible.
Las figuras 2 y 3 se refieren a la aplicación
del procedimiento según la invención por frenado del conjunto de
combustible a la altura de su cabezal inferior.
En la figura 2, se ha representado una parte de
una pata (9) del cabezal inferior de un conjunto de combustible
destinado a apoyarse en la placa inferior del núcleo del reactor
nuclear.
El procedimiento de limitación según la
invención consiste en introducir y fijar, en el interior de una
abertura transversal de la pata (9) del cabezal inferior, un
casquillo elástico (15) destinado a recibir, en su escariado
interno, un tetón de centrado de la placa inferior del núcleo del
reactor nuclear.
\newpage
El casquillo elástico (15) está realizado en
forma de casquillo rasgado comprendiendo cuatro ramas flexibles
(16) separadas una de otra por cuatro hendiduras (17) axiales que se
extienden en una parte de la longitud del casquillo flexible
(15).
El casquillo flexible (15) comprende una parte
para fijación (15a) en el interior del orificio (18) que atraviesa
la pata (9) del cabezal inferior del conjunto de combustible. La
parte de fijación (15a) del casquillo elástico está situada en uno
de los extremos axiales del casquillo (15) y se extiende en una
longitud axial que puede ser, por ejemplo, del orden del 10% al 20%
de la longitud axial total del casquillo elástico. Las ramas
elásticas (16) y las hendiduras (17) del casquillo se extienden
según la parte restante del casquillo, entre la parte de fijación
(15a) y el extremo libre de las ramas flexibles (16).
El diámetro exterior del casquillo tubular, en
la parte de fijación (15a), es apreciablemente igual al diámetro DA
de la abertura (18) en la parte superior de la pata (9) del
cabezal.
Tal como se ha representado en las figuras 2 y
3, el casquillo está fijado en el interior de la abertura (18) del
cabezal. El casquillo (15) puede fijarse en la abertura (18) de la
pata (9) del cabezal, ya sea introduciéndolo a la fuerza o
embutido, o por soldadura, en el caso en que los materiales que
constituyen la pata (9) del cabezal y el casquillo elástico (5)
sean compatibles metalúrgicamente.
En el caso de la fabricación de conjuntos de
combustible (9), el diámetro (DA) de la abertura (18) y por tanto
el diámetro exterior de la parte de fijación (15a) del casquillo
elástico (15) puede seleccionarse de forma que se pueda introducir
un casquillo (15) que tenga un espesor de pared determinado,
teniendo en cuenta el diámetro de los tetones de guiado de la placa
inferior del núcleo. En todos los casos por supuesto, el diámetro
de la abertura (18) es superior al diámetro de los tetones de guiado
que deben ser introducidos en el interior del casquillo elástico
(15) fijado en la abertura transversal (18) de la pata (9) del
cabezal inferior.
En el caso de un conjunto de combustible
existente, por ejemplo, un conjunto de combustible nuevo de tipo
clásico o un conjunto de combustible habitual, las patas (9) del
cabezal inferior del conjunto de combustible están atravesadas por
aberturas que tienen un diámetro que solo es ligeramente superior al
diámetro de los tetones de guiado de la placa inferior del núcleo.
En este caso, se efectúa, para el montaje del casquillo (15) de
dimensiones optimizadas, un rectificado de la abertura de la pata
del cabezal para obtener una abertura (18) en la que se pueda fijar
el casquillo (15) por su parte de fijación (15a).
El casquillo (15) comprende, en un extremo libre
de cada una de sus ramas elásticas (16), en la parte opuesta de la
unión de la rama elástica (16) a la parte de fijación (15a) del
casquillo, una pestaña (19) en voladizo radial hacia el interior
del casquillo, constituyendo las cuatro pestañas en voladizo de las
cuatro ramas elásticas (16) una parte de apoyo (19) sensiblemente
anular discontinua.
Las características geométricas del casquillo
que definen el acoplamiento y por tanto la fuerza de rozamiento en
el dedo de acoplamiento introducido en el casquillo, comprenden, en
especial, el diámetro exterior (DB) de las ramas elásticas del
casquillo, el diámetro interior (DC) de las ramas elásticas del
casquillo, a la altura de la superficie de apoyo (19) de forma
anular en el tetón de centrado introducido en el casquillo elástico
(15) y el diámetro (DD) de la parte del escariado (18) enfrente del
extremo libre de las ramas elásticas (16) del casquillo (15).
Normalmente, el diámetro (DD) es igual al
diámetro (DA), teniendo el orificio (18) que atraviesa la pata del
cabezal un diámetro constante. No obstante, es posible prever un
diámetro distinto del orificio (18) en la zona de fijación del
casquillo y en la parte que reciban las ramas elásticas (16).
El diámetro interior de apoyo (DC) de las ramas
elásticas debe ser igual al diámetro exterior de un tetón de
centrado de la placa inferior del núcleo menos un cierto valor de
ajuste que puede calcularse en función del esfuerzo de rozamiento
alcanzado en la dirección vertical entre el tetón de centrado y el
casquillo flexible. El cálculo del ajuste debe tener en cuenta la
longitud y la rigidez de las ramas flexibles y las solicitaciones
vibratorias laterales a las que está sometido el conjunto de
combustible.
El diámetro interior (DI) del casquillo elástico
(15), fuera de la parte de apoyo (19), debe ser superior al
diámetro de los tetones de centrado de la placa inferior del núcleo,
para tener en cuenta las incertidumbres en la posición de los
tetones de centrado de los conjuntos de combustible.
Con el fin de limitar el movimiento entre el
casquillo y el tetón de centrado de la placa inferior del núcleo en
situación accidental, se puede calcular el diámetro (DD) de la zona
de escariado (18) situada frente a las ramas flexibles, en función
de los diámetros externos e internos de las ramas flexibles,
mediante la siguiente fórmula:
DD = DB + DI -
DC.
De esta forma, el juego diametral alrededor de
las ramas flexibles (16) del casquillo (15) es igual al
desplazamiento máximo de las ramas (16) deformadas por flexión,
durante la introducción de un tetón de centrado en el casquillo
(15). Además, el apoyo entre el casquillo (15) y el tetón de
centrado que se efectúa a la altura de la superficie de apoyo (19)
al lado de los extremos libres de las ramas flexibles (16) y situado
en la proximidad inmediata de la superficie de apoyo de la pata (9)
en la placa inferior del núcleo, permite evitar las solicitaciones
de flexión en el tetón de centrado. En el caso de solicitación
transversal en condición accidental, debido al valor elegido del
diámetro (DD) por el cálculo mencionado anteriormente, las ramas
flexibles (16) están apoyadas en la superficie interior de la
abertura (18) y el tetón de centrado no está solicitado por flexión,
por el hecho de que está sostenido en una parte de su superficie
próxima de la placa inferior del núcleo.
El cálculo y la determinación del diámetro (DD)
permiten realizar el escariado (18), por mecanizado o por
re-mecanizado de las patas del cabezal inferior del
conjunto de combustible.
Para obtener una limitación sustancial de las
fuerzas de compresión ejercidas en el conjunto de combustible para
asegurar su fijación, puede ser necesario colocar casquillos
elásticos, tanto en las aberturas del cabezal inferior de los
conjuntos de combustible como en las aberturas transversales del
cabezal superior. En este caso, el frenado se realiza tanto en la
superficie de los tetones de guiado de la placa inferior del núcleo
como en la superficie de los tetones de la placa superior del
núcleo.
No se describirá la realización y el montaje de
los casquillos elásticos que pueden colocarse en las aberturas (12)
del marco (8a) del cabezal superior de un conjunto de combustible,
realizándose el montaje de los casquillos elásticos de frenado en
las aberturas del cabezal superior de forma análoga al montaje de
los casquillos elásticos en las aberturas transversales de las
patas del cabezal inferior del conjunto de combustible.
Los casquillos elásticos (15) pueden fabricarse
con un material de límite elástico elevado y que sea poco sensible
a la deformación. Se pueden utilizar, en particular, aleaciones de
níquel tales como la aleación 750 o la aleación 718, acero
inoxidable martensítico tal como el acero Z12CN13 o también titanio
o una de sus aleaciones. Siendo normalmente los cabezales de los
conjuntos de combustible de acero inoxidable austenítico, la
fijación de los casquillos elásticos por abrazaderas en las
aberturas pasantes de los cabezales puede plantear ciertos
problemas, por el hecho de que los materiales elásticos considerados
para los casquillos presentan coeficientes de dilatación inferiores
al de los aceros austeníticos. En ciertos casos, es posible y
preferible realizar la unión entre el casquillo elástico y el
cabezal por soldadura. En otros casos, puede ser necesario recurrir
a un ensamblaje atornillado entre el casquillo elástico y el
cabezal, proveyendo un bloqueo del ensamblaje atornillado para
hacer que el casquillo elástico no se pueda aflojar.
La utilización de casquillos elásticos tales
como los casquillos descritos permite obtener esfuerzos de
rozamiento de algunas centenas de daN por cabezal y, por ejemplo,
de 300 a 400 daN por conjunto.
La obtención de tales esfuerzos de rozamiento
axial entre el conjunto de combustible y los tetones de centrado
del conjunto permite reducir considerablemente el esfuerzo de
compresión ejercido en el conjunto de combustible. La reducción del
esfuerzo de compresión obtenido puede ser así del 50% o superior, lo
que permite conservar la estructura del conjunto de
combustible.
En la figura 5, se ha representado un tetón (11)
fijado en la placa inferior del núcleo (2), por medio de una tuerca
(11') atornillada en una parte fileteada del tetón de centrado (11)
introducido en una abertura transversal de la placa inferior del
núcleo (2).
Tal como se aprecia en la figura 4A, dos tetones
(11) están fijados en la placa inferior del núcleo (2) verticales
con relación a cada uno de los conjuntos de combustible en las
disposiciones que permiten su introducción en dos aberturas del
cabezal inferior del conjunto de combustible.
Los tetones (11) están dispuestos en la placa
inferior del núcleo, de una y otra parte de dos orificios de paso
del agua (20) destinados a asegurar el paso del agua de alimentación
hacia el conjunto de combustible.
Se han representado igualmente, en la figura 4A,
dos casquillos elásticos (15) según la invención, que se han
introducido previamente en el cabezal inferior del conjunto de
combustible destinado a apoyarse en la placa inferior del núcleo en
la posición representada en la figura 4A, los casquillos elásticos
(15) se han fijado en el interior de las aberturas transversales
del cabezal, tal como se ha descrito anteriormente, viniendo a
acoplarse en los tetones (11). Para asegurar una introducción de los
casquillos elásticos (15) en los tetones (11) en condiciones
satisfactorias, es decir, sin ejercer esfuerzos de flexión excesivos
en los tetones (11), es necesario tener en cuenta, en el momento de
la realización y de la fijación de los casquillos elásticos en el
cabezal del conjunto de combustible, las tolerancias admitidas en el
diámetro (DS) (véase la figura 5) de la parte cilíndrica del tetón
de centrado (11) y en las distancias (L1) y (L2) entre las
generatrices más cercanas y las generatrices más alejadas de la
superficie cilíndrica de los tetones de centrado.
Se ha efectuado una estadística del conjunto de
tetones de la placa inferior del núcleo de un reactor nuclear y se
han determinado las horquillas máximas de variación de los
parámetros (DS), (L1) y (L2).
Se ha deducido a partir de ello el diámetro
interior (DI) que es necesario prever para los casquillos
elásticos.
Tal como se ha descrito anteriormente, se deduce
el diámetro (DD) del escariado transversal del cabezal que se debe
prever o mecanizar para el montaje del casquillo (15).
Además, los casquillos elásticos (15) deben
montarse, en cada uno de los conjuntos de combustible, en una
orientación que permita a la vez asegurar el centrado fácil del
casquillo en los tetones (11) de la placa inferior del núcleo (2) y
un buen cierre de los casquillos que asegure una fuerza de
rozamiento que permita reducir notablemente la fuerza de compresión
a ejercer en el conjunto de combustible.
Estos dos objetivos contradictorios pueden ser
conciliados, tal como se ha representado en la figura 4B, utilizando
casquillos que tengan arcos de apoyo elípticos y orientando los
casquillos para asegurar un cierre más fuerte en la dirección
perpendicular a la diagonal, según la cual de disponen los
casquillos elásticos (15).
La invención permite reducir de esta forma de
manera simple y eficaz, la fuerza de fijación necesaria y la fuerza
de compresión en la estructura de un conjunto de combustible, lo que
permite utilizar estructuras ligeras para los conjuntos de
combustible.
La invención no se limita a los modos de
realización que se han descrito.
De esta manera, los casquillos elásticos pueden
presentar una forma diferente de la que se ha descrito y los
casquillos elásticos pueden asociarse con cualquier otro medio de
frenado de los desplazamientos verticales del conjunto de
combustible.
La invención se aplica a todo tipo de reactor
nuclear refrigerado por agua.
Claims (9)
1. Procedimiento de limitación de los esfuerzos
de fijación ejercidos sobre un conjunto de combustible (1) de un
reactor nuclear para compensar el empuje hidráulico del agua de
refrigeración que atraviesa el conjunto de combustible (1) en
funcionamiento en el reactor nuclear, comprendiendo el conjunto de
combustible un armazón que contiene un haz de varillas combustibles
(5) paralelas entre ellas, cerrado en sus extremos por dos cabezales
transversales (7, 8) perpendiculares a la dirección longitudinal
del conjunto de combustible (1), según la que circula el agua de
refrigeración, comprendiendo cada uno de los cabezales (7, 8) por lo
menos dos aberturas transversales de centrado (10, 12), cada una de
ellas destinada a recibir un tetón de centrado (11, 13) de la placa
inferior de soporte del núcleo (2) o de la placa superior del núcleo
(3), caracterizado porque se realiza la fabricación de un
casquillo elástico para introducirlo por rozamiento (15) en un tetón
de centrado (11, 13), por al menos una abertura de centrado de uno
al menos de los cabezales (7, 8) del conjunto de combustible (1),
comprendiendo el casquillo elástico un cuerpo anular que tiene una
parte de fijación (15a), cuyo diámetro exterior es máximo y como
mínimo igual al diámetro de la abertura de centrado (10, 12, 18) del
cabezal (7, 8), según una parte de su longitud axial, por lo menos
dos ramas flexibles (16) separadas una de la otra por al menos dos
hendiduras (17) de dirección axial en toda la longitud del casquillo
elástico (15) entre la parte de fijación (15a) y el extremo libre
del casquillo (15), comprendiendo esta parte del casquillo ramas
flexibles (16) que tienen un diámetro exterior inferior al diámetro
de la abertura de centrado y una superficie anular de apoyo (19) en
voladizo radial en el interior del casquillo (15) en la parte del
extremo libre de las ramas flexibles (16), cuyo diámetro interior
es inferior al diámetro de los tetones de centrado (11, 13), que se
realiza dicha abertura (10, 12, 18) como mínimo en uno de los
cabezales (7, 8) del conjunto de combustible (1) de un diámetro
sensiblemente igual al diámetro exterior de la parte de fijación
(15a) del casquillo elástico y que se fija el casquillo elástico
(15) en dicha abertura de, como mínimo, uno de dichos cabezales (7,
8).
2. Procedimiento, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el casquillo elástico (15) está fijado
en la abertura (10, 12) del cabezal (7, 8) del conjunto de
combustible al menos por uno de los siguientes procedimientos:
embutido, expansionado, soldadura, atornillado.
3. Procedimiento, según la reivindicación 1,
caracterizado porque se fijan los casquillos elásticos (15)
en las aberturas transversales (10, 12, 18) únicamente en uno de
los cabezales (7,8) del conjunto de combustible y preferentemente
en las aberturas transversales (10, 18) del cabezal inferior
(7).
4. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque se fijan los
casquillos elásticos (15) en las aberturas transversales de cada
uno de los cabezales superior (8) e inferior (9) del conjunto de
combustible.
5. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se fabrican los
casquillos elásticos cuyo diámetro interior (DI) es superior al
diámetro de una parte cilíndrica de introducción de los tetones de
centrado (11, 13), para tener en cuenta las tolerancias en el
diámetro de la parte cilíndrica de introducción del tetón de
centrado y en la separación entre los tetones de centrado destinados
a ser acoplados en el cabezal del conjunto de combustible.
6. Procedimiento, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se prevén arcos
de forma elíptica y arcos de forma circular de contacto con el
tetón de centrado (11, 13) en la superficie anular de apoyo (19) en
el interior del casquillo (15), para optimizar el contacto y el
rozamiento del tetón de centrado (11, 13) con la parte de apoyo
(19) del casquillo elástico (15), durante los desplazamientos del
conjunto de combustible en la dirección vertical bajo el efecto del
empuje hidráulico.
7. Conjunto de combustible de un reactor
nuclear, constituido por un armazón que contiene un haz de varillas
combustibles (5) paralelas entre ellas, cerrado en sus extremos por
dos cabezales transversales (8, 9) perpendiculares a la dirección
longitudinal del conjunto de combustible (1) en la que circula el
agua de refrigeración, comprendiendo cada uno de los cabezales (7,
8) por lo menos dos aberturas transversales axiales (10, 12, 18)
destinadas a recibir, cada una de ellas, un tetón de centrado (11,
13) de una placa inferior del núcleo (2) o de la placa superior del
núcleo (3), caracterizado porque en el interior de por lo
menos una abertura transversal (10, 12) de por lo menos uno de los
cabezales (7, 8) del conjunto de combustible (1), está fijado un
casquillo elástico (15) que comprende un cuerpo anular que tiene
una parte de fijación (15a) cuyo diámetro exterior es máximo y por
lo menos igual al diámetro de la abertura transversal (10, 12) en la
parte de su longitud axial, por lo menos dos ramas flexibles (16)
separadas una de la otra por al menos dos hendiduras (17) de
dirección axial en toda la longitud del casquillo (15) entre la
parte de fijación (15a) y el extremo libre del casquillo, y que
tiene un diámetro exterior inferior al diámetro de la parte de
fijación (15a) y una superficie anular de apoyo (19) en voladizo
radial en el interior del casquillo (15) en el extremo libre de las
ramas flexibles (16), cuyo diámetro interior es inferior al
diámetro de los tetones de centrado (11, 13) destinados a ser
introducidos en las aberturas del cabezal.
8. Conjunto de combustible, según la
reivindicación 7, caracterizado porque las aberturas
transversales (10, 12, 18) del cabezal del conjunto de combustible,
en las que se fija un casquillo elástico (15), tienen un diámetro
sensiblemente superior al diámetro de los tetones de centrado (11,
13), estando determinado el diámetro de las aberturas transversales
por la siguiente ecuación: DD = DB + DI - DC, en la que DD es el
diámetro del escariado de la abertura transversal (18) del cabezal
(7), DI es un diámetro interior de la parte corriente del casquillo
elástico (15), DB es el diámetro exterior de las ramas flexibles
(16) del casquillo elástico (15) y DC es el diámetro de la parte de
apoyo interior de las ramas elásticas (16) del casquillo (15).
9. Conjunto de combustible, según la
reivindicación 7, caracterizado porque el diámetro interior
(DI) de la parte corriente del casquillo elástico (15) es superior
al diámetro de un tetón de centrado (11, 13) para tener en cuenta
las tolerancias en el diámetro de los tetones de centrado y en la
separación de los tetones de centrado (11, 13) destinados a ser
introducidos en el cabezal (8, 9) del conjunto de combustible.
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