Brevet FR2095343A1 — publié le 19720211

la présente invention concerne un organe de commande de barre de contrôle pour un réacteur nucléaire à refroidissement par eau, cet organe de commande comprenant un dispositif d'entraînement commandé hydrauliquement au moyen d'un volume d'eau 5 mise sous pression pour l'introduction d'urgence d'une ou plusieurs barres de contrôle dans le coeur du réacteur et une enveloppe qui entoure le dispositif d'entraînement et est fixée verticalement à.la partie inférieure du réacteur» Dans différentes situations d'urgence, par exemple en cas 10 de niveau excessif du flux de neutrons, en cas d'élévation trop rapide de ce flux et en cas de pression trop élevée dans le réacteur, la réaction dans ce dernier doit être interrompue rapidement» Une manière plus ou moins préférée de procéder à une telle intervention d'urgence consiste à faire glisser rapidement dans le coeur 15 du réacteur les barres de contrôle normales de celui-ci. Pour pouvoir parvenir à une précision élevée, tant à 1'occasion des mouvements normaux des barres de contrôle qu'en cas d'introduction rapide lors d'un arrêt d'urgence, on a l'habitude d'utiliser un organe de commande séparé pour chacune de ces fonctions. De préféren-20 ce, on fait appel, pour le déplacement normal de la barre de contrôle, à un organe de commande mécanique à transmission par vis et écrou entraîné par un moteur et, pour l'insertion rapide de la barre de contrôle, à un organe de commande hydraulique avec une tige de piston creuse qui entoure la vis. Lorsque le dispositif est ali-25 menté en eau sous pression, la tige de piston pousse la barre de contrôle dans le coeur, de manière entièrement indépendante de l'organe de commande: mécanique. Un tel organe de commande des barres de contrôle est connu, par exemple d'après le mémoire du Brevet suédois N° 314 749 » 30 II a été proposé antérieurement que le système hydraulique pour l'introduction rapide contienne un réservoir d'eau, un réservoir d'azote et un réservoir tampon pour l'azote, ainsi qu'une ré- . serve d'azote, le réservoir d'azote et le réservoir d'eau sont en communication libre l'un avec l'autre, si bien que la pression de 35 l'azote agit directement sur la surface de l'eau dans le réservoir d'eau. Un système régulateur de pression assure le maintien constant de cette pression à une certaine valeur, par exemple 24 bars, se 71 22232 2 2095343 situant au-dessus de la pression régnant dans.le réacteur. En cas d'abaissement de la pression du réacteur, -une partie de l'azote est donc acheminée à partir du réservoir d'azote dans le réservoir tampon et, en cas d'élévation de la pression du réacteur, de l'azo-5 te est dirigé, à partir de la réserve d'azote, dans le réservoir d'azote. Un compresseur comprime l'azote dans le réservoir tampon et le renvoie dans la réserve d'azote. Mon seulement ce système connu est coûteux, mais il prend aussi beaucoup de place du fait des multiples réservoirs et, par 10 suite, il ne peut pas être-disposé normalement à l'intérieur du récipient de sécurité. Selon l'invention, ces inconvénients peuvent être éliminés en prévoyant un organe de commande de barre de contrôle caractérisé par le fait que son enveloppe est à double pa- . roi, et'qu'il est ménagé, entre ses parois, un intervalle tubulaire 15 vertical qui contieni/iiormalement au moins la majeure partie du volume d'eau sous pression, qui est en communication, à sa partie inférieure, par au moins un premier passage avec la cavité intérieure de l'enveloppe et du dispositif d'entraînement pour l'introduction d'urgence des barres de contrôle, et qui est muni d'une tubu-20 lure d'admission, laquelle est connectée à une source de fluide sous pression au moyen d'une conduite d'alimentation munie d'une soupape à fermeture rapide normalement fermée, mais ouverte lors du déclenchement de l'arrêt d'urgence, pour la mise sous pression de l'eau. . • - Les avantages de 1 Invent ion prennent toute leur valeur en combinaison avec des pompes de circulation intérieures au réacteur, car il est ainsi possible d'éliminer des parties volumineuses du corps de construction à l'extérieur du récipient de sécurité. L'invention est décrite ci-aprèsr.de façon plus détaillée, '30 en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente schématiquement la partie inférieure d'un réacteur avec un système d'arrêt d'urgence dans lequel prend place l'organe de commande de barre de contrôle selon l'invention. ^ la figure 2 représente schématiquement, en coupe axiale, 55 l'organe de commande de barre de contrôle." Le réacteur 1 représenté, sur la figure 1 est un réacteur à eau bouillante.^'Se Ion "le mode habituel, le coeur 2 du réacteur est COPV 71 22232 3 2095343 constitué par des barres combustibles qui sont réunies en ensembles de combustible 3, parmi lesquels deux seulement ont été indiqués. Les ensembles de combustible sont supportés par un fond de coeur 4 et le coeur est entouré par une cuve modératrice 5, laquelle est 5 à son tour entourée par la cuve du réacteur 6 de telle sorte qu'un intervalle vertical 7, de forme tubulaire, soit ménagé entre ces cuves. A la partie inférieure de l'intervalle sont disposées plusieurs pompes de circulation 8 intérieures au réacteur, parmi lesquelles une seule a été représentée. Chaque pompe comprend un mo-10 teur 9 situé à l'extérieur de la cuve du réacteur, un arbre de pompe vertical 10, un corps de pompe 11 avec un passage coudé, une entrée dans l'intervalle 7 et une sortie à la partie inférieure de la cuve modératrice 5 au-dessous du fond.de coeur 4, ainsi qu'une roue de pompe 12 placée dans le corps de pompe et entraînée par 15 l'arbre de pompe. La cuve du réacteur 6 est renforcée localement dans là zone 13 pour le passage de l'arbre de pompe. Plusieurs organes verticaux de commande 14, dont un seul a été représenté, traversent le fond de la cuve du réacteur 6 à 1'intérieur de la couronne de pompes de circulation. Chaque organe 20 de commande est composé d'une barre de contrôle 15 et d'un organe d'entraînement 16 pour cette barre de contrôle. Au-dessous du coeur 2, la barre de contrôle passe dans un tube conducteur 17 qui est muni, à sa partie supérieure, d'une plaque d'arrêt pour quatre ensembles de combustible 3 disposés en carré, entre lesquels est 25 formé un intervalle en croix. C'est dans cet intervalle que la barre de contrôle 15 représentée, qui présente elle aussi une section cruciforme, peut être déplacée. Néanmoins, les barres de contrôle peuvent-être aussi des barres dites "digitales" et agir à l'intérieur des ensembles de combustible. z 30 Comme,on peut le voir sur la figure 2, l'organe d'entraînement 16 est un organe hydraulique-mécanique à double fonction, c' est-à-dire qu'il comprend un dispositif d'entraînement mécanique pour le mouvement normal de la barre de contrôle 15 et un système " d'entraînement" hydraulique pour l'introduction d'urgence de la 35 barre de contrôle dans le coeur 2 du réacteur. Ses éléments principaux sont un moteur électrique 18 à transmission par engrenages, une vis 19, vin éctou 20, une tige de piston 21 et une enveloppe à COPY 71 22232 4 2095343 double paroi 22o L'écrou 20 est muni d'une fourrure filetée (non représentée) en graphite pré-contraint par compression axiale, et il est immobilisé en rotation par des blocs de- graphite 23 (dont l'un a été représenté) qui glissent le long de guides 27 disposés 5 axialement dans l'enveloppe 22 (dont -un seul a été représenté), de sorte que cet écrou se déplace axialement quand le moteur 18 fait tourner la vis 19 par l'intermédiaire d'un embrayage 28. La tige de piston 21 est-.tubulaire et entoure la vis 19. Vers le bas, elle est munie d'une tête 24 qui est pourvue de blocs-pilotes 31 (dont 10 un seul a été représenté) qui coopèrent avec les guides 27 déjà mentionnés, ainsi que des arrêts mécaniques 30, sollicités par des ressorts 29 (dont un seul a été représenté). La tige de piston 21 traverse une garniture d'étanchéité 25 montée à l'extrémité supérieure de l'enveloppe 22, et elle est directement raccordée vers 15 le haut à la barre de contrôle 15 au moyen d'une tige de manoeuvre 26 (figure l). . L'enveloppe 22 est composée d'une enveloppe externe 32, d'une enveloppe interne 33 et d'un fond 34- Les enveloppes 32 et 33 sont .* tubulaires et l'enveloppe externe a un diamètre intérieur qui est 20 plus grand que le diamètre extérieur de l'enveloppe interne 33- .- L'enveloppe 22 est ainsi à double paroi, de telle sorte•qu'un intervalle tubulaire vertical 35. est ménagé entre ses parois 32 et 33• .L'intervalle 35 est fermé hermétiquement, en haut, essentiellement par une garniture d'étanchéité 36 qui est fixée à*1'enveloppe inter-25 ne 33 et, en bas, au moyen d'une garniture d'étanchéité (non représentée) fixée entre le fond 34 et l'enveloppe externe 33 ou entre les enveloppes externe et interne; cet intervalle est prévu-pour . r contenir pratiquement le volume d'eau sous: pression qui est nécessaire pour l'introduction d'ùrgence de la barre-de contrôle. En ou-30 tre, dans l'intervalle 35 débouche, à sa partie supérieure, une tubulure d'admission 37 pour un gaz comprimé sous haute pression et, à sa partie inférieure, il est en communication avec une chambre délimitée par l'enveloppe interne 33, par plusieurs passages étranglés -38, dans, lesquels se produit une réduction de pression. La tu-35 ' bulure 37 d'admission de gaz comprimé traverse l'enveloppe externe 32 et, comme on peut le voir sur la figure 1, elle est raccordée à une canalisation de gaz comprimé qui contient normalement une faiCOPY 71 22232 5 20.95343 ble quantité d'eau, laquelle se réunit au volume d'eau sous pression qui se trouve dans l'intervalle 35 lors du déclenchement d'un arrêt d'urgence. Vers le haut, la vis 19 est munie d'un guide 43 qui soutient 5 son extrémité supérieure en rapport avec la face interne de la tige de piston 21. Vers le bas, la vis traverse le fond 34 et un presse-étoupe 39 disposé dans ce dernier, vers l'embrayage 38. Vers le bas, l'enveloppe externe 32 est munie.d'une bride 4 Normalement, la tige de piston 21 repose sur l'écrou 20 et se déplace donc en même temps que cëLui-ci. Dans ces conditions, 20 les arrêts 30 mentionnés sont inactifs, car ils sont rétractés.. En cas d'introduction d'urgence, la tige de piston 21 est soumise à l'influence de la pression hydraulique et, dans ces conditions, elle est repoussée vers le haut avec la barre de contrôle 15 et quitte son appui sur l'écrou 20. De ce fait, les arrêts 30 sur la 25 tige de piston sont libérés et s'encliquètent dans des crémaillères 44 qui sont montéei dans l'enveloppe interne 33 et dont une seule a été représentée. De cette manière,'la barre de contrôle 15 ne peut plus ressortir du coeur S lorsque la pression hydraulique s'abaisse. Par contre, la tige de piston peut poursuivre son mou-30 vement vers le haut jusqu'à une position extrême supérieure, étant donné que les arrêts glissent alors-sur les dents des crémaillères, lors de l'arrêt d'urgence, les moteurs électriques 18 démarrent en même temps, de sorte que l'écrou 20 est amené par vissage dans sa position la plus élevée.lorsque le poids de la barre de contrôle 15 35 repose de nouveau sur l'écrou, les arrêts sont dégagés automatiquement, à la suite dçe quoi un mouvement de redescente, est possible. 71 22232 6 2095343 Dans le cas illustré par la figure 1, le système d'arrêt d'urgence dessert un groupe d'e huit organes de commande qui sont répartis régulièrement sur. la section transversale du coeur. Il va de soi que ce groupe peut être augmenté ou réduit, mais des ana~ 5 lyses de sécurité et des études économiques ont montré que le groupe peut être composé opportunément de quatre à sept organes de commande. le réacteur-est donc équipé de plusieurs de ces groupes, qui fonctionnent parallèlement mais indépendamment les uns des autres. Il est évident que le nombre des groupes peut aussi varier, et un 10 réacteur à eau bouillante pour 750 M peut par exemple avoir douze groupes de six à sept organes de commande chacun. Chaque groupe comporte une source de gaz comprimé, ainsi que des soupapes et des conduites, la source de gaz comprimé peut être constituée par un réservoir de gaz ou, comme on l'a représenté, par 15 plusieurs bonbonnes de gaz 45 dans lesquelles la pression est maintenue à 120 bars par exemple. A partir des bonbonnes, le gaz peut être dirigé, par une conduite principale de groupe 46 équipée de soupapes à fermeture rapide 47 normalement fermées, puis par des canalisations de branchement 48, vers les tubuluregâ.' alimentation 20 en gaz comprimé 37 des organes de commande qui font partie du grou-p^considéré. La soupape à fermeture rapide est ouverte, de façon connue en soi, à la réception d'une impulsion provenant d'une uni-. té de commande 49» L'unité de commande décide, sur la base des valeurs des mesures qui lui parviennent des différentes parties de 25 la centrale d'énergie atomique, si un arrêt d'urgence doit être déclenché ou non. Parmi les causes du déclenchement du système d'arrêt d'urgence, on peut mentionner les suivantes : niveau excessif du flux de neutrons, élévation trop rapide du flux de neutrons, niveau de l'eau trop bas dans le réacteur, pression trop élevée dans JiO le réacteur, pression trop élevée dans le condenseur à turbine; blocage de soupapes dans les canalisations principales de vapeur vers les turbines, niveau de radio-activité trop élevé dans la cheminée et panne de l'alimentation en courant- Sur la figure 1, on n'a indiqué qu'une ligne de signal 50 entre une sonde de mesure du 35 'flux neutroriique dans le coeur et l'unité de commande, et une ligne de signal 51 entre l'unité de commande et la soupape à fermeture rapide. La soupape à fermeture rapide comme 5-es bonbonnes de gaz 71 22232 7 2095343 seront opportunément-disposées à l'extérieur -du récipient de sécurité. Si on le désire, les canalisations de branchement 48 peuvent être équipés de soupapes de retenue (non représentées) qui autorisent un écoulement vers les organes de commande, mais s'opposent 5 à un écoulement en sens inverse. Pour le remplissage des bonbonnes de gaz 45 de tous les groupes, il est prévu une réserve de gaz 52 sous une pression de 200 bars par exemple. A partir de la réserve de gaz part une conduite, principale 53 qui se subdivise en un certain nombre de ramifica-10 tions 54 se dirigeant vers les différents groupes. Pour éviter d'une part un choc thermique lors de l'interruption d'urgence et pour éviter d'autre part que des impure tésfsous forme de boues actives tombent du modérateur dans les organes de commande et s'y accumulent, un faible courant d'eau est dérivé du 4 15 réacteur, mis sous pression au moyen d'une pompe 55, dirigé à travers un régulateur de débit 56 vers un certain nombre de con-■ duites de branchement 57, à raison d'une par groupe, puis vers, la conduite principale de groupe 46, entre la soupape à fermeture rapide 47 et les canalisations de branchement 48. Chaque conduite 20 de branchement 57 est équipée dune soupape réglable 58 et d'une soupape d'arrêt 59 normalement ouverte. En outre, chaque conduite de branchement 57 et chaque conduite principale de groupe 46 est munie d'une soupape de retenue 60, 61 qui s'oppose à ce.quë du gaz pénètre dans la canalisation d'eau ou, respectivement, que de l'eau 25 soit introduite dans la canalisation de gaz. Cependant, de petites quantités d'eau et de gaz, qui suintent à travers les soupapes dé retenue, sont évacuées par des conduites de drainage (non représentées). lorsque le courant d'eau a atteint la conduite principale de groupe 46, il est dirigé par les branchements 48 et par les 30 tubulures de gaz comprimé 37 vers les organes de commande 16. Dans 1'-organe de commande, la majeure partie de l'eau parcourt l'intervalle 35 vers le bas, comme il ressort de la figure 2, traverse les orifices 38 dans l'enveloppe interne 33 remonte dans la tige de piston creuse 21 jusqu'au sommet de celle-ci, d'où elle passe, 35 par un orifice étroit 62, à la partie supérieure du manchon de commande 32 ou à la partie inférieure du tube pilote 17 de la barre de contrôle, pour remonter à travers le réacteur. Une petite par- 71 22232 2095343 tie-du courant d'eav^asse directement, depuis la partie supérieure de l'intervalle 35, au-delà de la garniture d'étanchéité 36, vers la partie supérieure du manchon de commande, soit par un passage étroit 63 prévu à cet effet tout en haut de l'intervalle, soit 5 directement à travers la garniture d.'étanchéité 36 qui, intentionnellement, n'est pas parfaitement étanche. De la même manière, une petite partie du courant d'eau passe au-delà de la garniture d'.étanchéité 25 dans la partie supérieure de l'enveloppe interne 33, soit par un passage étroit 64 prévu à cet effet à l'extrémité supérieure 10 de l'enveloppe 33> soit directement à travers la garniture d1étanchéité 25 qui, intentionnellement, n'est pas parfaitement étanche. Le courant d'eau normal, les passages étroits 62, 63 et 64 et le processus d'insertion d'urgence sont coordonnés 'de sorte que quand le gaz comprimé presse le volume d'eau sous pression dans l'envelop-15 pe interne 33» la tige de piston 21 soit soulevée à partir de sa ' position d'appui sur l'écrou 20 et que la barre de contrôle 15 pé-? nètre entièrement dans le coeur malgré les passages étroits 62, 64, tandis que le courant d'eau normal jie peut pas soulever la tige de piston à partir de l'écrou mais, au lieu de cela, s'écoule par 20 les passages étroits vers l'intérieur du réacteur. Le volume d'eau sous pression est réglé de sorte qu'il suffise pour soulever complètement la barre de contrôle, ^a tige de piston 21 et la partie supérieure de l'enveloppe 33 sont munies, selon le mode usuel, d'organes additionnels (non représentés) qui coopèrent pour former un 25 frein hydraulique de fin de course. Lorsque le processus d'insertion est complètement achevé, l'intervalle 35 est presque vidé d'eau, .*sê7~ mais le gaz comprimé introduit continue à se détendre et pénètre dans l'enveloppe intèrne 33. Au même rythme que l'organe de commande est alors rempli d'une nouvelle quantité d'eau à partir de la pompe 30 55 par les conduites de branchement 57, le gaz quitte l'organe de commande et passe dans le réacteur. Dans ces conditions, l'intervalle 35 est vidé de gaz par le passage étroit 63, la chambre délimitée par l'enveloppe interne 33 est vidée par le passage étroit 64 -et la • cavité de la tige de piston creuse 21 est vidée par le pas-35 sage étroit 62. COFY 71 22232 2095343 On utilise ordinairement l'azote pour mettre l'eau sous pression. On a jusqu'ici réalisé le système de sorte que l'azote ne*puisse pas pénétrer dans le réacteur, car il réagirait alors avec l'oxygène libre qui se trouve dans celui-ci, puis serait 5 absorbe dans l'eau de refroidissement du réacteur, avec formation d'acide nitrique. On peut inhiber la formation d'acide nitrique en introduisaniyén même temps que l'azote, de préférence en mélange avec celui-ci, une quantité suffisante d'hydrogène. Une limite su-*» périeure quant à la teneur en hydrogène est fixée par la condition 10 suivante : le mélange ne doit pas être inflammable dans l'air. De J préférence, on utilise un mélange d'azote-hydrogène ayant une teneur en hydrogène de 5$. « En supposant que le-réacteur est du type à circuit direct, le gaz comprimé accompagne la vapeur vers un condenseur à turbine 15 où il peut être aspiré au moyen des pompes à vide à éjecteur qui sont normalement prévues dans le condenseur. L'invention ne se limite pas à la forme d'exécution ci-dessus décrite et représentée sur les dessins, bien que celle-ci soit à préférer : elle embrasse également un système de commande y 20 exclusive d'arrêt d'urgence, qui ne comporte donc aucun dispositif d'entraînement pour la manoeuvre normale de" la barre de contrôle, laquellefest dans ce cas une barre de sécurité. tr copy 71 22232 10 2095343 - REVENDICATIONS - 1.- Organe de commande de "barre de contrôle pour un réacteur nucléaire à refroidissement par eau, cet organe de commande 16 comprenant un dispositif d'entraînement 21 commandé hy-drauliquement au moyen d'un volume d'eau mise sous pression pour 5 l'introduction d'urgence d'une ou plusieurs "barres de contrôle 15 dans le coeur 2 du réacteur 1, et une enveloppe 22. qui entoure le dispositif d'entraînement 21 et est fixée verticalement à la partie inférieure du réacteur 1» caractérisé par le fait que l'enveloppe 22 est à double paroi, et qu'il est ménagé, entre ses parois 10 32 et 33, un intervalle tubulaire vertical 35 qui contient normalement au ipoins la majeure partie du volume d'eau sous pression, qui. est en communication, à sa partie inférieure, par au moins un premier passage 38, avec la cavité intérieure de l'enveloppe 22 et du dispositif d'entraînement 21 pour l'introduction d'urgence 15 des barres de contrôle, et qui est muni d'une tubulure d'admission 37, laquelle est connectée à une s'ource de fluide sous pression 45 au moyen d'une conduite d'alimentation 46,48 munie d'une soupape à fermeture rapide 47 normalement fermée, mais ouverte lors du déclenchement de l'arrêt d'Urgence, pour la mise sous pression de 20 l'eau. 2.- Organe de commande de barre de contrôle selon la « revendication 1, dans lequel l'eau est mise sous pression au moyen d'un gaz comprimé et dans lequel il est disposé au moins un deuxième passage étroit 62, 64 qui relie l'intérieur de l'envelop-25 pe 22 à l'intérieur du réacteur 1, caractérisé par le fait qu'il est prévu, à la partie supérieure de l'intervalle 35, des moyens 63 pour pouvoir éliminer le gaz qui se trouve dans l'intervalle 35 à la suite d'un arrêt d'urgence. 3.- Organe de commande de barre de contrôle selon la re-30 vendication 2, caractérisé par le fait que les moyens en question sont constitués par aû moins un troisième passage étroit 63 qui relie la partie supérieure de l'intervalle 35 à l'intérieur du réacteur 1. ■ ' 71 22232 2095343 4-- Organe de commande de "barre de contrôle selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que le premier passage 38 est exécuté sous forme d'un passage étranglé pour l'eau sous pression, mais ayant une section nettement supérieure à celle 5 des autres passages étroits 62,63,64. 5o- Organe de commande de "barre de contrôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'organe d'entraînement 21 pour l'introduction d'urgence comporte, à titre d'élément principal, une tige de piston 21 raccordée au moins indirec-10 tement à la barre de contrôle 15, caractérisé par le fait que la paroi externe 32 de l'enveloppe 22 est constituée par un manchon de commande 32 fixé à demeure au réacteur 1 et muni d'une bride inférieure 40, par le. fait que la paroi interne 33 de l'enveloppe 22 est munie à sa partie inférieure d'un fond 34 pourvu d'une bride 15 complémentaire 41 qui est fixée de manière amovible à la bride 40 du manchon, par le fait que des premiers moyens d ' étanchement 36 sont disposés entre la face extérieure de la paroi interne 33 et le manchon 32 à la partie supérieure de la paroi interne 33 pour fermer hermétiquement l'intervalle 35 par rapport à l'intérieur du réac-20 teur 1, et par le fait que des seconds moyens d'étanchement 25 sont disposés entre la face intérieure de la paroi interne 33 et la tige de piston 21, à la partie supérieure de la paroi interne 33, pour fermer hermétiquement le volume ihtérieur.de l'enveloppe 22 par rapport à l'intérieur du réacteur 1. 25 6.- Organe de commande de barre de contrôle selon la revendication 5, caractérisé par le fait que pratiquement tous les éléments situés à l'intérieur de la paroi externe 32 de l'enveloppe 22 sont réunis en un ensemble qui peut être monté dans le manchon de commande 32 et en être démonté d'un seul bloc.