Brevet FR2043633A1 — publié le 19710219

i 2043633 Pour la régulation de la réactivité d'un réacteur nucléaire à eau naturelle, il est déjà connu d'utiliser des barreaux de réglage susceptibles d'être engagés et dfetre retirés pas à pas et renfermant une matière absorbante solide, et d'ajouter géné-5 ralement un additif chimique, par exemple du bore, à l'eau de refroidissement» En outre, on a déjà proposé d'utiliser de façon complémentaire des barreaux de réglage dii type "crayon" qui sont, soit entièrement engagés dans le coeur, soit entièrement retirés du coeur, pour éviter une répartition axiale non uniforme de la 10 densité de puissance» De tels dispositifs de réglage ne permettent cependant pas toujours d'éviter des instabilités dans la répartition de la densité de puissance en cas de variations de charge de centrales nucléaires importantes, par exemple en fonction des diagrammes 15 de charge de la distribution d'énergie» La présente invention vise un dispositif de réglage permettant de maîtriser dans une large mesure de telles instabilités. L'invention est basée sur l'utilisation d'un absorbeur de neutrons soluble dans l'eau, de concentration réglable, 1'absorbeur de neutrons étant envoyé dans 20 un système de canalisations séparé du fluide réfrigérant du réacteur et traversant le coeur du réacteur séparément» Selon l'invention, le système de canalisations est réali-sé à la manière de barreaux de réglage du type crayon, dans lesquels les barreaux de réglage du typeeiajrcn, qjJ.sart toujours entiè-25 rement engagés dans les éléments combustibles, sont traversés par la solution absorbante, le support en forme d'araignée ou d'étoile se trouvant à l'extrémité supérieure des barreaux, étant prévu comme distributeur et la barre de support axiale, partant du support en forme d'étoile, comme arrivée centrale pour la solution 30 absorbante. L'utilisation de tels groupes de barreaux de réglage du type crayon permet une variation continue de la réactivité, la perturbation axiale de la répartition de la densité de puissance étant plus faible qu'avec les dispositifs de réglage connus» En 35 outre, la densité de puissance moyenne peut être accrue d'environ 25#. Les crayons du faisceau de barreaux de réglage peuvent être guidés dans des tubes de guidage correspondants des éléments combustibles et le faisceau de barreaux de réglage peut être re-40 tiré, sous la forme d'une unité, au cours du changement des élé 70 18434 2 2043633 ments combustibles» Le tube d'arrivée central est guidé par le cadre supérieur du coeur du réacteur et par les tubulures prévues pour les barres de réglage sur le couvercle du caisson sous pression du réacteur et il est maintenu de façon étanche et amo-5 vible dans ce couvercle» Des systèmes extérieurs pour le réglage variable de la concentration de l'absorbant de neutrons peuvent être raccordés aux extrémités supérieures des tubes d'arrivée centraux» On choisit avantageusement le débit de solution absorban-10 te par les faisceaux de barreaux de réglage de manière que la chaleur produite par l'absorption de neutrons, le freinage de neutrons et l'absorption de rayons /'soit évacuée de façon sûre. Il est avantageux d'utiliser comme absorbant de neutrons une solution aqueuse d'acide borique, enrichi en B10 par rapport 15 à la teneur naturelle» Pour réduire les risques en cas de fuite éventuelle de ce système^de canalisations, il est eh outre avantageux que la solution absorbante se trouve sous une pression plus élevée que le fluide réfrigérant du réacteur» 20 Les tubes du type crayon, passant dans le noyau du réac teur, peuvent être formés d'un alliage de zireonium résistant à la corrosion et perméable aux neutrons et peuvent renfermer intérieurement des tubes d'arrivée axiaux pour la solution absorbante . 25 Pour assurer une régulation uniforme de la réactivité, il est avantageux que les unités de barreaux de réglage du type crayon, réunies en groupes par les étoiles de distribution "couvrent" chacune deux à neuf éléments combustibles et traversent chacun de ces éléments combustibles par au moins un barreau 30 du type crayon. Cependant, pour permettre en même temps l'utilisation de barreaux de réglage usuels et de barreaux de mise à l'arrêt dits de sécurité, une partie des éléments combustibles ne sont pas "couverts" par les unités de barreaux de réglage du type crayon et sont équipés de barreaux de réglage usuels, renfer-35 mant un absorbant solide, pour la mise à l'arrêt complète, ou de barreaux de réglage à longueur partielle pour agir sur la densité de puissance axiale» Pour permettre cet engagement de barreaux de réglage usuêLs les étoiles de distribution des unités de barreaux de réglage du 40 type crayon pour la solution absorbante sont disposées entre les 70 18434 3 2043633 extrémités supérieures des éléments combustibles et la grille supérieure du cadre du coeur et sont réalisées de manière que • des barreaux de réglage du type crayon ou des barreaux de réglage à longueur partielle mécaniques puissent être engagés 5 entre les différents bras des étoiles de distribution, barreaux dont les étoiles d1actionnement guidées dans les garnitures de guidage se trouvent, à l'état entièrement engagé, au-dessus des étoiles de distribution pour la solution absorbante» En outre, il est possible de réunir les unités de bar-10 reatix de réglage du type crayon au-dessus des raccords pour la solution absorbante, dans des zones annulaires "courant" la section transversale du coeur du réacteur, de telle manière que l'établissement de concentrations différentes pour les différentes zones permette d'agir sur la répartition radiale de la 15 densité de puissance» Ces unités de barreaux de réglage du type crayon offrent en même temps une possibilité avantageuse de fixation de sondes pour "l'instrumentation" du coeur. Une telle sonde est, de préférence, réalisée également sous la forme d'un tube du 1gpe crayon et se 20 trouve disposée dans le prolongement du tube d'arrivée central de telle manière que les câbles ou tuyauteries d'arrivée pour "l'instrumentation" du coeur passent par le tube d'arrivée vers le raccord supérieur de ce dernier et soient reliés ici de façon amovible à des câbles ou des tuyauteries correspondantes, ce 25 qui fait que la sonde peut être retirée à travers le tube d'arrivée central. Pour la description de la construction et du mode de fonctionnement de l'objet de l'invention, on va se référer au dessin annexé qui représente schématiquement plusieurs exemples 30 de réalisation non limitatifs du dispositif conforme à 1'invention; sur ce dessin : la fig. 1 est une coupe d'un caisson sous pression de réacteur, avec une unité de barreaux de réglage du type crayon, conforme à l'invention, engagée dans le coeur du réacteur; 35 la fig. 2 représente schématiquement la construction d'une telle unité de barreaux de réglage du type crayon; la fig. 3 est une vue en plan d'une unité de barreaux de réglage du type crayon, dans l'exemple d'une unité à neuf groupes comportant chacun quatre crayons; 40 la fig. 4 représente la "couverture" des éléments com 70 18434 4 2043633 bustibles par des faisceaux de barreaux de réglage du type crayon; la fig. 5. montre l'agencement de barreaux de réglage usuels supplémentaires; 5 la fig» 6 représente la réalisation d'un faisceau de barreaux de réglage du type crayon, avec un crayon supplémentaire pour "l'instrumentation" du coeur „ Pour donner une vue d'ensemble du dispositif, on a représenté sur la fig» 1 un caisson sous pression 1 de réacteur, 10 dans lequel des éléments combustibles 3 sont disposés à l'intérieur de la cuve 2 du coeur» Ces éléments combustibles 3 sont supportés par un cadre supérieur 4» Dans l'exemple de réalisation représenté, un faisceau de barreau de réglage 5 du type crayon, comportant les différents crayons 6, est disposé dans 15 l'axe du caisson sous pression 1 dans les éléments combustibles 3. Ces crayons 6 sont portés par une araignée ou étoile de distribution 7 à. partir de laquelle un tube d'arrivée axial 8 passe vers le haut, à travers le cadre supérieur 4 du coeur et la garniture d'étanchéité 9 du couvercle 10 du caisson sous pres-20 sion du réacteur» La fig» 2 représente schématiquement la construction d'un tel faisceau de barreaux de réglage 5 du type crayon» Les différents crayons 6 sont fixés aux extrémités des bras 11 de l'étoile de distribution 7» Les différents crayons 6 se composent 25 d'un tube enveloppe extérieur, fermé vers le bas, ainsi que d'un tube d'arrivée intérieur coaxial 12, de plus petit diamètre pour le liquide absorbant» Le tube d'arrivée 8 s'étend vers le haut à pârtir du centre de l'étoile de distribution 7 et dans l'exemple de réalisation représenté^ ce tube comprend deux tubes 30 concentriques 13 et 14 pour l'arrivée et l'évacuation du liquide absorbant» Dans l'étoile de distribution 7, un conduit 15 communiquant avec les tubes d'arrivée concentriques 12 s'étend à partir du tube d'arrivée intérieur 13 dans chaque bras 11 de l'étoile de distribution 7. Le liquide absorbant est donc en-35 voyé par le tube d'arrivée 13 et le conduit de liaison 15, en passant par les différents tubes d'arrivée concentriques 12 dans les crayons 6, jusqu'au fond des différents barreaux du type crayon et s'écoule de là de nouveau vers le haut et par des conduits de liaison radiaux 16 dans les différents bras 11 vers 40 le tube d'évacuation 14 dans le tube d'arrivée et de support 70 18434 5 2043633 commun 8» Par les raccords supérieure 17 se trouvant selon la fig. 1 à l'extrémité du tube d'arrivée 8, les différentes unités de barreaux de réglage 5 du type crayon sont alimentées en liquide absorbant» Il est possible de prévoir une régulation du débit et de la concen-» tration, de sorte que la chaleur produite par 1°absorption de neutrons, le freinage de neutrons ou l'absorption de rayons T*puisse être évacuée de façon sûre» Comme solution absorbante, on utilise de préférence une solution aqueuse d'acide borique qui peut, le cas échéant, être enrichi en B10 au-delà de sa teneur naturelle» En cas d'endommagement des différents barreaux de réglage du type crayon, il est avantageux que la solution absorban-te se trouve sous une pression de service plus élevée que le fluide réfrigérant du réacteur, de sorte qu'en cas de fuite à l'intérieur du coeur du réacteur, 1!absorbeur de neutrons passe dans le fluide réfrigérant du réacteur» Cela empêche le dégagement de réactivité en cas d'avaries de ce type» Les faisceaux de barreaux de réglage du type crayon sont en général réalisés de manière que plusieurs éléments combustibles soient chaque fois "couverts" par un faisceau de bar~ reaux» La fig» 3 représente un agencement dans lequel neuf éléments combustibles sont "couverts" par un faisceau» L'agencement est conçu de manière que quatre crayons 6 du faisceau de barreaux de réglage s'engagent dans chaque élément combustible 3. Le mode de réalisation de l'étoile de distribution pour cet exemple d'application apparaît particulièrement bien sur cette figures le faisceau de barreaux de réglage du type crayon comportant en tout J>6 crayons» Il est cependant possible également de faire en sorte qu'un faisceau de barreaux de réglage "couvre" chaque fois 1, 2 ou 4 éléments combustibles» Pour permettre cependant en même temps également l'engagement de barreaux de réglage à longueur partielle ou de barreaux de réglage de mise à l'arrêt ou de sécurité usuels^ les groupes de barreaux de réglage du type crayon traversés par le liquide absorbant sont disposés, selon la fig» 1, de manière qu'en cas de "couverture" du coeur du réacteur par des groupes de quatre crayons d'unités de barreaux de réglage remplis de liquide, un élément combustible intermédiaire ne soit chaque fois pas "couvert", élément dans lequel peut alors être engagé un barreau de réglage ou crayon 18 mobile mécaniquement, 70 18434 6 2043633 La combinaison de barreaux de réglage 18 mobiles mécaniquement et d'unités de barreaux de réglage 5 remplies de liquide est représentée plus en détail sur la fig, 5° Dans les éléments combustibles 3* on engage d'abord un barreau de réglage du 5 type crayon rempli de liquide et comprenant les différents crayons 6, à une profondeur telle que l'étoile de distribution 7 soit disposée entre les extrémités supérieures des éléments combustibles J>, c'est-à-dire entre les têtes 19 des éléments combustibles, et la grille supérieure 20 du cadre du coeur. Dans les espaces lo intermédiaires entre les différents barreaux absorbeurs 6 remplis de liquide, un barreau de réglage 18 mobile mécaniquement, comprenant les crayons 21 maintenus réunis par une étoile 22, peut être engagé dans l'élément combustible libre 2» Les étoiles d'actionne-ment 22 de ces barreaux de réglage 18 mobiles mécaniquement se 15 trouvent, à l'état engagé, au-dessus des étoiles de distribution' 7 des unités de barreaux de réglage 5 du type crayon, remplis de liquide, et les différents doigts absorbeurs 21 se trouvent entre les bras de l'étoile de distribution J des barreaux de réglage remplis de liquide, ce qui fait qu'ils peuvent être engagés libre-20 ment dans les éléments combustibles sousjacents et être retirés librement de ces éléments. Il est avantageux de réaliser les étoiles de distribution 7 des unités de barreaux de réglage remplis de liquide de manière qu'elles assument en même temps la fonction du'positionne-25 ment radial et de l'abaissement axial des éléments combustibles par rapport aux structures du cadre supérieur du coeur. Pour agir sur la répartition radiale de la densité de puissance dans le coeur du réacteur, il est avantageux' de réunir les groupes de barreaux de réglage remplis de-liquide en zones 30 annulaires réparties sur la section transversale du coeur du réacteur, ce qui permet un réglage séparé de la concentration pour chaque zone. Les imités de barreaux de réglage remplis de liquide sont en particulier destinées à assurer une compensation de toutes 35 les variations rapides de la réactivité du coeur du réacteur, telles que les variations de puissance et les variations de 1'intoxication des produits fissiles. On agit de façon usuelle sur la répartition axiale de la densité de puissance par les barreaux de réglage à longueur partielle 18, tandis que la mise à l'arrêt ra~ 40 pide s'effectue par les barreaux de réglage usuels du type crayon, 70 18434 7 2043633 à absorbant solide. La variation de réactivité provoquée par la combustion est compensée de façon connue par adaptation de la concentration d'un absorbant de neutrons soluble dans l'eau dans le réfrigérant du réacteur. 5 De tels barreaux de réglage du type crayon offrent une possibilité avantageuse pour le montage d'une sonde auxiliaire pour "l'instrumentation" du coeur, comme cela est représenté sur la fig. 6. A cet effet, un crayon supplémentaire 23 qui renferme "l'instrumentation" du coeur est disposé dans l'axe de l'unité de 10 barreaux de réglage du type crayon. Dans ce crayon 23 "l'instrumen' tation" du coeur est montée de manière que ses câbles ou tuyauteries de connexion 24 puissent être amenés à l'intérieur du tube d'arrivée 8 vers le raccord supérieur de ce dernier et puissent y être reliés de façon amovible à des câbles ou tuyauteries appro-15 priés. Ces sondes 23 peuvent alors être, le cas échéant, retirées également à travers le tube d'arrivée central 8. Pour retirer ces unités de barreaux de réglage remplis de liquide, on démonte, dans le mode de construction décrit, d'abord tous les raccords 17 et 24 à l'extrémité supérieure du tube 20 d'arrivée 8 et on enlève le couvercle du caisson sous pression du réacteur et le cadre supérieur du noyau au-dessus des unités de barreaux de réglage du type crayon remplis de liquide, de sorte que ces unités puissent alors être retirées des éléments combustibles à l'aide d'un outil de guidage, puissent être gui-25 dées ou être suspendues librement pendant le changement des éléments combustibles et puissent être réintroduites, après le changement, dans les éléments combustibles associés. Le dispositif" conforme à l'invention pour la régulation chimique de la réactivité dans des réacteurs nucléaires refroidis 30 à l'eau naturelle est d'un fonctionnement particulièrement sûr, car il ne comporte pas de pièces mobiles et pas de mécanismes à l'intérieur du coeur du réacteur. En outre, il permet des structures axiales beaucoup plus compactes et plus stables dans le cadre supérieur du coeur. La régulation aisée du débit et de la 35 concentration du liquide absorbant permet une variation continue de la réactivité, qui ne provoque pas de perturbation dans la répartition axiale de la densité de puissance. En outre, l'agencement décrit permet de réduire l'encombrement dans le sens de la hauteur au cadre supérieur du coeur et au caisson sous pression 40 du réacteur. L'avantage particulier de l'invention réside notammat 70 18434 ° 2043633 dans le fait que les variations de réactivité résultant de l'adaptation aux diagrammes de charge peuvent être maîtrisées sans perturbation inadmissible de la répartition de la densité de puissance , et que des variations rapides de concentration par le système de réglage de l'acide borique peuvent être évitées» 70 18434 9 2043633 REVENDICATIONS 1» Dispositif pour la régulation chimique de la réactivité d'un réacteur nucléaire refroidi à l'eau naturelle, au moyen d'un absorbant de neutrons soluble dans l'eau, de concentration 5 réglable, l'absorbant de neutrons étant envoyé à travers un système de canalisations séparé du réfrigérant du réacteur et traversant le coeur du réacteur séparément, caractérisé par le fait que le système de canalisations est réalisé à la manière de barreaux de réglage du type crayon, dans lesquels les barreaux du 1° type crayon, engagés toujours entièrement dans les éléments combustibles, sont traversés par la solution absorbante, le support en forme d'étbile, à l'extrémité supérieure dés barreâux du type' crayon, étant prévu comme distributeur et la barre de support axiale, partant du support en forme d'étoile, étant prévue comme 15 arrivée centrale pour la solution absorbante; 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les craydns du faisceau de barreaux de réglage sont guidés dans des tubes de guidage appropriés à des éléments combustibles ét que le fâisceaiï'dë bârreaux de'réglag'e du type 20 crayon peut être retiré sous la forme d'une unité lors du changement des éléments combustibles. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le tube d'arrivée central est guidé par le cadre supérieur du coeur du réacteur et par des tubulures prévues pour 25 les barreaux de réglage sur le couvercle di^éaisson sous pression du réacteur et qu'il est maintenu de façon étanche et amovible dans le couvercle. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que des systèmes pour le réglage variable de la 3° concentration de l'absorbant de neutrons sont reliés aux extrémités supérieures des tubes d'arrivée centraux. 5. Dispositif suivant 1'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le débit de la solution absorbante est choisi de manière que la chaleur produite par 35 i'absorption de neutrons, le freinage de neutrons et l'aborption de rayons soit évacuée de façon sûre. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5j caractérisé par le fait que l'absorbant de neutrons est une solution aqueuî de la teneur naturelle, est une solution aqueuse d'acide borique, enrichi en B"*"^ au-delà 40 70 18434 10 2043633 7° Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la solution absorbante se trouve sous une pression plus élevée que le fluide réfrigérant du réacteur. 5 8» Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caracté risé par le fait que les tubes de type crayon, traversant le coeur du réacteur, sont réalisés en un alliage de zirconium résistant à la corrosion et perméable aux neutrons et comportent intérieurement des tubes d'arrivée axiaux pour la solution ab-10 sorbante. 9» Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les unités de barreaux de réglage du type crayon, réunies en groupes par les étoiles de distribution "couvrent" chacune 2 à 9 éléments combustibles et traversent chacun 15 de ces éléments combustibles par un ou plusieurs barreaux du type crayon. 10o Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé par le fait qu'une partie des éléments combustibles ne sont pas "couverts" par les unités de barreaux de réglage du type 20 crayon et sont équipés de barreaux de réglage usuels, renferment un absorbant solide, pour la mise à l'arrêt complète, ou bien de barreaux de réglage à longueur partielle pour agir sur la densité de puissance axiale. 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendica-25 tions 1,' 2', 9, 10, caractérisé par le fait que les étoiles de distribution des unités de barreaux de réglage du type crayon pour la solution absorbante sont disposées entre les extrémités supérieures des éléments combustibles et la grille supérieure du cadre du coeur et sont réalisées de manière que des barreaux 30 de réglage du type crayon et des barreaux de réglage à longueur partielle mécaniques puissent être engagés entre les différents bras des étoiles de distribution précitées, barreaux dont les étoiles d'actionnement guidées dans des garnitures de guidage se trouvent, à l'état entièrement engagé, au-dessus des étoiles 35 de distribution pour la solution absorbante. 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 4, 6, 9# caractérisé par le fait que les unités de barreaux de réglage du type crayon sont réunies, au-dessus des raccords pour la solution absorbante, en zones annulaires "cou- 40 vrant" la section transversale du coeur du réacteur, de telle 70 18434 îi 2043633 manière que le réglage différent de la concentration pour les différentes zones permette d'agir sur la répartition radiale de la densité de puissance. 13. Dispositif suivant l'une quelconque des revendl-5 cations 1,2, 9» 12, caractérisé par le fait Çue les unités de barreaux de réglage du type crayon, renfermant la solution absorbante, sont prévues pour la compensation de variations de réactivité rapides provoquées dans le coeur du réacteur par des variations de puissance ou des variations de l'intoxication des pro-10 duits fissiles, et que la variation de réacti'vité provoquée par la combustion est compensée de façon connue par adaptation de la concèntrâtion'd'un absorbant de nëutrons soluble dans l'eau dans le fluide réfrigérant du réacteur. 14. Dispositif suivant l'une quelconque des revendica-15. tions 1 à 3, caractérisé par le fait que les* unités de barreaux de réglage du type crayon comportent de façon supplémentaire des tubes du type crayon, qui ne. sont pas reliés au système de distribution pour la solution absorbante et qui sont-destinés à recevoir des sondes pour "l'instrumentation" du coeur. 20 15o Dispositif suivant la revendication 14, caractéri sé par le fait qu'un tube supplémentaire du type crayon est disposé dans le prolongement du tube d'arrivée central, de telle manière que les câbles ou tuyauteries d'arrivée pour'l'instrumentation" passent dans'le tube d'arrivée vers le raccord supé-25 rieur et que les sondes puissent être retirées vers le haut du tube d'arrivée central.