Brevet FR2041723A1 — publié le 19710205

La présente invention concerne les barres de contrôle pour réacteur nucléaire ainsi que les barres dites "de sécurité destinées à provoquer, en cas d'incident, l'arrêt rapide du réacteur sur lequel elles sont montées. Les barres de sécurité (qui, dans la majeure partie des cas, participent également au réglage de la puissance du réacteur en fonctionnement) doivent en cas d'incident pouvoir être insérées complètement dans le coeur en un délai très bref. Cette insertion s'effectue en général par chute verticale et le trajet correspondant, pouvant atteindre un mètre dans un réacteur à neutrons rapides, doit être parcouru en un temps n'excédant pas quelques dizièmes de secondes. La force motrice provoquant la chute d'une barre est en général le poids de celle-ci (lorsqu'elle tombe seule) et le poids de l'ensemble de la barre et du mécanisme de commande (lorsqu'il n'y a pas déconnexion de ces deux organes). Dans certains cas, on fournit une impulsion initiale à la barre par une détente élastique fournie par exemple par un ressort. En cas de lâcher de barres, la chute de la barre est freinée par le fluide dans lequel elle se déplace. Ce freinage, par frottement fluide, est notamment fonction de la densité et du débit du fluide de refroidissement de la barre ainsi que de la section du canal dans lequel elle se déplace : il atteint une valeur notable dans les réacteurs refroidis par un liquide (par exemple eau lourde ou légère, sodium fondu, ...). Pour accroître la force motrice sans augmenter les frottements fluides qui freinent la chute de la barre, il y a évidemment intérêt à donner à la barre une densité moyenne élevée. Or, on utilise généralement comme matériau absorbant neutronique un composé du bore et notamment le carbure de bore qui, s'il a une section de capture neutronique très élevée, présente une masse spécifique faible. Comme d'autre part le bore absorbe les neutrons par réaction (n, ) il est généralement nécessaire de prévoir à l'intérieur de la barre un espace vide de collection d'hélium qui met sous pression les gainages. Cette pression augmente progressivement et met sous contrainte les gainages de la barre. Les barres- doivent alors être sorties du réacteur dès que la contrainte atteint la limite admissible. La durée de vic de la barre est conditionnée par l'hélium. L'invention vise à fournir une barre de commande pour réacteur nucléaire répondant mieux que celles antérieurement proposées aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle présente une densité moyenne élevée en présentant une absorption neutronique satisfaisante. Dans ce but, l'invention propose une barre de commande dont l'absorption neutronique est assurée à la fois par un matériau léger à forte section de capture des neutrons et par un matériau plus lourd, à section de capture plus faible mais néanmoins notable. Dans un mode d'eXécution préféré de l'invention, le matériau léger est un composé de bore (carbure de bore par exemple) et absorbe donc les neutrons par réaction. (n, a) tandis que le second matériau est d'un type subissant la réaction (n, y). Ce second matériau peut être le tantale qui présente l'avantage supplémentaire d'une conductivité thermique élevée et d'un point de fusion supérieur à celui du carbure de bore. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et qui se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Fig. 1 montre schématiquement, en élévation, une barre de contrôle de type classique utilisant comme matériau absorbant le carbure de bore ; - Les Fig. 2, 3 et 4, similaires à la Fig, 1, montrent des barres de commande suivant trois modes de mise en oeuvre de l'invention - Les Fig. 5 et 6 montrent très schématiquement deux répartitions possibles des matériaux absorbants dans une barre de commande suivant l'invention, en coupe suivant un plan passant par l'axe de la barre - Les Fig. 7 et 8 montrent très schématiquement, en coupe suivant un plan perpendiculaire à l'axe de la barre de commande deux autres dispositions possibles conformes à l'invention. La barre de contrôle A de type classique, représentée schématiquement en Fig. 1 peut être regardée comme constituée par un pied de guidage 10, un corps absorbant 12, une tige de raccordement 13 et une tête de préhension 15. Le pied 10, destiné à coulisser dans des organes fixes prévus à cet effet dans le réacteur, est de forme cylindrique et présente une longueur au moins égale à la course de la barre A depuis sa position d'absorption minimum (position haute) jusqu'à sa position complètement engagée, Le corps absorbant 12 se compose d'une gaine extérieure 14 en matériau résistant à la corrosion par le réfrigérant (acier inoxydable par exemple) et d'une masse -16 de matériau absorbant tel que les bore ou le tantale.La hauteur de la masse de carbure de bore est fonction de la haut teur de la zone dans laquelle la barre de commande doit assurer une absorbe tion neutronique. La tige de raccordement 13, de forme cylindrique et avantageu- sement légèrement flexible, relie le corps 12 à la tête de préhension 15 par lequel la barre s'accroche à un mécanisme de manoeuvre non représenté. Le matériau absorbant étant constitué généralement par un composé de bore tel que le carbure de bore naturel ou enrichi en isotope 10, l'absorption des neutrons s'effectue par une réaction (n,a) donc avec production d'hélium. Cette propriété conduit en général à ménager à l'intérieur de la gaine 14 un espace de collection de gaz aussi grand que possible. La présence de cet espace diminue la densité moyenne de la barre de contre, ce qui est gênant en cas de lâcher en chute rapide.La masse spécifique du carbure de bore est relativement faible, de l'ordre de 2,45 g/cm3 : On arrive ainsi à des barres dont la densité moyenne est faible et qui présentent donc un rapport poids sur forces de freinage par frottement fluide relativement faible : La durée de chute de ces barres devient excessivc lorsque les barres tonbent seules et sans appoint d'une impulsion extérieure. Ces deux inconvénients sont palliés dans la barre de contrôle suivant l'invention, illustrée en Fig. 2. Les organes représentés en Fig. 2 et qui ont une contre-partie en Fig. 1 sont, pour plus de clarté, désignés par le mthe numéro de référence afîecté de l'indice 1. Ils ne seront pas décrits de nouveau. La barre de contrôle de la Fig. 2 utilise comme absorbant neutronique, non pas le carbure de bore seul, mais l'association de deux maté riaux dont l'un peut rester le carbure de bore et dont l'autre présente une masse spécifique nettement plus élevée, sans production de gaz sous irradiation. On retrouve sur la Fig. 2 une masse 161 de carbure de bore mais elle ntoccupe que la partie supérieure de la gaine 141. Une masse de tantale 18 occupe la partie inférieure de la barre. Cette disposition est particulièrement intéressante dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides à puissance spécifique élevée. En effet, on porte ainsi dans la zone chaude la portion de la gaine qui contient le matériau aux meilleures caractéristiques spécifiques et à la température de fusion la plus élevée (3009C pour le tantale au lieu de 24500C pour le carbure de bore). L'avantage obtenu en substituant le tentale à une partie du carbure de bore est du à la différence de masse spécifique, très supérieure à celle du carbure de bore (16,6 g/cm3 au lieu de 2,45 g/cm3). Le rapport entre les volumes occupés par le tantale et le carbure de bore, sera avantageusement compris entre 1/4 et 1/2. Le gain sur le poids et corrélativement sur la densité moyenne de la barre de centrale apparaît immédiatement. Le tantale présente par ailleurs l'avantage d'absorber les neu trons par réaction (n, ), donc sans production de gaz, ce qui permet d'au- gmenter considérablement la durée de vie ce barre car la pression admissi Üle sera atteinte beaucoup plu? tard, c'ou une réduction de prix important sur la vie du réacteur. Cet espace peut etrc encore réduit et pratique;nt éliminé en utilisant une barre de commande du type décrit dans la demande dc brevet de l'organisme demandeur n PV 6 906 547 du 7 mars 1969. Un autre facteur qui peut être pris en considération dans la position relative à donner au tantale et au carbure de bore dans la barre est le suivant Le flux neutronique présente rarement une répartition-verticale homogène dans un réacteur : on aura intéret à mettre le tantale dans la zone où le flux neutronique est maximum.La disposition illustrée en Fig. 2 sera donc particulièrement avantageuse dans le cas d'un réacteur présentant un maximum de flux au droit de la partie basse du corps et/ou si la barre de commande sert non seulement de barre de sécurité, mais également de barre de réglage de la puissance ; en effet, la barre est alors fré quemsent enfoncée partiellement dans le coeur ea cours de la phase initiale de fonctionnement du réacteur avec des éléments de combustible neufs. Dans le mode de réalisation illustré en Fig. 3 (sur laquelle les organes correspondant à ceux de la Fig. 1 portent encore le meme numéro de référence affecté de l'indice 2) l'absorbant neutronique comporte encore du carbure de bore et du tantale. La masse 162 de carbure de bore occupe cette fois la partie médiane de la gaine 142 et elle est encadrée par deux masses 182 et 202 de tantale. La barre de commande A3 de la Fig. 4 présente une disposition géométrique externe semblable à celles des Fig. 1 à 3. Elle comporte comme absorbant neutronique une masse 16 de carbure de bore et une masse 183 de 3- tantale dont la disposition est exactement l'inverse de celle de la Fig.2. Dans les modes d'éxécution illustrés en Fig. 2, 3 et 4, l'absorbant neutronique était fractionné en deux ou trois tronçons de natures différentes (carbure de bore et tentale par exemple) dans le sens lonsitu- dinal. Au contraire, dans les modes d'exécution des Fig. 5 et 6, les deux masses de matériaux différents sont placées coaxialement l'une à l'autre. Dans le cas ae la figure 5, une aiguille centrale en tantale 22 est entourée par un corps annulaire 24 de carbure de bore. L'agencement est inversé dans le cas de la Fig. 6 où l'on trouve une aiguille centrale 24 de carbure de bore entourée par un corps annulaire 221 de tantale. Enfin, dans les modes d'exécution illustrés en Fig. 7 et 8, les matériaux absorbants sont répartis dans dés aiguilles placées côte à côte suivant un réseau comprenant une aiguille centrale et six aiguilles reparu ties autour de celle-ci. Sur la Fig. 7 on trouve une aiguille centrale de tantale gainé 26 entourée de six aiguilles de carbure de bore 28 également gainé. Cette disposition est inversée sur la Fig. 8 ou l'on trouve une. aiguille centrale 28 de carbure de bore entourée de six aiguilles 261 de tantale w On pourrait adopter d'autres dispositions encore, dans lesquelles la répartition des deux matériaux serait par exemple de quatre et trois aiguilles. Un nombre d'aiguille supérieur à sept peut évidemment être adopté. Dans ce mode d'éxécution, il est évidemment possible de laisser le réfrigérant pénétrer dans la gaine 30 ou 301 et y circuler, le matériau absorbant étant gaine. L'invention est naturellement susceptible de nombreuses autres variantes de mise en oeuvre : On peut associer l'un des matériaux absorbant ou les deux à un modérateur lorsque la barre de commande est destinée à un réacteur à neutrons rapides de façon à augmenter la section efficace de capture des matériaux absorbants. il n'est pas indispensable de se limiter à l'association de deux matériaux absorbants neutroniques seulement. L'un ou l'autre des deux ma- tériaux ci-dessus envisagés (carbure de bore et tantale) pourrait partiel- lement ou en totalité être remplacé par d'autres, tels que l'Europium et ses composés, certaines terres rares et d'autres composés du bore (aciers au bore notamment), Parmi les applications possibles des barres de commande suivant l'invention, on peut notamment citer les réacteurs à neutrons rapides refroidis par circulation de sodium fondu : en effet, dans ces réacteurs, les puissances spécifiques et la température maximum du réfrigérant sont élevées et le freinage par friction fluide qu'il oppose au mouvement de lâcher des barres de contrôle est important. REVEND ICAT IONS 1 / Barre de commande pour réacteur nucléaire, fonctionnant en barre de sécurité par chute dans le coeur du réacteur,dont l'absorption neutronique est assurée à la fois par au moins deux matériaux, caractérisée en ce que l'un des matériaux est un composé de bore et en ce que le second matériau est d'un type subissant la réaction (n, gamma) et présente une densité supérieure à celle du composé de bore. 20/ Barre de commande suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau léger est B C 30/ Barre de commande suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risée en ce que le matériau lourd est le tantale. 4 / Barre de commande suivant la revendication 3 caractérisée en ce que le tantale est place à l'extrémité de la barre portée à température maximum lorsque la barre est insérée dans le coeur.