Brevet FR2049009A1 — publié le 19710326

La présente invention concerne les organes d'absorption de neutrons et notamment, parmi ceux-ci, les barres de contrôle de réacteurs nucléaires. On sait que l'on utilise, pour commander la plupart des 5 réacteurs, des pièces mobiles en forme de barres contenant un matériau absorbant les neutrons et couramment dénommées "barres de contrôle". Le matériau absorbant le plus utilisé actuellement dans les réacteurs, et en particulier dans les réacteurs à neutrons rapides, est le bore car sa section efficace de capture des 10 neutrons est élevée, il est d'un coût relativement faible et son approvisionnement est aisé. Le bore est souvent employé non à l'état élémentaire, mais sous forme de carbure de bore, en particulier dans les réacteurs à neutrons rapides refroidis par circulation de métal alcalin fondu, notamment à cause du point de 15 fusion de ce composé, de sa bonne compatibilité à température élevée avec les métaux alcalins fondus (du moins avant irradiation) et de la faible densité du bore : Qn a, en particulier, employé le carbure de bore comme élément absorbant dans les barres de contrôle et même les écrans de protection neutronique des 20 réacteurs à neutrons rapides. Jusqu'à présent, on a employé le carbure de bore B^C sous forme de barreaux ou pastilles enfermés dans une gaine étanche au gaz et au réfrigérant, en vue d'interdire tout contact entre le carbure de bore et le métal alcalin fondu. Mais, sous irradiation 25 neutronique, le bore 10 donne naissance à de l'hélium par la réaction (n> ot ) » 4He L'hélium ainsi produit reste emprisonné dans la maille cristallographique du carbure, provoque son gonflement et produit 30 une désagrégation de la masse de carbure ou se dégage au moins partiellement en augmentant progressivement la pression qui règne à l'intérieur de la gaine. C'est dans une large mesure ce phénomène qui limite la durée de vie des barres de contrôle à B^C dans un réacteur à neutrons rapides. Il faut d'ailleurs noter que ce 35 même problème existe chaque "fois que l'on utilise un élément subissant la réaction n, oc comme matériau absorbant les neutrons. L'invention vise notamment à fournir un organe absorbant neutronique ne présentant pas les inconvénients ci-dessus, des 06547 2 2049009 organes d'absorption, et notamment des barres de contrôle, antérieurs ou ne le présentant que de façon très atténuée. Dans ce but, l'invention propose un organe d' bsorption de neutrons comprenant une masse de matériau à forte section de capture neutronique et susceptible de subir la réaction n, a, tel que le bore sous forme de carbure de bore, masse occupant une partie au moins du volume intérieur d'uneçpine tubulaire qui sépare ladite masse de matériau du réfrigérant en circulation dans le réacteur, des moyens pour retenir ladite masse dans la gaine et, au moins à l'une des extrémités de ladite gaine, un évent d'évacuation de l'hélium dans le réfrigérant. Il convient de garder en mémoire la différence essentielle qui existe entre une telle barre de contrôle et un élément de combustible du type couramment dénommé à évent. Dans le premier cas, le gaz à évacuer est de l'hélium non radioactif. Dans le second cas au contraire, ce sont des gaz de fission qui s'échappent du matériau combustible nucléaire, gaz qui doivent de préférence être retenus à l'intérieur de la gaine pendant un temps suffisant pour que les produits radioactifs à vie courte disparaissent et ne contaminent pas de façon excessive le réfrigérant. Dans le premier cas, on peut admettre, dans certaines limites^de température et au moins pour certains composés absorbants neutroniques, un contact direct entre ce composé et le réfrigérant à faible vitesse de circulation (la gaine soustrayant la masse à l'action mécanique du réfrigérant en écoulement à vitesse élevée autour de l'organe absorbant). Au contraire, il est en général exclu de lais ser le réfrigérant venir au contact du combustible qui occupe les éléments de combustible lors du fonctionnement du réacteur, alors que ce combustible est à température très élevée. L'invention sera rruieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs barres dri contrôle constituant des modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre non limitatif. Ces barres utilisent comme matériau absorbant les neu-s trons le carbure de bore. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels : - la fig. 1 est une vue d'ensemble d'une barre de contrô le, représentée en coupe partielle suivant un plan passant par son axe. 06547 3 2049009 - la Fig. 2 est une vue de détail à grande échelle de la portion de la barre de contrôle contenue dans le cercle en i traits mixtes A sur la Fig.1. - la Fig. 3, similaire à la Fig. 2, montre une variante de réalisation de l'invention. - les Fig. 4 et 5 sont des vues très schématiques des parties d'une barre de contrôle intéressées par l'invention sui--vant deux variantes de celle-ci, le contour de la partie intermédiaire n'étant pas représenté, mais seulement schématisé en traits mixtes. La barre de contrôle montrée schématiquement en Fig. 1 comprend une gaine que l'on peut regarder comme constituée par un fourreau tubulaire 10 prolongé à sa partie supérieure par une tête de préhension 12 et à sa partie inférieure par un pied de guidage 14. Un prolongement tubulaire 16 du pied pénètre dans le fourreau 10 pour centrer le pied et porte une plaque d'appui 18 sur laquelle repose une masse 20 de carbure de bore. Cette masse est pressée contre la plaque 18 par une rondelle de poussée 22 qu'un ressort 24 repousse vers le bas. Le ressort 24 prend appui sur une plaque 26 dont la distance à la tête 12 est fixée par un tube entretoise 20 qui ménage ainsi à l'intérieur de la gaine, une chambre 30 de collection d'hélium. Le ressort 24 compense par ses variations de longueur les dilatations différentielles entre le fourreau 10 et le matériau 20 qui peuvent se produire par suite d'effets thermiques ou du gonflement du carbure sous irradiation. La barre =" 69 06547 4 2049009 texture telle qu'elle ne soit pas étanche au gaz. Un trou borgne 44 ménagé dans la tige creuse 38 entoure la partie terminale du tube 32 et constitue une chambre de collection. Dans le tube est placé un bouchon 46 en matériau poreux, susceptible.'de laisser 5 diffuser l'hélium, mais interdisant le passage du réfrigérant (sodium fondu par exemple) : On peut notamment utiliser un bouchon 46 en nickel pur fritte dans des conditions telles qu'il soit poreux et présente un diamètre de bore de l'ordre de 1 000.: Dans ces conditions, l'hélium qui s'accumule dans la 1Q chambre d'expansion 30 passe progressivement dans le trou borgr; 44 en diffusant à travers le bouchon 46. Sa pression augmente dans le trou 44 et» lorsqu'elle est supérieure à celle du réfr:-. ■ gérant qui entoure la partie haute du fourreau 10, l'hélium,s'r coule le long des filetages 40, puis à travers les soudures 42 15 vers le réfrigérant extérieur suivant le trajet indiqué par des flèches sur la Fig.2. Le dispositif d'évent illustré en Fig.3 et constituât une variante de mise en oeuvre de l'invention est également prc pour autoriser la série d'hélium et interdire au contraire l'e 20 trée de réfrigérant dans la gaine. Pour plus de simplicité, le pièces de cette variante qui correspondent à d'autres déjà rep sentées en Fig.2 portent le même numéro de référence affecté c l'indice _a. On retrouve sur la Fig. 3 un embout 34a dans lequel 25 ménagé un conduit axial. La partie haute de l'embout porte un filetage 40a de jonction avec une tige 3E: ,*■»' La partie haute conduit est taraudée tandis que la partie basse présente un ré cissement constituant la portée 48 d'une bille 50 formant clap Cette bille 50 est pressée contre la portée 48 par un poussoi:; 30 fileté 52 vissable dans la partie taraudée du conduit axial p:-permettre d'ajuster la force d'application de la bille contre portée.On retrouve dans cette variante la tige 38a percée d'u' trou borgne 44 constituant un compartiment de collection d'où l'hélium s'écoule à travers le filetage non étanche 40a et un-35 soudure non étanche 42a vers l'extérieur : l'hélium s'échappe ainsi dès que sa pression est suffisante pour soulever la bil-, 50 de sa portée. Il est bien évident qu'on peut utiliser, au 1 d'une bille, un clapet de forme conique ou plate s'appliquant . 69 06547 5 2049009 une portée conique, circulaire ou plate et que le poussoir fileté 52 pourrait être remplacé par un ressort de rappel taré. Les dispositifs d'évent illustrés en Fig. 2 et 3 évitent toute venue en contact du matériau d'absorption neutronique et du 5 réfrigérant : Ces solutions peuvent donc être adaptées même en cas d'incompatibilité absolue entre le réfrigérant et le matériau absorbant irradié. En contrepartie la gaine est évidemment soumise en service à une différence de pression variable et qui peut même s'inverser. En fonctionnement normal la gaine est en surpression 10 légère (correspondant à la perte de charge, dans le circuit de fuite). En cas d'arrêt de la circulation du réfrigérant, cette surpression augmente. On peut d'ailleurs minimiser cette augmentation en plaçant l'évent à l'extrémité aval dans la gaine dans le sens d'écoulement du réfrigérant. Si au contraire le réacteur se 15 refroidit, la pression dans la gaine peut descendre à une valeur inférieure à la pression dans le réfrigérant autour d'elle, notamment lors de la remise en circulation du réfrigérant. Contrairement au dispositif d'évent des figures 2 et 3, celui qui est illustré en Fig. 4 autorise non seulement la sortie 20 d'hélium, mais également l'entrée lente du réfrigérant en cas de surpression de celui-ci, de sorte qu'en régime permanent la gaine ne^sera soumise à aucune différence de pression. Il faut noter dès à présent, que le dispositif d'évent de la Fig. 4 est prévu pour que le réfrigérant n'entre dans la gaine que lentement de 25 façon que la vitesse de circulation du réfrigérant à l'intérieur de la gaine reste extrêmement faible et ne puisse entraîner la désagrégation du carbure de bore et l'entraînement de particules de celui-ci. Pour plus de simplicité, les pièces du dispositif d'évent 30 de la Fig. 4 qûi correspondent à des pièces déjà représentées en Figs. 1, 2 et 3 portent le même numéro de référence affecté de l'indice ]d. La barre de contrôle illustrée en Fig. 4 comprend encore une gaine 10b reliée de façon étanche à une tête de préhension 12b 35 et à un pied de guidage 14b. La masse de carbure de bore repose sur une plaque perforée 18b contre laquelle elle est pressée par un dispositif du même genre que celui illustré à la partie haute de la Fig. 1. 69 06547 6 2049009 Il est prévu dans cette barre de contrôle un dispositif d'évent supérieur et un dispositif d'évent inférieur. L'évent supérieur est constitué par une ouverture 54 percée dans la partie basse de la tête et faisant communiquer la chambre d'extension 30b 5 avec l'extérieur de la gaine. Cette ouverture est obturée par un bouchon 56 en matériau poreux compatible avec le réfrigérant à la température maximum de celui-ci (600°C par exemple) présentant un diamètre de pore tel qu'il autorise une diffusion lente du réfrigérant. On peut notamment utiliser, lorsque le réfrigérant est du 10 sodium fondu, un bouchon en nickel fritté dans des conditions telles qu'il présente un diamètre de pore de l'ordre de 1 à 10 mm. Ce bouchon poreux doit évidemment ne pas changer de caractéristiques sous irradiation et être également compatible avec l'absorbant à la température maximum que celui-ci peut atteindre en fonc-15 tionnement. Son épaisseur sera déterminée pour que le bouchon résiste aux variations de différence de pression qu'il peut subir au cours du fonctionnement. Le dispositif d'évent prévu à la partie inférieure de la barre de contrôle comprend également une ouverture 58 ménagée 20 à travers le pied et fermée par un bouchon 60 de caractéristiques similaires à celles du bouchon 56. Dans le mode de réalisation illustré en Fig..5, l'intérieur de la barre communique librement avec l'extérieur et pour plus de simplicité là encore les pièces correspondant à d'autres 25 déjà représentées portent le même numéro de référence affecté cette fois de l'indice _ç. L'embout 34c qui constitue la partie basse de la tête de préhension 12c est percé d'un trou 62 de diamètre faible par rapport à sa longueur faisant communiquer la chambre d'expansion 30 30c avec l'extérieur : On peut par exemple utiliser un trou 62 de 1 mm de diamètre environ lorsque le réfrigérant est du sodium fondu. Le trou 62 autorisant l'entrée de réfrigérant, il est nécessaire d'autoriser la vidange du réfrigérant par la partie 35 basse de la barre lorsque l'on extrait la barre du réacteur. Pour pallier le risque de bouchage d'un orifice, il est préférable de prévoir plusieurs trous 64 à cet effet. On peut par exemple 69 06547 7 2049009 prévoir trois trous 64 de 6 mm de diamètre minimum, comme indiqué sur la Fig. 5. Ces trous permettent également l'entrée du réfrigérant lors de la mise en place de la barre, le départ de l'argon dont la barre a préalablement été remplie s'effectuant simultané-5 ment par le trou 62. Cette solution supprime évidemment de façon complète les différences de pression entre l'intérieur et l'extérieur qui pouvaient apparaître dans les modes de réalisation précédents . Les dispositifs d'évent qui viennent d'être décrits 10 sont extrêmement simples, surtout le dernier, et applicables sans modification notable des barres de contrôle à carbure de bore actuellement utilisées ou prévues pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis par circulation de sodium fondu. L'emploi de barres suivant l'invention se traduit par 15 une économie relativement importante : A titre d'exemple, on peut noter que l'emploi de barres de contrôle suivant l'invention pendant toute la durée de vie prévue (20 ans) d'un réacteur actuellement en construction devrait se traduire par une économie correspondant au coût de plusieurs jeux de barres. 69 06547 8 2049009 1.- Organe d'absorption de neutrons, comprenant une masse de matériau à forte section de capture niutronique et susceptible de subir la réaction (n, a), tel que le bore sous forme de car- 5 bure de bore, masse occupant une partie au moins du volume intérieur d'une gaine tubulaire qui sépare ladite masse du réfrigérant en circulation dans le réacteur, caractérisé par des moyens pour retenir ladite masse dans la gaine et un évent d'évacuation de l'hélium vers le réfrigérant en circulation , situé à au moins ^ l'une des extrémités de ladite gaine, 2.- -Organe d'absorption de neutrons suivant revendication 1, caractérisé en ce qu'il ménage un trajet étroit de fuite d'hélium sur lequel sont interposés des moyens anti-retour qui interdisent l'entrée du réfrigérant à l'intérieur de la gaine. 3,_ Organe d'absorption de neutrons suivant revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens anti-retour comprennent un bouchon poreux présentant un diamètre de pore suffisant pour autoriser la diffusion de l'hélium et insuffisant pour autoriser le passage du réfrigérant. 20 4._ Organe d'absorption de neutrons suivant revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens anti-retour sont constitués par un clapet pressé sur son siège par une force ajustable. 5.- Organe d'absorption de neutrons suivant revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens anti-retour 25 sont placés sur ledit trajet de fuite en série avec un.filetage non étanche et/ou une soudure non étanche. 6.- Organe d * absorp «si&rn de neutrons suivant revendication 1, caractérisé en ce quipl'évent comprend une ouverture ménagée dans la paroi de la gaine et fermée par un bouchon poreux présen- 30 tant des pores de diamètre tel qu'ils autorisent la diffusion de l'hélium et du réfrigérant. 7.- Organe d'absorption de neutrons suivant revendication 1, caractérisé en ce que 1'évent comprend une ouverture de faible diamètre ménagée par la paroi de la gaine et erj;. ce que lesdits 35 moyens pour retenir ladite masse de matériau comprennent des plaques entre lesquelles est enserrée ladite masse, plaques ne laissant subsister que des passages de faibles dimensions transversales de circulation du réfrigérant et d'échappement de 11 hé- 69 06547 2049009 lium. 8.- Organe d'absorption de neutro.ns suivant revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un évent supérieur constitué par un trou faisant communiquer l'extérieur de la gai 5 ne et un espace de collection prévu à la partie supérieure de celle-ci et au moins un trou inférieur de vidange et d'entrée d réfrigérant dans la gaine. 9 .-Application de l'organe d'absorption suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la constitution 10 de barres de contrôle ou d'écrans de protection de réacteur à neutrons rapides refroidis par circulation de scdium fondu, des réacteurs thermiques refroidis à eau ou à gaz et notamment des réacteurs refroidis à l'hélium.