FR3124885A1 - Nuclear fuel assembly body, with a double envelope including the inner one made of fusible material and nuclear fuel assembly comprising such a body. - Google Patents
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Abstract
Corps d’assemblage de combustible nucléaire, à double enveloppe dont celle intérieure en matériau fusible et assemblage de combustible nucléaire comportant un tel corps. L’invention concerne un corps (2) d’assemblage de combustible nucléaire, destiné à loger un faisceau d’aiguilles (100) de combustible nucléaire pour former un assemblage de combustible nucléaire (1), le corps d’axe longitudinal (X) comportant une enveloppe externe (21) sous la forme d’un tube hexagonal ajouré en matériau métallique et, à l’intérieur de l’enveloppe externe, une enveloppe interne (22), destiné à envelopper le faisceau d’aiguilles, sous la forme d’un tube hexagonal fermé et sensiblement étanche au liquide caloporteur destiné à traverser le faisceau d’aiguilles, le tube hexagonal fermé et étanche étant en matériau fusible à une température seuil prédéterminée, les deux tubes hexagonaux n’étant pas liés mécaniquement entre eux. Assemblage nucléaire intégrant un tel corps. Figure pour l’abrégé : Fig.9BNuclear fuel assembly body, with a double envelope including the inner one made of fusible material and nuclear fuel assembly comprising such a body. A nuclear fuel assembly body (2) for accommodating a nuclear fuel pin bundle (100) to form a nuclear fuel assembly (1), the longitudinal axis body (X) comprising an outer casing (21) in the form of a perforated hexagonal tube made of metallic material and, inside the outer casing, an inner casing (22), intended to envelop the bundle of needles, in the form a hexagonal tube closed and substantially impermeable to the heat transfer liquid intended to pass through the bundle of needles, the hexagonal tube closed and impervious being made of a material that melts at a predetermined threshold temperature, the two hexagonal tubes not being mechanically linked together. Nuclear assembly incorporating such a body. Figure for abstract: Fig.9B
Description
La présente invention concerne un assemblage combustible pour réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR (acronyme anglais de «Sodium Fast Reactor») et qui fait partie de la famille des réacteurs dits de quatrième génération.The present invention relates to a fuel assembly for a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, in particular liquid sodium called RNR-Na or SFR (acronym for “ Sodium Fast Reactor ”) and which is part of the family of so-called fast reactors. fourth generation.
Les assemblages combustibles visés par l’invention peuvent être aussi bien utilisés dans un réacteur nucléaire de type intégré, c’est-à-dire pour lequel le circuit primaire de sodium avec des moyens de pompage est totalement contenu dans une cuve contenant également des échangeurs de chaleur, que dans un réacteur de type à boucles, c’est-à-dire pour lequel les échangeurs intermédiaires de chaleur et les moyens de pompage du sodium primaire sont situés hors de la cuve.The fuel assemblies targeted by the invention can also be used in a nuclear reactor of the integrated type, that is to say for which the primary sodium circuit with pumping means is completely contained in a tank also containing heat exchangers. heat, than in a reactor of the loop type, that is to say for which the intermediate heat exchangers and the primary sodium pumping means are located outside the vessel.
Par « assemblage combustible », on entend un ensemble comprenant des éléments combustibles et chargé et/ou déchargé dans/depuis un réacteur nucléaire.“Fuel assembly” means an assembly comprising fuel elements and loaded and/or unloaded into/from a nuclear reactor.
Par « assemblage combustible de type RNR-Na ou SFR », on entend un assemblage combustible adapté pour être irradié dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du sodium liquide dit RNR-Na ou SFR.The term "FNR-Na or SFR type fuel assembly" means a fuel assembly adapted to be irradiated in a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid sodium called FNR-Na or SFR.
Par « tube hexagonal », on entend un tube dont la section transversale est hexagonale régulière.“Hexagonal tube” means a tube whose cross section is regular hexagonal.
Bien que décrite en référence à l’application principale visée, à savoir un réacteur RNR-Na (caloporteur sodium), l’invention s’applique à tout type de RNR refroidi par métal liquide (plomb, plomb-bismuth, etc.).Although described with reference to the main intended application, namely an FNR-Na reactor (sodium coolant), the invention applies to any type of FNR cooled by liquid metal (lead, lead-bismuth, etc.).
Les assemblages combustibles destinés à être utilisés dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium liquide (RNR-Na), présentent une structure mécanique particulière afin notamment de laisser passer le sodium liquide en leur sein.The fuel assemblies intended for use in fast neutron reactors cooled with liquid sodium (FNR-Na), have a particular mechanical structure in order in particular to allow the liquid sodium to pass through them.
On a représenté en figures 1 à 2A, un assemblage combustible 1 classiquement utilisé dans un réacteur nucléaire RNR-Na.There is shown in Figures 1 to 2A, a fuel assembly 1 conventionally used in a SFR nuclear reactor.
Un tel assemblage 1 de forme allongée selon un axe longitudinal X comprend tout d’abord un tube ou boitier 10 à section hexagonale, fermé et étanche sur le pourtour, dont la portion supérieure 11 forme la tête de préhension de l’assemblage et loge un dispositif de protection neutronique supérieure (PNS), et dont la portion centrale 12 enveloppe des aiguilles de combustible 100.Such an assembly 1 of elongated shape along a longitudinal axis X firstly comprises a tube or box 10 of hexagonal section, closed and sealed around the periphery, the upper portion 11 of which forms the gripping head of the assembly and houses a upper neutron protection device (PNS), and whose central portion 12 envelops fuel pins 100.
Les portions 11, 12 forment une même enveloppe tubulaire 10 ou boitier de section hexagonale identique sur toute sa hauteur. La tête 11 de l’assemblage comporte une ouverture centrale 110 débouchant en son sein et utilisée pour sa manutention.The portions 11, 12 form the same tubular casing 10 or box of identical hexagonal section over its entire height. The head 11 of the assembly has a central opening 110 opening into it and used for its handling.
La portion centrale 12 d’un assemblage comprend une pluralité d’aiguilles de combustible nucléaire. Chaque aiguille 100 se présente sous la forme d’un tube de gaine cylindrique étanche en acier et fermé aux deux extrémités par un bouchon soudé à l’intérieur de laquelle est empilée une colonne 14 de pastilles de combustible fissile au sein desquelles se produisent les réactions nucléaires qui dégagent de la chaleur. Toutes les colonnes 14 définissent ce que l’on dénomme usuellement la zone fissile qui est approximativement située à mi-hauteur d’un assemblage 1. La gaine des aiguilles 100 constitue ainsi la première barrière de confinement dont il est très important de préserver l’intégrité en la protégeant des agressions extérieures telles que des chocs/contraintes mécaniques ou des températures excessives.The central portion 12 of an assembly includes a plurality of nuclear fuel pins. Each needle 100 is in the form of a sealed cylindrical sheath tube made of steel and closed at both ends by a welded plug inside which is stacked a column 14 of fissile fuel pellets within which the reactions take place. nuclear cells that release heat. All the columns 14 define what is usually called the fissile zone which is approximately located at mid-height of an assembly 1. The sheath of the needles 100 thus constitutes the first confinement barrier of which it is very important to preserve integrity by protecting it from external aggressions such as mechanical shocks/constraints or excessive temperatures.
L’assemblage 1 comprend enfin une portion inférieure 13 formant le pied de l’assemblage, dans le prolongement du boitier 10. Le pied 13 de l’assemblage présente une extrémité distale 15 en forme de cône ou arrondie pour pouvoir être inséré à la verticale dans les chandelles du sommier (support) d’un cœur de réacteur. Le pied 13 de l’assemblage comporte à sa périphérie des ouvertures 16 débouchant en son sein.The assembly 1 finally comprises a lower portion 13 forming the foot of the assembly, in the extension of the box 10. The foot 13 of the assembly has a distal end 15 in the shape of a cone or rounded to be able to be inserted vertically in the candles of the windchest (support) of a reactor core. The foot 13 of the assembly has at its periphery openings 16 opening into it.
Ainsi, en configuration installée d’un assemblage combustible, c’est-à-dire en position chargée dans un cœur de réacteur, le pied 13 d’un assemblage 1, de forme mâle, est inséré dans une ouverture du sommier du réacteur en maintenant ainsi l’assemblage 1 dans ce dernier avec son axe longitudinal X à la verticale. On précise que le sommier est un caisson formant un réservoir de sodium primaire sous pression qu’il distribue à l’ensemble des assemblages via les ouvertures dans le pied 13.Thus, in the installed configuration of a fuel assembly, that is to say in the loaded position in a reactor core, the foot 13 of an assembly 1, of male shape, is inserted into an opening of the bedstead of the reactor in thus maintaining assembly 1 in the latter with its longitudinal axis X vertical. It is specified that the windchest is a box forming a reservoir of primary sodium under pressure which it distributes to all the assemblies via the openings in the foot 13.
Le sodium primaire peut circuler à l’intérieur du boîtier 10 de l’assemblage 1 et ainsi véhiculer par conduction thermique la chaleur dégagée par les aiguilles de combustible. Le sodium est ainsi introduit par les ouvertures 16 du pied 13 et sort par l’ouverture centrale 110 de la tête 11, après avoir traversé le faisceau d’aiguilles combustibles. Autrement dit, comme symbolisé par les flèches en
Tous les assemblages d’un même réacteur sont agencés verticalement sur un sommier pour former un cœur à réseau compact à maille hexagonale.All the assemblies of the same reactor are arranged vertically on a windchest to form a core with a compact hexagonal mesh network.
Les assemblages en position sur le sommier sont espacés les uns des autres au niveau de leur corps, typiquement de quelques mm entre les faces en regard de deux boitiers à section hexagonale adjacents.The assemblies in position on the bed base are spaced from each other at the level of their bodies, typically by a few mm between the facing faces of two adjacent boxes with hexagonal section.
Il est à noter que tous les réacteurs RNR-Na en étude, construction ou fonctionnement dans le monde utilisent des assemblages ayant pour boitier un tube hexagonal fermé, tel que décrit ci-avant, qui constitue la référence depuis l’origine de cette filière nucléaire dans les années 60.It should be noted that all FNR-Na reactors under study, construction or operation in the world use assemblies having a closed hexagonal tube as a case, as described above, which has been the reference since the origin of this nuclear sector. In the 60s.
Dans de tels assemblages, le cahier des charges fonctionnel d’un tube hexagonal des assemblages peut être résumé ainsi (les fonctions principales détaillées étant indiqués par leurs acronymes à des fins de clarté pour la suite) :In such assemblies, the functional specification of a hexagonal tube of the assemblies can be summarized as follows (the main functions detailed being indicated by their acronyms for the purpose of clarity for the following):
- créer un canal de refroidissement propre à l’assemblage au sein duquel circule le caloporteur sodium (fonction FP1). On assure ainsi une bonne canalisation et maîtrise du débit de caloporteur au sein du faisceau d’aiguilles combustibles pendant un fonctionnement normal (fonction d’évacuation de la chaleur et de maîtrise des températures dans les aiguilles combustibles) ;- create a cooling channel specific to the assembly within which the sodium coolant circulates (FP1 function). This ensures good channeling and control of the flow of coolant within the bundle of fuel pins during normal operation (function of heat removal and temperature control in the fuel pins);
- assurer une liaison rigide entre les autres sous-ensembles de l’assemblage, à savoir le pied en partie inférieure, et la tête en partie supérieure (fonction FP2). Le tube hexagonal constitue ainsi en quelque sorte une colonne vertébrale robuste pouvant être manutentionnée ;- ensure a rigid connection between the other sub-assemblies of the assembly, namely the foot in the lower part, and the head in the upper part (FP2 function). The hexagonal tube thus constitutes a kind of robust backbone that can be handled;
- résister aux contraintes mécaniques pendant toutes les phases de vie de l’assemblage (fonction FP3). Comme indiqué ci-avant, pendant l’irradiation en réacteur, tous les assemblages sont disposés verticalement sur le sommier en étant très proches les uns des autres, typiquement avec une distance de quelques millimètres entre les différents tubes hexagonaux adjacents. Le cœur du réacteur se comporte donc mécaniquement comme un faisceau de tubes rigides pouvant être en contact et sollicités mécaniquement par des forces de flexion/compression et/ou des moments de flexion/torsion du fait des mouvements différentiels possibles entre assemblages sous l’effet des dilatations thermiques ou des agressions externes comme un séisme. Pendant les manutentions, un tube hexagonal est également soumis à des efforts de traction/compression. Un tube hexagonal doit donc être résistant à ces sollicitations mécaniques afin de garantir l’intégrité des aiguilles combustibles ;- withstand mechanical stresses during all phases of assembly life (FP3 function). As indicated above, during irradiation in the reactor, all the assemblies are arranged vertically on the windchest, being very close to each other, typically with a distance of a few millimeters between the various adjacent hexagonal tubes. The reactor core therefore behaves mechanically like a bundle of rigid tubes which may be in contact and mechanically stressed by bending/compression forces and/or bending/torsional moments due to the possible differential movements between assemblies under the effect of thermal expansion or external aggressions such as an earthquake. During handling, a hexagonal tube is also subjected to tensile/compressive forces. A hexagonal tube must therefore be resistant to these mechanical stresses in order to guarantee the integrity of the fuel pins;
- assurer une protection mécanique du faisceau d’aiguilles vis-à-vis des chocs pour préserver la première barrière de confinement (fonction FP4). Les phases de transport et manutention avant et après irradiation peuvent être génératrices de chocs mécaniques accidentels sur les assemblages.- provide mechanical protection of the pin bundle against shocks to preserve the first confinement barrier (FP4 function). The transport and handling phases before and after irradiation can generate accidental mechanical shocks on the assemblies.
En sus de ces fonctions principales, une problématique de sûreté est liée à la mise en œuvre d’un tube hexagonal étanche et fermé comme montré en figures 1 à 2B. En effet, il subsiste un risque de bouchage du canal hydraulique véhiculant le caloporteur au sein de l’assemblage. Ce type de scénario accidentel a déjà été analysé dans les études de sûreté avec comme hypothèses, soit un bouchage partiel des canaux hydrauliques au sein du faisceau d’aiguilles, soit un bouchage total et instantané (BTI) du canal hydraulique et donc l’annulation complète du débit de sodium circulant dans l’assemblage.In addition to these main functions, a safety issue is linked to the implementation of a sealed and closed hexagonal tube as shown in Figures 1 to 2B. Indeed, there remains a risk of blockage of the hydraulic channel conveying the coolant within the assembly. This type of accident scenario has already been analyzed in the safety studies with the hypotheses either partial blockage of the hydraulic channels within the switch bundle, or total and instantaneous blockage (BTI) of the hydraulic channel and therefore the cancellation complete flow of sodium circulating in the assembly.
Quand bien même, elle est la moins probable, cette dernière hypothèse (BTI) constitue le scénario le plus sévère auxquelles les études de sûreté d’un RNR-Na de 4èmegénération se doivent répondre. Cette situation accidentelle aurait une occurrence dans le pied d’assemblage 15, par exemple à cause de corps étrangers qui viendraient se coincer dans le système déprimogène 17 et provoquer en quelque sorte un bouchon B, comme illustré en
Du fait de l’arrêt du débit de caloporteur, cet accident peut ne pas être détecté par les thermocouples mesurant la température du sodium en sortie des assemblages. En cas de non-détection par les thermocouples, la détection est faite finalement, après fusion des gaines, par un système de mesure appelé système de « Détection des Neutrons Différés », qui déclenche l'arrêt du réacteur. La spécificité de cet accident provient de la difficulté de sa détection et du temps limité pour réagir face à cette situation. En effet, le temps qui s’écoule entre le bouchage BTI et la fusion du tube hexagonal concerné est de l’ordre de 15 secondes pour un cœur de RNR-Na de puissance de type de celui du réacteur Superphénix.Due to the stoppage of the coolant flow, this accident may not be detected by the thermocouples measuring the temperature of the sodium at the outlet of the assemblies. In the event of non-detection by the thermocouples, the detection is finally made, after melting of the sheaths, by a measurement system called the “Detection of Deferred Neutrons” system, which triggers the shutdown of the reactor. The specificity of this accident comes from the difficulty of its detection and the limited time to react to this situation. Indeed, the time that elapses between the BTI plugging and the melting of the hexagonal tube concerned is of the order of 15 seconds for a FNR-Na core of the type of power of the Superphénix reactor.
En outre, ce scénario conduit tout de même à un accident de fusion même pour des conceptions de cœur intrinsèquement plus sûrs et qui ont un comportement plus favorable pour d’autres séquences accidentelles.Furthermore, this scenario still leads to a meltdown accident even for core designs that are intrinsically safer and have more favorable behavior for other accident sequences.
Le BTI reste donc un problème à gérer dans les études de sûreté et l’objectif est, si possible, de pouvoir empêcher l’ébullition du sodium et la fusion locale de l’assemblage via un refroidissement suffisant des aiguilles combustibles, sinon, a minima, de pouvoir détecter ce bouchage suffisamment rapidement avant la fusion des gaines pour déclencher la chute des barres d’arrêt du réacteur (fonction de contrainte FC1).BTI therefore remains a problem to be managed in safety studies and the objective is, if possible, to be able to prevent sodium boiling and local melting of the assembly via sufficient cooling of the fuel pins, otherwise, at least , to be able to detect this blockage quickly enough before the melting of the claddings to trigger the fall of the reactor stop rods (stress function FC1).
Une autre problématique liée à la mise en œuvre d’un tube hexagonal étanche et fermé concerne l’aval du cycle combustible. En effet, un tube hexagonal tel qu’il est utilisé à ce jour est un tube mince et élancé en acier, dont les dimensions dépendent des réacteurs mais sont généralement de l’ordre de 2 à 3 mètres pour la longueur, d’environ 15 cm pour la largeur et de 4 mm pour l’épaisseur.Another issue related to the implementation of a tight and closed hexagonal tube concerns the downstream part of the fuel cycle. Indeed, a hexagonal tube as it is used to date is a thin and slender steel tube, the dimensions of which depend on the reactors but are generally of the order of 2 to 3 meters for the length, of about 15 cm for the width and 4 mm for the thickness.
Ainsi la masse d’un seul tube hexagonal pour un assemblage destiné à un réacteur RNR-Na de puissance électrique 600 MW est d’environ 50 kg. En considérant que le cœur de ce réacteur comprend un nombre de 300 assemblages combustibles ayant une durée de vie de 3 ans, les tubes hexagonaux représentent à eux seuls environ 200 tonnes de déchets d’acier irradiés, classés MA-VL (moyenne activité, vie longue), au cours des 40 années de fonctionnement d’un réacteur.Thus the mass of a single hexagonal tube for an assembly intended for a 600 MW FNR-Na reactor is approximately 50 kg. Considering that the core of this reactor includes a number of 300 fuel assemblies with a lifespan of 3 years, the hexagonal tubes alone represent approximately 200 tons of irradiated steel waste, classified MA-VL (medium activity, life long), over the 40 years of operation of a reactor.
Ces volumes importants de déchets irradiés posent des problèmes en termes de gestion et de coûts de l’aval du cycle (démantèlement et entreposage). On recherche donc désormais des assemblages combustibles dont le volume des déchets irradiés est réduit (fonction de contrainte FC2).These large volumes of irradiated waste pose problems in terms of management and costs downstream of the cycle (dismantling and storage). We are therefore now looking for fuel assemblies whose volume of irradiated waste is reduced (constraint function FC2).
En bref, le cahier des charges d’un corps d’assemblage combustible pour réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, auquel les inventeurs ont été confrontés peut être résumé ainsi :In short, the specifications of a fuel assembly body for fast neutron nuclear reactors cooled with liquid metal, with which the inventors were confronted can be summarized as follows:
- créer un canal de refroidissement propre à l’assemblage au sein duquel circule le caloporteur de métal liquide (fonction FP1) ;- create a cooling channel specific to the assembly within which the liquid metal coolant circulates (FP1 function);
- assurer une liaison rigide entre les sous-ensembles de l’assemblage (fonction FP2) ;- ensure a rigid connection between the assembly sub-assemblies (FP2 function);
- résister aux contraintes mécaniques (fonction FP3) ;- withstand mechanical stresses (FP3 function);
- assurer une protection mécanique du faisceau d’aiguilles vis-à-vis des chocs (fonction FP4);- ensure mechanical protection of the switch bundle against shocks (FP4 function);
- limiter les conséquences d’un BTI : ne pas conduire à l’ébullition du métal liquide, ou a minima détecter rapidement le bouchage en pied d’assemblage (fonction FC1);- limit the consequences of a BTI: do not cause the liquid metal to boil, or at least quickly detect clogging at the bottom of the assembly (function FC1);
- réduire le volume des déchets irradiés (fonction FC2).- reduce the volume of irradiated waste (function FC2).
Des solutions alternatives à des tubes hexagonaux fermés pour la filière de RNR-Na ont déjà été proposée, tout comme d’autres solutions pour d’autres filières de réacteurs, mais, comme détaillé ci-après, elles ne répondent pas entièrement au cahier des charges tel qu’énoncé ci-avant.Alternative solutions to closed hexagonal tubes for the SFR sector have already been proposed, as have other solutions for other reactor sectors, but, as detailed below, they do not fully meet the specifications. charges as stated above.
Parmi les solutions alternatives, la demande de brevet EP2610875A1 propose un tube hexagonal d’assemblages pour RNR-Na qui est muni de trous débouchant périphériques en amont de la zone présumée d’ébullition, de sorte à permettre de limiter les conséquences d’un accident d’ébullition de sodium au sein de l’assemblage. En effet, les trous réalisés permettent à un bouchon de vapeur de sodium qui résulterait d’un asséchement des canaux hydrauliques de ne pas engendrer plus de perte totale de débit au sein de l’assemblage grâce au bypass de sodium circulant par ces trous vers les assemblages voisins. Cela maintient alors une circulation suffisante du sodium dans l’assemblage permettant le refroidissement des aiguilles et empêchant la propagation de l’ébullition dans la zone à réactivité positive. Même si cette demande de brevet ne mentionne pas explicitement l’accident de BTI (perte totale et instantanée du débit), les trous débouchant sur le tube hexagonal, tels qu’illustrés, présenteraient également un intérêt sur la détection d’un bouchage total se produisant dans le pied à l’entrée de l’assemblage. En effet, du fait de la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur du tube hexagonal lors d’un BTI, une entrée de sodium par ces trous se produirait, le sodium traversant alors le faisceau d’aiguilles pour ressortir par la tête d’assemblage: la détection de l’échauffement anormal du sodium serait alors possible. La taille des trous nécessaire pour permettre la détection du BTI est minime et le débit de bypass par ces trous en fonctionnement normal est acceptable et ne perturbe pas la thermo-hydraulique du cœur. Autrement dit, ces trous débouchant périphériques constituent en tant que tels une réponse satisfaisante à la fonction FP1. Une augmentation de la taille des trous permettrait certes d’augmenter le débit sodium lors d’un BTI de façon suffisante pour refroidir les aiguilles et ne pas atteindre la température d’ébullition, mais créerait alors un débit de bypass qui serait rédhibitoire en fonctionnement normal. Ainsi les trous débouchant périphériques permettraient la détection d’un BTI, mais ne permettrait pas un refroidissement satisfaisant des aiguilles dans cette situation de fonctionnement normal. Ces trous débouchant périphériques constituent donc une réponse partielle à la fonction FC1. En outre, du fait de leur taille réduite, ces trous débouchant n’ont pas d’impact par rapport à un tube hexagonal fermé, i.e. sans trou, vis-à-vis des fonctions mécaniques et de l’aval du cycle : ils apportent donc une réponse également satisfaisante aux fonctions FP2, FP3 et FP4 mais ne satisfont pas à la fonction FC2.Among the alternative solutions, the patent application EP2610875A1 proposes a hexagonal assembly tube for RNR-Na which is provided with peripheral through-holes upstream of the presumed boiling zone, so as to limit the consequences of an accident. of sodium boiling within the assembly. Indeed, the holes made allow a plug of sodium vapor which would result from a drying out of the hydraulic channels not to cause more total loss of flow within the assembly thanks to the bypass of sodium circulating by these holes towards the neighboring assemblies. This then maintains a sufficient circulation of sodium in the assembly allowing the cooling of the pins and preventing the propagation of boiling in the zone with positive reactivity. Even if this patent application does not explicitly mention the BTI accident (total and instantaneous loss of flow), the holes leading to the hexagonal tube, as illustrated, would also be of interest in the detection of a total blockage. producing in the foot at the entrance of the assembly. Indeed, due to the pressure difference between the inside and the outside of the hexagonal tube during a BTI, an entry of sodium through these holes would occur, the sodium then crossing the bundle of needles to come out through the assembly head: detection of abnormal sodium heating would then be possible. The size of the holes necessary to allow the detection of the BTI is minimal and the bypass flow through these holes in normal operation is acceptable and does not disturb the thermo-hydraulics of the core. In other words, these peripheral through-holes constitute as such a satisfactory response to the function FP1. An increase in the size of the holes would certainly make it possible to increase the sodium flow during a BTI sufficiently to cool the needles and not reach the boiling temperature, but would then create a bypass flow which would be prohibitive in normal operation . Thus the peripheral through-holes would allow the detection of a BTI, but would not allow satisfactory cooling of the needles in this normal operating situation. These peripheral through-holes therefore constitute a partial response to the FC1 function. In addition, due to their reduced size, these through holes have no impact compared to a closed hexagonal tube, i.e. without a hole, with respect to the mechanical functions and downstream of the cycle: they provide therefore an equally satisfactory response to the functions FP2, FP3 and FP4 but do not satisfy the function FC2.
La demande FR3018386 A1 propose également de munir le tube hexagonal d’un assemblage combustible d’ouvertures débouchantes pour limiter les conséquences d’un accident d’ébullition de sodium au sein de l’assemblage. Les ouvertures divulguées sont plus larges que celles de la demande EP2610875A1 précitée et localisées axialement sur la périphérie du tube hexagonal, en aval de la colonne fissile, afin de minimiser l’impact sur la thermo-hydraulique du sodium en fonctionnement normal. Par ailleurs, les ouvertures ne sont pas centrées sur les faces hexagonales du tube de sorte que les ouvertures de deux tubes adjacents ne sont pas en vis-à-vis. Par conséquent, la solution proposée est analogue à celle d’EP2610875 A1 et répond à la même problématique de sûreté relative à un accident d’ébullition. En somme, cette solution présente par conséquent les mêmes avantages et inconvénients que celle proposée par EP2610875 A1.Application FR3018386 A1 also proposes providing the hexagonal tube of a fuel assembly with through openings to limit the consequences of a sodium boiling accident within the assembly. The openings disclosed are wider than those of the aforementioned application EP2610875A1 and located axially on the periphery of the hexagonal tube, downstream of the fissile column, in order to minimize the impact on the thermal hydraulics of the sodium in normal operation. Furthermore, the openings are not centered on the hexagonal faces of the tube so that the openings of two adjacent tubes are not facing each other. Consequently, the proposed solution is similar to that of EP2610875 A1 and responds to the same safety issue relating to a boiling accident. In short, this solution therefore has the same advantages and disadvantages as that proposed by EP2610875 A1.
Le brevet EP2486570 B1 propose en tant que corps d’assemblage combustible, une structure constituée d’une armature centrale en regard de la zone fissile sous la forme d’un treillis en acier martensitique (EM10) soumis au flux neutronique significatif, de deux tronçons fermés en acier austénitique, peu exposés au flux neutronique et qui sont agencés chacun à une extrémité longitudinale de l’armature et d’un empilement de tronçons tubulaires hexagonaux en matériau céramique, par exemple du SiC/SiC fibré, agencé à l’intérieur de l’armature et qui présente un bon bilan neutronique en flux rapide et de bonnes propriétés mécaniques (résistance, ténacité) jusqu’à très hautes températures (2000°C).Patent EP2486570 B1 proposes as a fuel assembly body, a structure consisting of a central armature facing the fissile zone in the form of a martensitic steel lattice (EM10) subjected to significant neutron flux, two sections closed austenitic steel, little exposed to neutron flux and which are each arranged at a longitudinal end of the frame and a stack of hexagonal tubular sections of ceramic material, for example SiC / SiC fiber, arranged inside reinforcement and which has a good neutron balance in fast flux and good mechanical properties (strength, toughness) up to very high temperatures (2000°C).
Un tel corps d’assemblage répond essentiellement aux axes d’amélioration visés pour les réacteurs de 4èmegénération (GEN IV), à savoir :Such an assembly body essentially responds to the areas of improvement targeted for 4th generation reactors (GEN IV), namely:
- réduction de la quantité d’acier dans le cœur, améliorant le bilan neutronique et diminuant le volume de déchets irradiés (réponse à la fonction FC1) ;reduction in the quantity of steel in the core, improving the neutron balance and reducing the volume of irradiated waste (response to the FC1 function);
- amélioration du comportement mécanique et thermo-hydraulique en situation d’accident grave, grâce à la résistance mécanique à haute température des tronçons en céramique enveloppant le faisceau d’aiguilles combustibles.improvement of the mechanical and thermal-hydraulic behavior in a severe accident situation, thanks to the mechanical resistance at high temperature of the ceramic sections enveloping the bundle of fuel pins.
Il serait par ailleurs envisageable de générer des fuites calibrées de sodium entre les tronçons tubulaires en céramique afin de pouvoir détecter un BTI. En revanche ces fuites calibrées ne peuvent être suffisantes pour assurer le refroidissement du faisceau d’aiguilles en situation de BTI : la réponse à la fonction FC2 est donc partielle.It would also be possible to generate calibrated sodium leaks between the ceramic tubular sections in order to be able to detect a BTI. On the other hand, these calibrated leaks cannot be sufficient to ensure the cooling of the switch bundle in a BTI situation: the response to the FC2 function is therefore partial.
En outre, les tronçons tubulaires en céramique assurent une pseudo-étanchéité et permettent une bonne canalisation du débit de sodium dans le faisceau d’aiguilles (réponse à la fonction FP1). Ils assurent aussi une protection du faisceau vis-à-vis des chocs (réponse à la fonction FP4). Et l’armature en acier EM10 est probablement limite en termes de résistance mécanique (réponse partielle à la fonction FP3) mais elle permet d’assurer la liaison mécanique avec la tête et le pied d’assemblage (réponse à la fonction FP2).In addition, the ceramic tubular sections provide pseudo-sealing and allow good channeling of the sodium flow in the needle bundle (response to the FP1 function). They also ensure protection of the beam against shocks (response to the FP4 function). And the EM10 steel reinforcement is probably limited in terms of mechanical strength (partial response to function FP3) but it provides the mechanical connection with the assembly head and foot (response to function FP2).
Le brevet US3816247A concerne un assemblage combustible à boitier à double enveloppe constituée d’un tube hexagonal extérieur en acier, formé d’une seule pièce ou d’un empilement de tronçons, qui est muni sur toutes ses faces de fentes obliques, et à l’intérieur du tube externe, un tube interne en acier, fermé, plus mince que le tube externe et qui enveloppe le faisceau d’aiguilles combustibles. Les fentes obliques ont pour fonction de réduire l’arcure de l’assemblage sous irradiation, ce qui permet de prolonger la durée de vie des assemblages. Le tube interne a pour fonction de canaliser le débit sodium et transmettre les efforts mécaniques axiaux pendant les phases de manutention. À cette fin il assure la liaison rigide entre tête et pied d’assemblage. Du fait de la présence de ce tube interne fermé, le débit sodium est bien canalisé (réponse à la fonction FP1) et les fonctions mécaniques sont remplies (réponse aux fonctions FP2, FP3, FP4). En revanche, ce brevet US3816247A n’apporte aucune solution pour le refroidissement/détection d’un BTI et sur la réduction du volume de déchets métalliques. Autrement dit, il n’apporte pas de réponse aux fonctions FC1 et FC2.Patent US3816247A relates to a fuel assembly with a double-envelope casing consisting of an outer hexagonal steel tube, formed in one piece or a stack of sections, which is provided on all its faces with oblique slots, and at the inside the outer tube, an inner steel tube, closed, thinner than the outer tube and which envelops the bundle of fuel pins. The oblique slots have the function of reducing the arcing of the assembly under irradiation, thereby extending the service life of the assemblies. The function of the internal tube is to channel the sodium flow and transmit the axial mechanical forces during the handling phases. To this end, it provides the rigid connection between the assembly head and foot. Due to the presence of this closed internal tube, the sodium flow is well channeled (response to the FP1 function) and the mechanical functions are fulfilled (response to the FP2, FP3, FP4 functions). On the other hand, this patent US3816247A does not provide any solution for the cooling/detection of a BTI and on the reduction of the volume of metal waste. In other words, it does not provide a response to the FC1 and FC2 functions.
Dans le domaine des réacteurs refroidis à eau, les brevets US3301764A, US3303099A qui portent sur des structures de maintien des aiguilles de combustible et proposent respectivement des concepts de grilles d’espacement à alvéoles hexagonales et un système d’accrochage des aiguilles par leurs extrémités, divulguent un tube hexagonal agencé autour des aiguilles combustibles, qui comprend des ouvertures triangulaires sur chaque face de l’hexagone permettant la circulation transversale du caloporteur. Pour le cahier des charges des inventeurs tel que mentionné ci-avant, un tube hexagonal avec ouvertures triangulaires comme illustré présenterait les avantages suivants :In the field of water-cooled reactors, patents US3301764A, US3303099A which relate to fuel pin support structures and respectively propose concepts of spacer grids with hexagonal cells and a system for attaching the pins by their ends, disclose a hexagonal tube arranged around the fuel pins, which includes triangular openings on each face of the hexagon allowing the transverse circulation of the coolant. For the specifications of the inventors as mentioned above, a hexagonal tube with triangular openings as illustrated would have the following advantages:
- les ouvertures de forme triangulaire forment un treillis qui permettrait de garantir une bonne rigidité mécanique de l’ensemble vis-à-vis des sollicitations extérieures (réponse aux fonctions FP2 et FP3) et de protéger le faisceau d’aiguilles combustible des chocs (réponse à la fonction FP4) ;the triangular-shaped openings form a trellis which would make it possible to guarantee good mechanical rigidity of the assembly with respect to external stresses (response to the functions FP2 and FP3) and to protect the bundle of fuel pins from shocks (response to the FP4 function);
- élimination du risque BTI, ou à minima détection possible, grâce à un refroidissement amélioré des aiguilles du fait de la circulation transversale du caloporteur (réponse à la fonction FC1).elimination of the BTI risk, or at least possible detection, thanks to improved cooling of the needles due to the transverse circulation of the coolant (response to the FC1 function).
- réduction du volume de déchets métalliques (réponse à la fonction FC2).reduction in the volume of metallic waste (response to the FC2 function).
Mais les inconvénients des ouvertures dans le tube hexagonal sont significatifs car un important débit de fuite transversal (bypass) prendrait place par celles-ci en fonctionnement normal. La thermo-hydraulique d’ensemble du cœur d’un réacteur de type RNR-Na serait fortement modifiée et le débit de sodium au sein de chaque assemblage ne serait plus aussi bien maitrisé. Autrement dit, la solution selon ces brevets US3301764A, US3303099A ne répond pas à la fonction FP1.But the disadvantages of the openings in the hexagonal tube are significant because a large transverse leakage rate (bypass) would take place through them in normal operation. The overall thermo-hydraulics of the core of a FNR-Na type reactor would be greatly modified and the sodium flow rate within each assembly would no longer be as well controlled. In other words, the solution according to these patents US3301764A, US3303099A does not respond to the FP1 function.
Par ailleurs, il a déjà été envisagé de s’affranchir de la présence de tubes hexagonaux dans des assemblages combustibles, par exemple pour des réacteurs à eau légère (REL) notamment dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) et pour des réacteurs RNR à caloporteur plomb (RNR-Pb).Moreover, it has already been envisaged to do away with the presence of hexagonal tubes in fuel assemblies, for example for light water reactors (REL) in particular in pressurized water reactors (PWR) and for FNR reactors at lead coolant (RNR-Pb).
Ainsi, la publication [1] divulgue que les assemblages combustibles du projet de réacteur russe de type RNR-Pb, appelé BREST-OD-300, n’ont aucun tube hexagonal pour le maintien des faisceaux d’aiguilles combustibles, afin de pouvoir éliminer les risques de fusion de combustible en cas de BTI au sein d’un groupe de sept assemblages. Cette solution permet par ailleurs, selon ses concepteurs, de réduire la quantité d’acier de 30% au sein d’un assemblage.Thus, the publication [1] discloses that the fuel assemblies of the Russian RNR-Pb type reactor project, called BREST-OD-300, have no hexagonal tube for maintaining the fuel pin bundles, in order to be able to eliminate the risks of fuel meltdown in the event of BTI within a group of seven assemblies. This solution also makes it possible, according to its designers, to reduce the quantity of steel by 30% within an assembly.
Les réacteurs de différents types REP / REL à caloporteur eau utilisent des assemblages combustibles également dépourvus de tube hexagonal.Reactors of different types PWR / REL with water coolant use fuel assemblies also devoid of hexagonal tube.
Des assemblages sans tube hexagonal présentent des intérêts en termes de :Assemblies without hexagonal tube have advantages in terms of:
- élimination du risque BTI, ou à minima détection possible, grâce à un refroidissement amélioré des aiguilles du fait de la circulation transversale du caloporteur (réponse à la fonction FC1) ;elimination of the BTI risk, or at least possible detection, thanks to improved cooling of the pins due to the transverse circulation of the coolant (response to the FC1 function);
- réduction du volume de déchets métalliques (réponse à la fonction FC2).reduction in the volume of metallic waste (response to the FC2 function).
En revanche, mettre en œuvre des assemblages de combustible sans tube hexagonal serait inédit pour des RNR-Na et cela pose les interrogations suivantes aux inventeurs :On the other hand, implementing fuel assemblies without hexagonal tubes would be unprecedented for SFRs and this raises the following questions for the inventors:
- d’un point de vue mécanique, la suppression de tube hexagonal doit être compensée par l’ajout de structures de maintien de type tirants longitudinaux permettant d’assurer la liaison d’ensemble (réponse à la fonction FP2) mais d’une résistance probablement moindre notamment sous sollicitation en flexion (réponse partielle à la fonction FP3). Par ailleurs, l’ajout de ces structures de maintien est de nature à réduire le volume de combustible au sein d’un assemblage combustible. Enfin, sans tube hexagonal en tant qu’enveloppe, le faisceau d’aiguilles est clairement exposé aux chocs mécaniques lors des phases de manutention ou transport (pas de réponse à la fonction FP4) ;from a mechanical point of view, the removal of the hexagonal tube must be compensated by the addition of longitudinal tie-rod type retaining structures to ensure the overall connection (response to the FP2 function) but probably of a resistance lower in particular under stress in bending (partial response to the FP3 function). Moreover, the addition of these support structures is likely to reduce the volume of fuel within a fuel assembly. Finally, without a hexagonal tube as an envelope, the set of needles is clearly exposed to mechanical shocks during the handling or transport phases (no response to the FP4 function);
- d’un point de vue thermo-hydraulique, la suppression des tubes hexagonaux dans le cœur de réacteur est de nature à créer d’importantes fuites radiales de sodium entre les assemblages, et créer un débit de bypass dans l’espace inter-assemblages. La thermo-hydraulique d’ensemble du cœur en serait fortement modifiée et le débit de sodium au sein de chaque assemblage ne serait plus aussi bien maitrisé (pas de réponse à la fonction FP1).from a thermal-hydraulic point of view, the removal of the hexagonal tubes in the reactor core is likely to create significant radial sodium leaks between the assemblies, and create a bypass flow in the inter-assembly space. The overall thermo-hydraulics of the core would be greatly modified and the sodium flow within each assembly would no longer be as well controlled (no response to the FP1 function).
Il existe donc un besoin pour améliorer encore les assemblages combustibles, destinés aux réacteurs nucléaires de type RNR refroidis par métal liquide, notamment afin de répondre complètement au cahier des charges fonctionnel énoncé ci-avant, à savoir répondre aux fonctions principales FP1 à FP4 et aux fonctions de contrainte FC1 et FC2.There is therefore a need to further improve the fuel assemblies, intended for nuclear reactors of the FNR type cooled by liquid metal, in particular in order to fully meet the functional specifications stated above, namely to meet the main functions FP1 to FP4 and the constraint functions FC1 and FC2.
Le but de l’invention est de répondre à ce besoin.The object of the invention is to meet this need.
Pour ce faire, l’invention concerne un corps d’assemblage de combustible nucléaire, destiné à loger un faisceau d’aiguilles de combustible nucléaire pour former un assemblage de combustible nucléaire, le corps d’axe longitudinal (X) comportant une enveloppe externe sous la forme d’un tube hexagonal ajouré en matériau métallique et, à l’intérieur de l’enveloppe externe, une enveloppe interne, destinée à envelopper le faisceau d’aiguilles, sous la forme d’un tube hexagonal fermé et sensiblement étanche au liquide caloporteur destiné à traverser le faisceau d’aiguilles, le tube hexagonal fermé et étanche étant en matériau fusible à une température seuil prédéterminée, les deux tubes hexagonaux n’étant pas liés mécaniquement entre eux.To do this, the invention relates to a nuclear fuel assembly body, intended to house a bundle of nuclear fuel pins to form a nuclear fuel assembly, the longitudinal axis body (X) comprising an outer casing under the shape of a perforated hexagonal tube made of metallic material and, inside the outer casing, an inner casing, intended to envelop the bundle of needles, in the shape of a closed hexagonal tube and substantially liquid-tight coolant intended to pass through the bundle of needles, the closed and sealed hexagonal tube being made of a material that melts at a predetermined threshold temperature, the two hexagonal tubes not being mechanically linked together.
Par « sensiblement étanche », on entend que le tube interne est agencé pour réaliser une étanchéité qui minimise les fuites de métal liquide vers l’extérieur d’un assemblage combustible qui intègre le corps selon l’invention, en fonctionnement normal de réacteur RNR refroidi au métal liquide.By “substantially sealed”, it is meant that the inner tube is arranged to achieve a seal which minimizes the leaks of liquid metal towards the outside of a fuel assembly which incorporates the body according to the invention, in normal operation of a cooled FNR reactor to liquid metal.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à réaliser un corps d’assemblage de combustible pour un réacteur RNR refroidi au métal liquide, avec une double-enveloppe tubulaire à section hexagonale en regard des aiguilles combustibles, dont celle externe est ajourée et en matériau métallique, et celle interne en matériau fusible à une température seuil prédéterminée, comprise entre la température de fonctionnement normal et la température d’ébullition du métal liquide du réacteur.Thus, the invention essentially consists in producing a fuel assembly body for an FNR reactor cooled with liquid metal, with a tubular double-casing of hexagonal section facing the fuel pins, the outer one of which is perforated and made of metallic material, and the internal one made of fusible material at a predetermined threshold temperature, between the normal operating temperature and the boiling temperature of the liquid metal of the reactor.
Ainsi, d’un point de vue mécanique, le tube hexagonal métallique ajouré formant l’enveloppe externe présente une épaisseur et une rigidité structurelle proches de celles d’un tube hexagonal standard, c’est-à-dire sans aucun ajour, de manière à ne pas modifier le comportement mécanique du cœur, résister aux sollicitations mécaniques pendant toutes les phases de vie et protéger le faisceau d’aiguilles de combustible des chocs.Thus, from a mechanical point of view, the perforated hexagonal metal tube forming the outer casing has a thickness and a structural rigidity close to those of a standard hexagonal tube, that is to say without any openings, so not to modify the mechanical behavior of the core, to resist mechanical stresses during all life phases and to protect the bundle of fuel pins from shocks.
D’un point de vue thermo-hydraulique, la double-enveloppe ne modifie pas le refroidissement de l’assemblage en fonctionnement normal puisque le métal liquide, en dessous de la température seuil de fusion du matériau fusible, est canalisé par l’enveloppe interne et traverse le faisceau d’aiguilles au sein de l’assemblage. En cas de BTI, dès que la température seuil est atteinte, le matériau de l’enveloppe interne fond pour permettre une détection rapide et de préférence un refroidissement suffisant du faisceau par le métal liquide provenant de l’extérieur de l’assemblage (espace inter-assemblages) et traversant les ajours de l’enveloppe externe de sorte à rester sous la température d’ébullition du métal liquide au sein de l’assemblage.From a thermal-hydraulic point of view, the double jacket does not modify the cooling of the assembly in normal operation since the liquid metal, below the melting point temperature of the fusible material, is channeled by the internal jacket. and passes through the bundle of needles within the assembly. In the case of BTI, as soon as the threshold temperature is reached, the material of the internal casing melts to allow rapid detection and preferably sufficient cooling of the bundle by the liquid metal coming from outside the assembly (internal space -assemblies) and passing through the openings of the outer casing so as to remain below the boiling temperature of the liquid metal within the assembly.
Par conséquent, un corps d’assemblage à double-enveloppe selon l’invention répond de manière exhaustive au cahier des charges fonctionnel spécifié en préambule.Consequently, a double-envelope assembly body according to the invention responds exhaustively to the functional specifications specified in the preamble.
En détails, le tube hexagonal métallique ajouré de l’enveloppe externe permet :In detail, the perforated hexagonal metal tube of the outer casing allows:
- d’assurer la rigidité d’ensemble de l’assemblage en réalisant la liaison entre la tête et le pied, et il résiste aux sollicitations mécaniques pendant toutes les phases de vie de l’assemblage (réponse aux fonctions FP2 et FP3) ;- to ensure the overall rigidity of the assembly by creating the connection between the head and the foot, and it resists mechanical stresses during all the phases of the life of the assembly (response to the functions FP2 and FP3);
- en situation de BTI, grâce à ses ajours (ouvertures), l’entrée du caloporteur provenant de l’espace inter-assemblages et sa circulation dans le faisceau d’aiguilles et donc la réponse à la fonction FC1 en termes de détection précoce et de refroidissement du faisceau d’aiguilles ;- in a BTI situation, thanks to its openwork (openings), the entry of coolant from the inter-assembly space and its circulation in the switch bundle and therefore the response to the FC1 function in terms of early detection and needle bundle cooling;
- en dimensionnant suffisamment les ouvertures en nombre et en taille, de réduire significativement le volume de la structure métallique (réponse à la fonction FC2), sans être de taille excessive afin de ne pas exposer les aiguilles aux chocs mécaniques (réponse à la fonction FP4).- by sizing the openings sufficiently in number and size, to significantly reduce the volume of the metal structure (response to function FC2), without being excessively large so as not to expose the needles to mechanical shocks (response to function FP4 ).
Le tube hexagonal mince en matériau fusible de l’enveloppe interne, qui enveloppe le faisceau d’aiguilles combustibles et est solidarisé à ce dernier dans l’assemblage combustible:The thin hexagonal tube made of fusible material of the inner envelope, which envelops the bundle of fuel pins and is secured to the latter in the fuel assembly:
- à la température de fonctionnement normal, reste intègre et quasi-étanche, permettant la bonne canalisation du débit de métal liquide (caloporteur) au sein du faisceau (réponse à la fonction FP1) ;at normal operating temperature, remains intact and almost watertight, allowing good channeling of the flow of liquid metal (coolant) within the bundle (response to the FP1 function);
- à une température de caloporteur caractéristique d’une situation accidentelle de BTI (température seuil prédéterminée), comprise entre la température de fonctionnement normal et la température d’ébullition du caloporteur, fond, ce qui cesse l’étanchéité de l’enveloppe interne et permet l’entrée du caloporteur par les ajours du tube hexagonal formant l’enveloppe externe. La circulation du caloporteur est alors réamorcée au sein du faisceau d’aiguilles ce qui permet de les refroidir et de rester en-deçà de la température d’ébullition du caloporteur (réponse à la fonction FC1).at a coolant temperature characteristic of an accidental BTI situation (predetermined threshold temperature), between the normal operating temperature and the boiling temperature of the coolant, melts, which ceases the tightness of the internal casing and allows the entry of the coolant through the openings of the hexagonal tube forming the external envelope. The circulation of the coolant is then restarted within the bundle of pins, which allows them to be cooled and to remain below the boiling temperature of the coolant (response to the FC1 function).
Le fait de ne pas lier le tube externe avec le tube interne fusible rend la fabrication facile, en comparaison à une solution plus commune où le tube fusible serait soudé directement sur les ouvertures du tube externe, ce qui est beaucoup plus complexe à réaliser.Not bonding the outer tube with the inner fusible tube makes manufacturing easy, compared to a more common solution where the fusible tube would be welded directly to the openings of the outer tube, which is much more complex to achieve.
Enfin, en aval du cycle combustible, le fait d’avoir un tube externe ajouré et une enveloppe interne en matériau fusible très mince permet de diminuer notablement le volume des déchets de structures irradiées.Finally, downstream of the fuel cycle, having a perforated outer tube and an inner casing made of very thin fusible material makes it possible to significantly reduce the volume of waste from irradiated structures.
Selon un mode de réalisation avantageux, l’hypothèse de l’accident de BTI provoquant l’augmentation de la température du fluide caloporteur indépendamment du flux neutronique conduit à envisager des matériaux fusibles thermiques pour le matériau de l’enveloppe interne. Celui-ci est adapté pour fondre à la température seuil prédéterminée au moins égale à 700°C, de préférence comprise entre 750°C et 850°C. Au final, la température seuil de fusion visée pour le tube hexagonal de l’enveloppe interne est à déterminer par des études de sûreté.According to an advantageous embodiment, the hypothesis of the BTI accident causing the temperature of the heat transfer fluid to rise independently of the neutron flux leads to considering thermal fusible materials for the material of the internal envelope. This is suitable for melting at the predetermined threshold temperature at least equal to 700°C, preferably between 750°C and 850°C. In the end, the target melting point temperature for the hexagonal tube of the inner casing is to be determined by safety studies.
Selon ce mode, le matériau de l’enveloppe interne est de préférence un alliage d'argent-cuivre, de préférence à 72% d’Ag et 28% de Cu. Pour un réacteur RNR-Na, cet alliage a un point de fusion satisfaisant et très précis puisqu’égal à 780°C avec une incertitude très faible. En outre, cet alliage de brasage eutectique est très couramment utilisé et disponible pour la fabrication de composants dans les industries aéronautique, électrique et radiofréquence. Par ailleurs, les inventeurs ont vérifié que les éléments Ag et Cu ne produisent pas sous flux neutronique rapide d’éléments radioactifs à vie longue. Les alliages eutectiques à base d’uranium peuvent également convenir en tant que fusible « neutronique » pour le matériau de l’enveloppe interne puisqu’ils permettraient de répondre à des séquences accidentelles conduisant à une augmentation du flux neutronique. Parmi ces alliages, on peut citer par exemple l’alliage U-Fe à point de fusion égal à 753°C, ou encore l’alliage U-Au à point de fusion égal à 852°C.According to this mode, the material of the inner envelope is preferably a silver-copper alloy, preferably at 72% Ag and 28% Cu. For a FNR-Na reactor, this alloy has a satisfactory and very precise melting point since it is equal to 780°C with a very low uncertainty. Additionally, this eutectic solder alloy is very commonly used and available for component manufacturing in the aerospace, electrical, and radio frequency industries. Furthermore, the inventors have verified that the Ag and Cu elements do not produce long-lived radioactive elements under fast neutron flux. Uranium-based eutectic alloys may also be suitable as a "neutron" fuse for the material of the inner envelope since they would make it possible to respond to accidental sequences leading to an increase in the neutron flux. Among these alloys, mention may be made, for example, of the U-Fe alloy with a melting point equal to 753°C, or even the U-Au alloy with a melting point equal to 852°C.
De préférence, l’enveloppe interne présente une épaisseur inférieure celle de l’enveloppe externe, de préférence inférieure à 2 mm, de préférence encore comprise entre 0,5 et 1,5 mm. En première approche, les inventeurs pensent qu’une épaisseur d’enveloppe interne de l’ordre de 1 mm permet de rester dans des valeurs déformations et contraintes acceptables pour un matériau candidat, tel que l’alliage à 72% d’Ag et 28% de Cu.Preferably, the inner casing has a thickness less than that of the outer casing, preferably less than 2 mm, more preferably between 0.5 and 1.5 mm. As a first approach, the inventors think that an internal envelope thickness of the order of 1 mm makes it possible to remain within acceptable deformation and stress values for a candidate material, such as the alloy with 72% Ag and 28 % disappointed.
Selon une variante de réalisation, le matériau métallique de l’enveloppe externe est en acier inoxydable austénitique, ou ferritique ou ferrito-martensitique.According to a variant embodiment, the metallic material of the outer casing is made of austenitic, or ferritic or ferrito-martensitic stainless steel.
Selon cette variante, le matériau de l’enveloppe externe est en acier ferrito-martensitique de composition 9% de Cr et 1% de Mo. Un tel matériau de nuance EM10 a l’avantage de présenter un très faible gonflement d’irradiation sous flux neutronique rapide et d’être parfaitement éprouvé pour des tubes hexagonaux fermés selon l’état de l’art.According to this variant, the material of the outer casing is made of ferrito-martensitic steel with a composition of 9% Cr and 1% Mo. Such a material of grade EM10 has the advantage of exhibiting very low irradiation swelling under flux. fast neutron and to be perfectly tested for closed hexagonal tubes according to the state of the art.
Avantageusement, le jeu de montage entre l’enveloppe interne et l’enveloppe externe est inférieur à 2 mm, de préférence compris entre 0,5 et 1,5 mm. En première approche, les inventeurs pensent qu’un jeu diamétral de l’ordre de 1 mm est optimal pour le montage et à l’accommodation des dilatations thermiques différentielles entre le matériau fusible de l’enveloppe interne et l’acier de l’enveloppe externe.Advantageously, the mounting clearance between the inner casing and the outer casing is less than 2 mm, preferably between 0.5 and 1.5 mm. As a first approach, the inventors believe that a diametral clearance of the order of 1 mm is optimal for mounting and for accommodating differential thermal expansion between the fusible material of the internal casing and the steel of the casing. external.
Selon un premier mode de réalisation, les ajours de l’enveloppe externe sont des ouvertures de section triangulaire réalisées sur au moins une face, formant des croisillons sur ladite face, obliques par rapport à l’axe longitudinal (X).According to a first embodiment, the openings of the outer casing are openings of triangular section made on at least one face, forming braces on said face, oblique with respect to the longitudinal axis (X).
Selon ce premier mode, plusieurs variantes avantageuses peuvent être envisagées :According to this first mode, several advantageous variants can be envisaged:
- une pluralité d’ouvertures triangulaires agencées individuellement tête-bêche le long de la face ;- a plurality of triangular openings arranged individually head to tail along the face;
- une pluralité d’ouvertures triangulaires regroupées par groupe de six en formant un rectangle avec quatre ouvertures de moindre dimensions, égales entre elles, formant les coins du rectangle tandis que les deux ouvertures de plus grandes dimensions, égales entre elles, sont agencées dos-à-dos en formant le centre du rectangle, les groupes étant agencés le long de la face ;- a plurality of triangular openings grouped in groups of six forming a rectangle with four smaller openings, equal to each other, forming the corners of the rectangle while the two larger openings, equal to each other, are arranged back- à-dos forming the center of the rectangle, the groups being arranged along the face;
- une pluralité d’ouvertures triangulaires regroupées par groupe de quatre de dimensions égales entre elles en formant un rectangle, les groupes étant agencés le long de la face ;- a plurality of triangular openings grouped in groups of four of equal dimensions between them forming a rectangle, the groups being arranged along the face;
- une pluralité d’ouvertures triangulaires regroupées par groupe de deux de dimensions égales entre elles, les groupes étant agencés tête-bêche le long de la face.- a plurality of triangular openings grouped in groups of two of equal dimensions between them, the groups being arranged head to tail along the face.
Selon un deuxième mode de réalisation, les ajours de l’enveloppe externe sont des ouvertures de section circulaire réalisées sur au moins une face, formant des croisillons sur ladite face, obliques par rapport à l’axe longitudinal (X).According to a second embodiment, the openings of the outer casing are openings of circular section made on at least one face, forming braces on said face, oblique with respect to the longitudinal axis (X).
Selon ce deuxième mode, une variante avantageuse peut consister en une pluralité d’ouvertures circulaires agencées en quinconce le long de la face.According to this second mode, an advantageous variant may consist of a plurality of circular openings arranged in staggered rows along the face.
Avantageusement, les ajours de l’enveloppe externe sont réalisés sur chaque face du tube hexagonal.Advantageously, the openings of the outer casing are made on each side of the hexagonal tube.
Avantageusement encore, le pourcentage de réduction de masse obtenu par les ajours de l’enveloppe externe par comparaison avec un tube hexagonal fermé, non ajouré, de mêmes dimensions (hauteur, épaisseur, apothème ou entreplat) est compris entre 25 et 57%. Par « apothème », on entend la définition géométrique, à savoir l’apothème d’un hexagone régulier convexe, qui est le rayon du cercle inscrit dans cet hexagone. Par « entreplat », on entend la définition usuelle de l’homme du métier, à savoir le diamètre du cercle inscrit dans l’hexagone régulier convexe.Advantageously again, the percentage reduction in mass obtained by the openings of the outer casing compared with a closed, non-opened hexagonal tube of the same dimensions (height, thickness, apothem or gap) is between 25 and 57%. By “apothem”, we mean the geometric definition, namely the apothem of a regular convex hexagon, which is the radius of the circle inscribed in this hexagon. By "between flats", we mean the usual definition of those skilled in the art, namely the diameter of the circle inscribed in the regular convex hexagon.
L’invention concerne également un assemblage de combustible nucléaire comportant un pied, un corps d’assemblage tel que décrit précédemment, des aiguilles de combustible nucléaire logées dans le corps d’assemblage et une tête logeant une protection neutronique supérieure, l’enveloppe externe du corps étant fixée au pied et à la tête respectivement, par exemple par soudage, l’enveloppe interne étant solidaire du faisceau d’aiguilles et n’étant pas directement liée mécaniquement au pied et à la protection neutronique supérieure. Avec un corps d’assemblage selon l’invention, on peut conserver standards tous les autres sous-ensembles de l’assemblage combustible (aiguilles de combustible, tête, protection neutronique supérieure, pied) et les liaisons entre le tube hexagonal ajouré et le pied et la tête peuvent être usuelles.The invention also relates to a nuclear fuel assembly comprising a foot, an assembly body as described above, nuclear fuel pins housed in the assembly body and a head housing an upper neutron shield, the outer envelope of the body being fixed to the foot and to the head respectively, for example by welding, the inner casing being integral with the bundle of needles and not being directly mechanically linked to the foot and to the upper neutron protection. With an assembly body according to the invention, all the other sub-assemblies of the fuel assembly (fuel pins, head, upper neutron protection, foot) and the connections between the perforated hexagonal tube and the foot can be kept as standard. and the head can be usual.
L’invention concerne enfin une installation nucléaire comprenant un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNR-Na (ou SFR) et comprenant un cœur logeant une pluralité d’assemblages de combustible nucléaire tel que décrit ci-avant.The invention finally relates to a nuclear installation comprising a fast neutron nuclear reactor cooled with liquid metal, in particular liquid sodium called RNR-Na (or SFR) and comprising a core housing a plurality of nuclear fuel assemblies as described above. -Before.
D’autre avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.Other advantages and characteristics will emerge better on reading the detailed description, given by way of illustration and not limitation, with reference to the following figures.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2107188A FR3124885B1 (en) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | Nuclear fuel assembly body, with a double envelope including the inner one made of fusible material and nuclear fuel assembly comprising such a body. |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2107188 | 2021-07-02 | ||
| FR2107188A FR3124885B1 (en) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | Nuclear fuel assembly body, with a double envelope including the inner one made of fusible material and nuclear fuel assembly comprising such a body. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR3124885A1 true FR3124885A1 (en) | 2023-01-06 |
| FR3124885B1 FR3124885B1 (en) | 2023-06-02 |
Family
ID=77519310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2107188A Active FR3124885B1 (en) | 2021-07-02 | 2021-07-02 | Nuclear fuel assembly body, with a double envelope including the inner one made of fusible material and nuclear fuel assembly comprising such a body. |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| FR (1) | FR3124885B1 (en) |
Citations (7)
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-
2021
- 2021-07-02 FR FR2107188A patent/FR3124885B1/en active Active
Patent Citations (7)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3124885B1 (en) | 2023-06-02 |
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