Brevet FR2041211A1 — publié le 19710129

La réactivité dVun réacteur et le problème de son contrôle sont étroitement liés au comportement à long terme du coeur-du réacteur. Il faut par suite examiner d'abord le développement des divers états du coeur. Le chargement d'un réacteur introduit d'abord dans le coeur une réactivité excédentaire, qui est fixée par des barres de contrôle mobiles et des absorbeurs fixes (poisons). La diminution progressive de la réacti vité du combustible, au fur et à mesure de la consommation, est compensée par la sortie des barres ou automatiquement par la consommation du poison. Une période d'alimentation est généralement terminée quand le coeur ne con tient plus de poisons stationnaires et les absorbeurs mobiles (barres de contre) sont entièrement sortis du coeur ou occupent une position qui ne doit pas entre franchie sous peine de dépasser une limite de calcul, par suite de la distribution défavorable de la puissance produite alors dans le coeur.Pour pouvoir travailler à pleine charge, il faut augmenter de -nouveau la réactivité, par déchargement du combustible épuisé et char gement de combustible frais; dans le cas d'éléments combustibles en barres, seuls des groupes complets de barres sont remplacées. Une partie des groupes d'éléments combustibles-restants est souvent déplacée dans le coeur à cette occasion, afin dtEviter dans la mesure du possible une consommation irré gulière, due aux variations locales et temporelles du flux neutronique dans Ie coeur du réacteur. En principe, il serait possible de charger le -réacteur avec un combustible fraiss de le laisser consommer jusqulà ce que la réduction de réactivité ne permette plus un fonctionnement- à pleine charge de décharger tout le coeur et de recommencer avec un coeur frais. Une telle solution n'est toutefois pas économique. Un coeur entièrement chargé de combustible frais a en effet une tres grande réactivité excédentaire, dont l'absorption exige des dépenses importantes, sans compter que du combustible cher demeure inefficace pendant un temps prolongé. Un tel état est toutefois inévitable -pendant un-temps déterminé, lors de la première mise en service d'une centrale, avec le premier coeur.A la fin de la première période d'alimentation, qui est généralement plus longue que les suivante s, il est toutefois possible de créer des conditions plus favorables en ne remplaçant qu'une partie du combustible d'origine (charge additionnelle) et en laissant le reste pour suivre sa consommation. La réactivité excédentaire de ce coeur composite est ainsi nettement inférieure à celle du premier coeur et sa fixation exige par suite beaucoup moins d'éléments abosrbants. Au cours des périodes d'alimentation suivantes, une partie de la charge du coeur - les éléments le plus consommées en général - est remplacée à intervalles réguliers par du combustible frais, selon un plan de chargement évitant au maximum le déplacement des éléments combustibles.Un chargement systématique du réac teur produit ainsi dans le temps un état d'équilibre, c'est-à-dire que I'état de consommation du coeur se répète pendant la période d'alimentation (coeur équilibré). L'importance des charges partielles du coeur équilibré est déterminée par la condition suivante : la période d'alimentation doit généralement entre d'une année calendaire, car il est alors possible de changer le combustible à une époque où la demande saisonnière d'énergie est minimale. I1 ressort de ce qui précède qui nty a pas encore suffisamment d'éléments fortement consommés lors des premières périodes d'alimentation après la réalisation du premier coeur, de sorte qu'il est nécessaire pendant une période transitoire de sortir une charge partielle importante d'éléments peu consommés. La consommation moyenne realisable pendant cette période n'est donc pas optimale; cet état est atteint qu'à l'équilibre. La réactivité du réacteur varie donc notablement pendant la consommation et le chargement ultérieur en combustible. il faut par suite 'assurer, en établissant des bilans de resctivite, c'est-à-dire en comparant la réactivité excédentaire à l'efficacité des éléments de sécurité, qu'il est possible d'arrêter le réacteur 6 tout instant et à partir de tout état de fonctionnement. le bilan de réactivité est particulièrement important pour l'état correspondant au maximum de réactivité excédentaire, obtenu dans - le cas des réacteurs à eau légère immédiatement- après un chargement à froid. La réactivité excédentaire est fixée, notamment dans les réac-- teurs à eau bouillante, par des barres de -contrôle mobiles êt des matériaux absorbants fixes. Les barres de contrôle et leurs entrat-nementsentratnent des frais d'installation non négligeables et ont un encombrement relative- ment important. Il est par suite connu de ne prévoir que le nombre de barres de contrôle nécessaire pour un arrêt sflr du coeur, car cet état est celui du coeur pendant la plus grande partie de la durée de vie de la centrale. La réactivité excédentaire est toutefois beaucoup plus grande pendant les premières années suivant la -mise en service (27-% Ak par exemple pour le premier coeur contre 14,5 % ok au maximum pour le coeur-équilibré), de sorte que toutes les barres de contrôle sont insuffisantes pour permettre un arret en toute sécurité du réacteur-pendant cette période, quel que soit son état de fonctionnement (réactivité contrôlable par les barres 18,5 7. environ).Il est connu de fixer cette réactivité excédentaire au cours de la période transitoire au moyen de tales absorbantes fixes, introduites d'unè façon quelconque dans le coeur du réacteur, puis retirées dès que la consommation a réduit la réactivité à un point tel que les seules barres de contrôle permettent un arrêt sûr du réacteur.L'effi cacité des tales décrott certes aussi dans le temps, par suite-de la consommation du matériau absorbants mais cette réduction est plus lente que celle- de la réactivité excédentaire du coeur, de sorte qu'il a déjà été proposé d'assurer une compensation en disposant les-tôle s dfempoisonne- ment, indépendamment du combustible, aux endroits du-coeur à densité de flux plus élevée (Rapports genevois l958, vol. 13, pp. 426-à 446-, et notamment page 430, colonne gauche). Afin de réduire encore le nombre de barres de contre pour une puissance donnée, il est également connu de prévoir dans les groupes d'éléments combustibles, pour l'absorption de la réactivité, des barres combustibles individuelles contenant des poisons combustibles, qui sont consommés au cours d'une période d'alimentation. De-nouveaux groupes empoisonnés sont introduits dans le coeur avec chaque charge additionnelle, de sorte qu'unie fixation de la réactivité par absorbeurs fixes-est présente ultérieurement dans le coeur équilibré, ne serait-ce que dans la partie nouvellement chargée ce qui permet de réduire le nombre de barres de con truie en fonction -du bilan de réactivité (ou- d'augmenter la densité de puissance pour un meme nombre de barres). Les conditions sont sensiblement les suivantes- dans un tel réacteur à eau bouillante moderne : 57 % de la réactivité sont contrdlés par des barres et 43 % par des poisons combustibles.Un accroissement du pourcentage de poisons cômbustibles permet ainsi d'obtenir une augmentation de la puissance pour un mime nombre de barres ou une réduction du nombre de barres de contrôle- pour une meme puissance. Ce procédé est toutefois limité dans la méthode connue, car seule la charge additionnelle est disponible pour- l'introduction des poisons combustibles (du fait de leur mélange au combustible). Il est impossible de dépasser un nombre déterminé de barres empoisonnées, car l'efficacité diminue entre des barres voisines et en direction de la barre de contrôle; il s'y ajoute Ie problème des points chauds localisés dans un tel groupe fortement empoisonné, de sorte qu'il est impossible de dépasser une limite d'empoisonnement déterminée. L'invention vise à accroître encore l'empoisonnement stationnaire dans le coeur, de façon à permettre une plus forte réduction du nombre de barres de contrôle, une augmentation de la densité de puissance dans le coeur pour un meme nombre de barres ou une amélioration de la sécurité d'arrêt (différence du bilan de réactivité). L'intention a pour objet un agencement pour le contrôle continu de la réactivité de réacteurs nucléaires sur plusieurs périodes dialimentation, au moyen de barres de contrôle et de pièces comportant des absorbeurs combústiblës (pi̲sons), fixes dans les groupes d'éléments combustibles Selon une particularité essentielle, un emplacement au moins est prévu dans un groupe d'éléments combustibles au moins pour le logement d'une barre interchangeable, constituée uniquement par un matériau absorbant L'invention permet désormais drempoisonner tout le coeur et non plus seulement la charge additionnelle, lors de chaque chargement, c'est-à-dire qu'il est possible d'accroître notablement le pourcentage de poisons fixes, ce qui agit directement sur le bilan de réactivité et par suite favorablement dans le sens du problème posé. Pour des raisons économiques (afin de ne pas immobiliser trop longtemps du combustible inutilisé), il est recommandé de choisir la durée de consommation de façon à permettre le remplacement des barres absorbantes à la cadence du cycle dralimentation (consommation linéaire). L'empoisonnement est particulîèreme-nt favorable en cas d'emploi de mgtériau-x absorbants à auto-blindage, tels que aluminium-gadolinium. Ltagencement est particulièrement favorable quand les emplacements vides du groupe sont équipés de tubes identiques aux gaines des éléments pombustibles et dans lesquels les barres absorbantes sont simplement insérées (les réacteurs à eau pressurisée comportent des emplacements vides semblables pour le logement des barres de régulation). D'autres objets et avantages de l'4nvention seront mieux com pris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et de la figure unique qui représente un coeur en coupe, l'exemple typique choisi étant le réseau d'un réacteur à eau bouillante. chaque barre de contrôle cruciforme 1 est entourée par quatre groupes d'éléments combustibles 2, logé-s dans des caissons. Dans ces groupes carrés, les barres combustibles (36 dans l'exemple représenté} sont maintenues par des piècés d'écartement. Selon la particuIarité essentielle de llinvention des tubes vides de meme diamètre que les gaines des barres combustibles sont prévus dans divers groupes, et de préférence dans chaque groupe, aux emplacements représentés en noir parexemple. Des barres en aluminium-gadolinium, demeurant dans le coeur pendant la durée d'une seule période d'alimentation > sont insérées dans ces tubes vides à chaque charge additionnelle.La barre est retirée et remplacée par une autre à la fin de la période -d'alimentation, qui-dure 1 an environ. Gette solution ne soulève aucune difficulté constructive; la barre empoisonnée est introduite ou sortie facilement, sans démontage de-s groupes. Un verrouillage ou une opération-similaire-est inutile par principe. La quantité de poison est calculée et répartie dans l'espace de façon à permettre un contrôle sûr de la réactivité-excédentaire pendant une période d'alimentation, en liaison avec les barres de contrôle. Un exemple numérique permet de préciser quantitativement les avantages de l'invention, dans le cas d'une réduction du nombre de barres de contrôle, La distance d entre les barres de contrôle (et par. suite le nombre de barres lui-meme) est imposée par la réactivité que les barres doivent absorber et dépend de la largeur du réseau a, ctest-à-dire des dimensions des groupes d'éléments combustibles, et par suite du nombre de barres combustibles par - groupe La distance entre-les barres de contrôle ou les dimensions des groupes (= réduction du nombre de groupes) peuvent entre d'autant plus grandes- que les barres doivent absorber une réactivité plus faible Un exemple numérique précisera cette affirmation. Soit un réacteur (connu) dont les--barres de contrôle ont une réactivité totale d'environ 17,0 %. 12 % seulement environ sont nécessaires pour les réactivités du bilan qui ne doivent pas être fixées par des absorbeurs fixes (poisons) (deux températures} etc.). Dans l'hypothèse d'une réactivité de consommation de 9 % bk (à l'équilibre), 4 7. sont absorbés par des poisons stationnaires et 5 % par les barres de contrôle, car l'empoisonnement ne peut pas être augmenté pour les raisons précédemment -indiquées. Les autres données sont par hypothèse : 109- barres de contrôle et 444 groupes de 7 x-7 barres combustibles chacun; d = 305 mm. L'agencement selon l'invention permet de contrôler aussi par les poisons fixes les 5 % X 4c de la réactivité de combustion, normalement contrdlés par les barres, c'est-à-dire que la surface contrôlée par les barres (la hauteur du coeur demeurant -constante) peut etre augmentée de 30 % (12 % contre 17 o-Ak des barres), sans modifier la largeur des ailes de barre; on obtient alors d = 363 mm environ. En augmentant la- largeur des ailes de 16 % seulement, on obtient d = 390 ma; 66 barres de contrôle et 268 groupes de 9 x 9 barres combustibles seulement sont alors necessaires. Deux ou trois tubes vides sont nécessaires par groupe pour- le logement des barres aluminium-gadolinium afin d'absorber une réactivité de 9 % ##.12. A la réduction du coat des entratnements et des groupes d'éléments combustibles ne correspond qu'une faible depense supplémentaire pour les barres aluminium-gadolinium. L'économie résultante est de plusieurs millions de francs pour un réacteur de 660 MN. REVENDICATIONS 1. Agencement pour le contrôle continu de la réactivité de réacteurs nucléaires pendant plusieurs périodes d'almentation, au moyen de barres de contrôle et de pièces comportant des absorbeurs combustibles (poisons fixes dans les groupes d'éléments combustibles, ledit agencement étant caractérisé en ce qu'un emplacement vide au moins est prévu dans un groupe d'éléments combustibles au moins pour le logement d'une barre constituée exclusivement par un matériau absorbant. 2. Agencement selon revendication I avec plusieurs barres absorbantes, caractérisé par le remplacement des barres absorbantes à la cadence du cycle de chargement. 3. Agencement selon revendication 1 ou 2 > caractérisé en ce que les barres absorbantes sont en nluminium-gadolinium. 4. Agencement selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les emplacements vides comportent des tubes identiques aux gaines des éléments combustibles et dans lesquels les barres absorbantes sont insérées. 5. Agencement selon une des revendications 1 à 4, caractérisé par un emplacement vide dans chaque groupe d'éléments combustibles.