La présente invention concerne un embout inférieur pour assemblage de combustible de réacteur nucléaire à eau légère, l'assemblage comprenant des crayons de combustible et un squelette de support des crayons de combustible, les crayons de combustible s'étendant le long d'une direction longitudinale et étant disposés aux noeuds d'un réseau sensiblement régulier, le squelette de support comprenant un embout inférieur et un embout supérieur et des éléments de liaison des embouts, les crayons de combustible étant disposés longitudinalement entre les embouts,
l'embout inférieur étant du type comprenant :
L'invention s'applique en particulier, mais pas exclusivement, à la réalisation d'embouts inférieurs d'assemblages de combustible nucléaire pour réacteurs nucléaires à eau légère (LWR en anglais).
Classiquement, un embout inférieur d'assemblage de combustible nucléaire remplit trois fonctions.
La première est une fonction de tenue mécanique, puisque l'embout fait partie du squelette de l'assemblage de combustible nucléaire et c'est par son intermédiaire que l'assemblage repose sur la plaque inférieure de coeur.
La deuxième fonction est une fonction de distribution de l'eau de réfrigération qui circule dans le coeur du réacteur verticalement de bas en haut avec une vitesse ascendante très importante.
Plus précisément, l'eau pénètre dans le coeur au travers de la plaque inférieure de coeur, puis traverse l'embout inférieur, avant d'entrer en contact avec les surfaces extérieures des crayons de combustible.
La troisième est une fonction d'arrêt des débris. En effet, en circulant dans le circuit primaire du réacteur nucléaire, l'eau de réfrigération se charge des débris éventuellement présents. Il est souhaitable d'empêcher que ces débris viennent se coincer entre les crayons de combustible et les éléments qui les maintiennent, notamment au niveau de la grille inférieure du squelette. En effet, ces débris, soumis alors aux sollicitations hydrauliques axiales et transversales importantes dans cette zone, pourraient user les gaines des crayons de combustible et résulter en des pertes d'étanchéité ainsi qu'en une augmentation du taux d'activité du circuit primaire du réacteur.
Cette fonction est assurée par des dispositifs anti-débris qui peuvent être intégrés ou rapportés sur l'embout inférieur, et être plus ou moins élaborés.
Le document
Toutefois, les embouts inférieurs munis de tels dispositifs anti-débris plus élaborés conduisent à une perte de charge plus importante. Cette perte de charge se traduit par une moindre efficacité du refroidissement des crayons de combustible nucléaire et par la nécessité de compenser cette perte de charge supplémentaire par l'augmentation de la transparence hydraulique d'autres composants de l'assemblage de combustible nucléaire et/ou par un effort de maintien axial plus élevé exercé par la plaque supérieure de coeur sur l'assemblage de combustible nucléaire.
Par ailleurs, la cohabitation au sein d'un même coeur de réacteur d'assemblages de combustible nucléaire munis d'embouts inférieurs à faible perte de charge et d'assemblages munis d'embouts inférieurs à perte de charge plus importante est également problématique. Elle conduit en effet à des redistributions de l'eau de réfrigération dans la partie inférieure des crayons des assemblages, provoquant des écoulements latéraux pouvant atteindre des vitesses importantes. Ces écoulements latéraux pourraient conduire à l'endommagement des crayons par frottement de leurs gaines sur les grilles du squelette. Un tel phénomène est généralement dénommé « fretting ».
Plus généralement, de tels phénomènes de fretting pourraient apparaître entre la grille inférieure du squelette de support et les gaines des crayons de combustible nucléaire, même lorsque le coeur est chargé d'assemblages à embouts inférieurs induisant la même perte de charge, du fait des vibrations des extrémités inférieures des crayons de combustible nucléaire.
Ces phénomènes de fretting pourraient induire des endommagements des gaines susceptibles de provoquer le relâchement de produits ou de gaz de fission dans l'eau du circuit primaire.
Pour résoudre ce problème de fretting,
L'embout inférieur de ce document peut en outre être muni d'un dispositif anti-débris rapporté au-dessus du réseau de nez d'orientation de l'écoulement de l'eau de réfrigération. En variante, ce dispositif peut être venu de matière avec le réseau de nez.
Un tel embout inférieur est satisfaisant mais il apparaît souhaitable d'accroître encore sa capacité d'arrêt des débris.
Un but de l'invention est de résoudre ce problème en fournissant un embout inférieur du type précité, qui présente une capacité d'arrêt des débris améliorée, tout en induisant une perte de charge réduite.
A cet effet, l'invention a pour objet un embout inférieur du type précité, caractérisé en ce qu'au moins certains des canaux d'écoulement de l'eau sont disposés en des noeuds du réseau sensiblement régulier, en ce que des nez d'orientation sont disposés au moins en partie dans lesdits canaux pour délimiter avec ces derniers des passages d'eau, et en ce qu'au moins un passage d'eau comprend une première section et une deuxième section qui sont décalées radialement l'une de l'autre par rapport au noeud correspondant du réseau pour former une chicane.
Selon des modes particuliers de réalisation, l'embout peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possible(s) :
L'invention a en outre pour objet un assemblage de combustible nucléaire pour réacteur nucléaire, l'assemblage comprenant des crayons de combustible et un squelette de support des crayons de combustible, les crayons de combustible s'étendant le long d'une direction longitudinale et étant disposés aux noeuds d'un réseau sensiblement régulier, le squelette de support comprenant un embout inférieur et un embout supérieur et des éléments de liaison des embouts, les crayons de combustible étant disposés longitudinalement entre les embouts, caractérisé en ce que l'embout inférieur est un embout tel que défini ci-dessus, les nez étant disposés longitudinalement sous des crayons de combustible ou des éléments de liaison des embouts.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
Afin d'illustrer le contexte de l'invention, la
L'assemblage 1 s'étend verticalement et de manière rectiligne le long d'une direction longitudinale A.
De manière classique, l'assemblage 1 comprend principalement des crayons 3 de combustible nucléaire et une structure ou squelette 5 de support des crayons 3.
Le squelette de support 5 comprend classiquement :
Les embouts 7 et 9 sont fixés aux extrémités longitudinales des tubes-guides 11.
Les crayons 3 s'étendent verticalement entre les embouts 7 et 9. Les crayons 3 sont disposés aux noeuds d'un réseau sensiblement régulier à base carrée où ils sont maintenus par les grilles 13. Certains des noeuds du réseau sont occupés par les tubes-guides 11 et éventuellement par un tube d'instrumentation 14 visible au centre de la
Les grilles 13 comprennent classiquement des jeux de plaquettes 15 entrecroisées qui délimitent entre elles des cellules centrées sur les noeuds du réseau régulier. La plupart des cellules sont destinées à recevoir un crayon de combustible 3. Vingt quatre cellules reçoivent chacune un tube-guide 11 et la cellule centrale reçoit le tube d'instrumentation 14.
Dans l'exemple des
Dans d'autres variantes, le nombre de cellules et de noeuds par côté peut être différent, par exemple de 14 x 14 jusqu'à 18 x 18 pour un assemblage de combustible pour réacteur à eau pressurisée et de 7x7 jusqu'à 11x11 pour un assemblage de combustible pour réacteur à eau bouillante.
Chaque crayon 3 comprend de manière classique une gaine extérieure 17 fermée par un bouchon inférieur 19 et un bouchon supérieur 21, et contenant le combustible nucléaire. Il s'agit par exemple de pastilles de combustible empilées, les pastilles prenant appui sur le bouchon inférieur 19.
Un ressort hélicoïdal non-représenté de maintien peut être disposé dans la gaine 17 entre la pastille supérieure et le bouchon supérieur 21.
La
L'embout 7 comprend une paroi 23 horizontale et des pieds 25 qui prolongent la paroi 23 vers le bas pour s'appuyer sur la plaque inférieure du coeur du réacteur.
La paroi 23 a une forme générale parallélépipédique plane et les pieds 25 sont disposés chacun dans un coin de la paroi 23. La paroi 23 comprend un corps 29 inférieur et une plaque 31 supérieure qui recouvre le corps 29.
Le corps 29 comprend une pluralité de blocs 33 qui sont disposés aux noeuds du même réseau que les crayons de combustible 3, les tubes-guides 11 et l'éventuel tube d'instrumentation 14.
Ainsi, comme on le voit sur la
Chaque bloc 33 est donc situé longitudinalement en dessous soit d'un crayon de combustible 3, soit d'un tube-guide 11 soit du tube d'instrumentation 14, si l'assemblage 1 en comprend un.
Les blocs 33 sont reliés entre eux par des nervures 37 de rigidification qui quadrillent le corps inférieur 29.
Les blocs 33 qui sont disposés sous les crayons de combustible 3, c'est-à-dire la plupart des blocs 33, ont un diamètre correspondant sensiblement au diamètre extérieur des crayons 3 et sont prolongés vers le bas par des nez 39 d'orientation de l'écoulement de l'eau. Ces nez 39 ont sensiblement des formes d'ogive convergeant vers le bas et sont venus de matière avec les blocs 33 considérés.
Comme décrit dans
Généralement, on ne prévoit pas de nez 39 sous le tube d'instrumentation 14 éventuellement présent, pour permettre le passage de la sonde correspondante.
Ainsi, le corps inférieur 29 de l'embout 7 présente un réseau de nez 39 similaire à celui des crayons de combustible 3, des tubes-guides 11 et de l'éventuel tube d'instrumentation 14.
Ce réseau est seulement interrompu au droit de l'éventuel tube d'instrumentation 14. Dans certaines variantes, le réseau peut également être interrompu localement au voisinage de ce tube 14 de manière plus importante. Dans ces variantes, l'essentiel des crayons 3 restent cependant disposés au-dessus de nez 39. En variante, le contour externe du corps inférieur 29 peut être muni d'une jupe qui relie entre eux les blocs périphériques 33 situés entre les pieds 25 et qui relie également ces blocs 33 aux pieds 25. Cette jupe peut présenter des chanfreins supérieur et inférieur pour faciliter la manutention de l'assemblage.
Les blocs 33 disposés sous les crayons de combustible 3 présentent en outre des orifices borgnes pour recevoir les bouchons inférieurs 19 des crayons 3 et ainsi retenir les crayons 3 latéralement et axialement.
La plaque supérieure 31 forme quant à elle un dispositif anti-débris.
La présente invention, illustrée par les
Dans le mode de réalisation de la
Ces blocs 33 sont également, comme décrit précédemment, prolongés vers le bas par des nez 39 d'orientation de l'écoulement de l'eau de réfrigération. Dans l'exemple représenté, les nez 39 ont des formes sensiblement coniques convergeant vers le bas. On observera que sur la
Dans l'exemple représenté également, la grille 31 a été supprimée et remplacée par une plaque inférieure 43 métallique disposée sous le corps 29 et venue de matière avec le corps 29. Cette plaque 43 forme un dispositif anti-débris comme décrit ultérieurement.
Il est également possible de réaliser le corps 29 et la plaque 43 sous forme de deux pièces séparées rapportées l'une à l'autre. Leur fixation mutuelle peut alors être assurée par exemple par soudage aux coins extérieurs du corps 29 et de la plaque inférieure 43 et en outre par les vis de fixation des tubes-guides 11 à l'embout inférieur 7 qui viennent appuyer la plaque inférieure 43 contre le corps 29. La plaque 43 et le corps 29 sont par exemple réalisés en un matériau résistant à l'usure, comme par exemple un alliage à base de Nickel type Inconel (marque déposée), un acier type A286, un alliage à base de titane...
La plaque inférieure 43 comprend un quadrillage de cloisons 45 qui délimitent entre elles des canaux 47 qui traversent verticalement la plaque 43.
Les canaux 47 sont disposés aux noeuds du même réseau que les crayons de combustible 3, les tubes-guides 11 et l'éventuel tube d'instrumentation 14.
Il est possible que la plaque inférieure 43 comporte, comme le corps 29, quelques irrégularités, notamment au droit des tubes-guides 11 ou de l'éventuel tube d'instrumentation 14.
Les canaux 47 ayant une structure analogue, seule celle du canal 47 visible sur la
Le canal 47 a des sections transversales successives en forme de disques et comprend successivement, dans le sens ascendant de circulation de l'eau de réfrigération, une moitié inférieure convergente et une moitié supérieure divergente. Les formes convergente et divergente précitées sont obtenues grâces à des renflements intermédiaires des cloisons 45 délimitant le canal 47.
Le nez 39 associé au même noeud du réseau que le canal 47 est engagé dans la moitié supérieure du canal 47.
Le nez 39 délimite ainsi dans le canal 47 un passage 51 pour l'eau de réfrigération qui comporte d'une part une moitié inférieure 53 qui converge vers le haut et est composée d'une succession de sections en forme de disques, et d'autre part une moitié supérieure 55 qui enveloppe à distance le nez 39 et qui est composée d'une succession de sections annulaires. Les sections précitées annulaires et en forme de disques sont centrées sur l'axe longitudinal et central C du crayon 3 correspondant, c'est-à-dire celui associé au même noeud du réseau que le canal 47, le bloc 33 et le nez 39 considérés. Ce crayon 3 est le seul représenté sur la
Les sections transversales de la moitié supérieure 55 se rapprochent radialement de l'axe C au fur et à mesure que l'on se rapproche de la moitié inférieure 53 du passage 51.
Ainsi, la section aval S1 de la moitié supérieure 55 est située radialement plus à l'extérieur par rapport à l'axe C que la section amont S2 de la moitié supérieure 55, section S2 encore dénommée section intermédiaire du passage 51. La position radiale d'une section considérée correspond par exemple au milieu de la double flèche représentée sur la
La moitié supérieure 55 forme donc une chicane 56. Cela est encore matérialisé par les deux flèches E représentant des lignes d'écoulement de l'eau. Ces flèches E montrent en effet que les lignes d'écoulement de l'eau sont déviées latéralement par la chicane 56 par rapport à la verticale.
De préférence, comme dans l'exemple représenté, la chicane 56 formée est telle qu'aucune ligne d'écoulement ne peut traverser verticalement en ligne droite le passage 51. Cela est obtenu dans l'exemple représenté grâce au fait que le diamètre extérieur de la section S2 est inférieur ou égal au diamètre intérieur de la section S1. Dans le cas où d'autres sections que des sections circulaires et annulaires sont envisagées, une relation analogue existera entre les dimensions transversales des sections. Par exemple, pour des sections carrées, cette relation existera entre les longueurs des côtés des carrés.
Comme illustré en pointillés sur la
Le bouchon 19 prend par exemple appui via une surface conique 59 sur une surface conique de forme complémentaire prévue dans l'orifice 57. Ainsi, le crayon 3 repose sur le bloc 33 et est donc retenu axialement contre l'effet de la gravité et latéralement contre l'effet des écoulements transverses.
Comme dans l'état de la technique de la
En outre, la présence de la plaque inférieure 43 permet d'améliorer sensiblement la capacité d'arrêt des débris, notamment du fait de la présence des chicanes 56 dans les passages 51. En particulier, la capacité d'arrêt est améliorée vis-à-vis des débris longs et fins.
La présence de la plaque inférieure 43 permet également d'améliorer encore l'orientation des lignes d'écoulement de l'eau et donc de limiter les vibrations et les risques d'endommagement par fretting des crayons 3.
Ce résultat est encore accru du fait de la forme convergente puis divergente des passages 51, qui permet de capter et de guider sur une plus grande distance l'eau et ainsi de réduire encore les vitesses latérales d'écoulement.
Pour autant, l'embout 7 a une perte de charge relativement réduite comprise entre celles des embouts à dispositifs anti-débris simples et à dispositifs anti-débris élaborés de l'état de la technique. Cela facilite donc son utilisation dans des coeurs où tous les assemblages n'ont pas les mêmes embouts inférieurs, puisque l'écart de perte de charge par rapport à celle induite par les embouts environnant est réduit.
Les coûts de fabrication de l'embout 7 sont également réduits, notamment du fait que le corps 29 et la plaque 43 peuvent être fabriqués séparément ou d'une seule pièce par moulage, et ne nécessitent donc pas l'assemblage d'un grand nombre d'éléments comme dans certains dispositifs anti-débris tels que celui de
En cas d'accident grave, tel qu'un séïsme ou une perte de l'eau de réfrigération du circuit primaire, les blocs 33 retiennent les crayons 3 contre une chute au travers de l'embout inférieur 7.
Cette retenue axiale étant assurée par le réseau de blocs 33, ou même par les nez 39 dans certaines variantes où des blocs 33 ne sont pas prévus, le réseau de passages 51 a pu être superposé à celui des nez 39, contrairement à ce qui pouvait être suggéré par l'état de la technique où on s'efforçait de maintenir les nervures des dispositifs anti-débris en regard des crayons 3 pour prévenir leur chute.
Les passages 51 peuvent avoir des formes variées autres que celles décrites précédemment notamment en jouant sur leurs sections, la hauteur des parties 53 et 55 qui ne correspondent pas nécessairement à des moitiés, leur divergence ou leur convergence ou même l'absence de divergence ou de convergence. Ces diverses formes peuvent être obtenues en jouant sur les cloisons 45 et/ou les nez 39.
Ainsi, la
On observera que l'extrémité inférieure du tronçon inférieur 63 est arrondie pour ne pas perturber l'écoulement de l'eau.
En reprenant les mêmes références que sur la
La capacité de blocage des débris est donc encore accrue dans cette variante.
Dans les exemples décrits ci-dessus, les sections transversales du passage 51 sont à base de disques ou d'anneaux, mais d'autres formes, par exemple polygonales à coins arrondis peuvent être utilisées ainsi que leur combinaison.
Afin d'accroître encore la capacité d'arrêt des débris, il est possible d'ajouter une grille supplémentaire, par exemple sous la plaque 43 comme illustré par la
On peut également utiliser en plus ou à la place des grilles supplémentaires précitées des manchons.
Un tel manchon 67 est représenté sur la
Un manchon 67 est prévu par exemple pour chaque ensemble de crayon 3, bloc 33, nez 39 et passage 51 correspondant à un noeud du réseau.
L'extrémité inférieure 73 du manchon 67 est engagée dans l'extrémité supérieure du canal 47 où elle est maintenue par exemple élastiquement. L'extrémité supérieure 75 du manchon 67 est par exemple engagée élastiquement autour du bloc 33. Le manchon 67 ferme donc l'extrémité aval du passage 51 et l'eau de réfrigération issue du passage 51 traverse nécessairement le manchon 67, ce qui accroît la capacité d'arrêt des débris.
L'extrémité supérieure du manchon 67 présente une zone qui n'est pas pourvue d'ouvertures d'écoulement d'eau et qui délimite intérieurement avec le nez 39 une cavité. Cette cavité permet de piéger les débris filiformes, ce qui accroît encore la capacité d'arrêt des débris.
Dans les exemples décrits ci-dessus, les crayons 3 sont retenus latéralement par le corps 29 mais ce n'est pas toujours nécessairement le cas.
Ainsi, dans un assemblage 1 selon l'invention, les bouchons inférieurs 19 des crayons 3 peuvent être espacés de l'embout inférieur 7. Toutefois, l'essentiel des crayons 3 surmontera un nez 39 engagé lui-même dans un canal 47 de la plaque 43 afin de délimiter un passage 51 d'écoulement du fluide, en l'occurrence l'eau de réfrigération. On entend par l'expression « l'essentiel des crayons 3 », au moins 50% des crayons 3, de préférence au moins 70% et de manière préférée encore 90%.
De manière générale également, les nez 39 ne seront pas nécessairement surmontés de blocs 33.
De manière générale encore, tous les passages 51 n'ont pas nécessairement la même forme au sein de l'embout 7.
On observera également que la plaque 43 peut comprendre, outre les canaux 47 précédemment décrits, des canaux 47 supplémentaires qui eux ne sont pas disposés en des noeuds du réseau des crayons de combustible 3, des tubes-guides 11 et de l'éventuel tube d'instrumentation 14. De tels canaux 47 supplémentaires peuvent permettre de diminuer la perte de charge induite par l'embout 7. Ces canaux 47 supplémentaires peuvent également former des chicanes.
Dans les exemples décrits précédemment, l'embout inférieur 7 est destiné à un assemblage PWR. On notera cependant que les caractéristiques décrites ci-dessus peuvent également être utilisées pour des assemblages de combustible pour réacteur nucléaire à eau bouillante (BWR en anglais).
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.