Brevet FR2110375A1 — publié le 19720602

la présente invention concerne un barreau de coupure pour réacteurs nucléaires avec une charge en vrac d'éléments combustibles sensiblement sphériques, qui est introduit directement dans la charge. 5 II est connu de procéder au réglage ainsi qu'à la coupure de réacteurs nucléaires à charge en vrac au moyen de barreaux de coupure qui sont introduits directement dans la matière en vrac, sans guidage spécial , comme des tubes, des becs oji éléments analogues, la pesanteur 10 étant de préférence utilisée pour faire pénétrer les barreaux de coupure dans la charge. Si on introduit des corps de forme quelconque avec emploi d'une force dans une charge en vrac, la face des corps se trouvant dans le sens du mouvement a pour 15 effet que les éléments de la charge sont chargés au maximum par la pression. Il en est ainsi par exemple pour les sondes de mesure ou les capsules d'essai à introduire dans les charges et en particulier aussi pour les barreaux de coupure. Comme en général la résistance 20 de la charge et par conséquent la pression entre la face du corps introduit et les éléments de la charge augmente avec la profondeur de pénétration croissant^ la profondeur de pénétration qu'on peut obtenir au maximum est limitée entre autre par la charge de rupture limitée des éléments de la charge. 25 Comme cette limitation de la profondeur de pénétration du barreau de coupure a pour conséquence des limitations sensibles dans la conception et la construction de centrales nucléaires économiques, le but de la présente invention est de repousser sensiblement cette limitation, c'e§t-30 à-dire de permettre des profondeurs de pénétration du barreau de coupure considérablement plus grandes,- sans créer le risque de briser des éléments de la charge. Ce problème est résolu par l'invention caractérisé en ce que la partie inférieure de l'extrémi-35 té du barreau de coupure pénétrant dans la charge est constituée de telle sorte qu'il agit comme élément amortisseur de forces. Dans le cas d'éléments combustibles de forme sphériques, en graphite, avec un diamètre de 60 mm la charge de rupture augmente par exemple de quelques 40 100 kg à quelques 1000 kg suivant qu'on charge ces sphères avec 71 35627 2 2110375 un corps en acier façonné de façon convexe avec un rayon de courbure de 5 à 10 mm, ou avec un corps en acier façonné de façon concave avec un rayon de courbure de 30 à 40 mm. On peut aussi obtenir une diminu-5 tion du taux de rupture si on charge les éléments combustibles* non pas comme dans le cas précédent avec des corps dont le module d'élasticité est grand par rapport à celui des éléments (acier sur graphite) mais si au lieu de cela on emploie des corps en une matière dont le module d'élasticité est égal ou inférieur 10 à celui des éléments. Pour le cas où à l'état non chargé le rayon de courbure du corps chargeant l'élément sphéri-que de fonctionnement est égal à celui de l'élément - avec le même module d'élasticité de l'élément et du corps de charge -15 ces deux éléments sont déformés en charge de la même façon, de sorte que la surface de contact entre lès deux corps se constitue sous forme de plan. Si le module d'élasticité du corps de charge est sensiblement plus petit, le corps, par rapport à l'élément sphérique est déformé sensiblement plus fortement et 20 sa forme s'adapte largement à la surface de la sphère. Quantitativement, des essais exécutés sur des sphères de graphite de 60 mm de diamètre, dans lesquels celles-ci étaient chargées avec un corps convexe ayant le même rayon de courbure, ont montré que la charge de rupture 25 des sphères en graphite augmente d'environ 80 $, si, au lieu de les charger avec un corps d'acier (avec un module d'élasticité sensiblement plus grand que le graphite, elles étaient chargées avec un corps en graphite de même forme et de même module d'élasticité que les sphères). 30 L'augmentation de la charge de rupture des qphères pouvant être obtenue dans les cas représentés à sa cause dans l'augmentation se produisant ici de la surface de contact à l'état chargé et de la réduction provoquée de ce fait de la pression superficielle maximale qui de son côté 35 détermine essentiellement le bris des sphères. Dans le cas de réacteurs nucléaires avec une décharge d'éléments combustibles sphériques, cela signifie que, par un choix correspondant de la géométrie et de la matière pour les faces des barreaux de coupure pénétrant dans 40 la charge, la profondeur de pénétration de ceux-ci dans les 71 36627 3 2110375 réacteurs nucléaires et par conséquent la hauteur totale du noyau peut être augmentée considérablement. l'amélioration qui peut être obtenue est indépendante de ce que les barreaux à introduire 5 dans la charge en pénétrant dans la charge n'exécutent qu'un mouvement purement horiaozrùai ou sle ce què, à c'e mouvement, comme dans le cas des barreaux dit "rotatifs" est superposé un mouvement de rotation supplémentaire. Comme en général, il ne sera pas 10 possible, à cause des charges de pression se produisant lors de la pénétration d'un, barreau dans un charge, de fabriquer tout le barreau à introduire en une matière avec un faible module d'élasticité, l'effet voulu est obtenu, suivant l'invention, par le fait que la partie de ce barreau se trouvant dans le sens de la 15 pénétration est fabriquée en une telle matière. Ainsi par exemple, la partie inférieure du barreau fabriqué en un acier réfrac-taire peut être fabriquée partiellement en une matière avec un module d'élasticité sensiblement plus faible, par exemple en graphite. 20 II pourrait également être avantageux de relier la partie inférieure de l'extrémité de barreau avec le barreau par un élément élastique, pour faire en sorte que le barreau et l'extrémité du barreau soient dans une certaine mesure desaccouplés mécaniquement. De ce fait, en par-25 ticulier avec une assez grande vitesse d'entrée du barreau, les pointes de charge provoquées par l'inertie de la masse des éléments en vrac sont en quelque sorte amorties et il se produit ainsi pour les éléments des charges maximales plus faibles. Tandis que la représentation connue se rapporte au cas d'un corps 30 cylindrique et taillé coniquement dans sa partie inférieure, une disposition correspondante peut être appliquée aussi dans le cas d'une section quelconque. Dans le cas d'une face très étendue, il peut être pratique de construire celle-ci en plusieurs parties avec un faible module d'élasticité. 35 Avec l'emploi de graphite à la partie inférieure des barreaux de coupure, la durée de vie de ces parties de barreaux à cause de l'usure inévitable et de la charge de rayonnement, est limitée de sorte qu'un échange assez fréquent de la pièce sera nécessaire. 40 Pour éviter cela et les frais 71 35627 * 2110375 qui y sont liés, la partie inférieure de l'extrémité du barreau est avantageusement constituée de façon concave, de telle sorte qu'en plongeant le barreau dans la charge l'un des éléments sphériques en graphite est "capté par la partie inférieure du 5 barreau. Comme l'ontmontré les expériences, un tel élément de la i charge est déjà capté pour une très faible profondeur de pénétration (en moyenne profondeur de pénétration moindre que cinq diamètres de sphère) de sorte que la charge d'éléments par le bord annulaire à la partie inférieure du barreau par rapport à la 10 variation de la charge moyenne de rupture des sphères peut rester hors de considération. Pour obtenir une charge de rupture la plus élevée possible pour les sphères captées indépendamment du diamètre légèrement différent d'un élément combus-15 tible à l'autre, il est pratique de constituer sphériquement la partie concave de l'extrémité du barreau, la surface conique pouvant présenter en plus une courbure avec un rayon de courbure qui dépasse légèrement le rayon de courbure des plus grands éléments qui se présentent. De ce fait, on obtient que la charge 20 de pression entre l'extrémité concave du barreau et la sphère captée se répartisse en charge sur une surface annulaire la plus grande possible. Cela a d'autre part pour conséquence, comme des expériences l'ont montré, que la charge de rupture se trouve de plus d'un facteur 2 au-dessus de la charge de rupture 25 des éléments chargés par celle-ci. Un inconvénient de cette solution pourrait consister en ce que l'élément capté soit de nouveau "perdu" quand le barreau après avoir été introduit, est partiellement sorti et ensuite de nouveau réintroduit. Jusqu'à 30 la nouvelle capture d'un élément à une assez grande profondeur des charges accrues pourraient être provoquées par le bord sur la partie inférieure du barreau. Cependant, il y a deux possibilités, l'une pour empêcher, et cela d'une part, par le fonc-55 tionnement correspondant des barreaux que l'on dispose de telle sorte qu'après le dépassement d'une profondeur de pénétration déterminée, ils soient à chaque fois complètement sortis de sorte que, lors d'une nouvelle entrée, ait lieu l'entrée de sphères au voisinage de la surface extérieure de la décharge. Comme il 40 s'est révélé il n'est pas provoqué de limitations sensibles pour 71 35627 5 2110375 le mode de fonctionnement du réacteur. D'autre manière, il est également possible d'obtenir que les éléments captés lors de la sortie des barreaux ne soient pas perdus, mais soient maintenus dans 1'évi-5 dement concave, de sorte eu'alors toute limitation concernant le fonctionnement des barreaux est supprimée. Suivant l'invention, cet effet est obtenu par le fait qu'avec une utilisation modifiée de l'effet connu sous le nom de "paradoxe hydrodynamique" un courant de gaz entre ou sort par une ou plusieurs ouver-10 ture de l'extrémité concave du barreau, que par suite de la grande vitesse d'écoulement est provoquée dans la fente annulaire entre l'extrémité concave du barreau et l'élément sphérique une dépression qui maintient l'élément. Comme il a pu être constaté par l'expérience, il suffit déjà d'un débit de gaz de quel-15 ques 10 litres par seconde, pour maintenir une sphère de graphite de 60 mm de diamètre et d'un poids d'environ 200 grammes dans une extrémité de barreau constituée de façon correspondante à l'invention. Avantageusement la surface inté-20 rieure de l'évidement destiné à capter la sphère peut être munie d'une matière qui maintient le plus faible possible le frottement entre la sphère captée et la partie inférieure du barreau. La sphère peut alors, si elle est soumise à une force tangentiel-le par un élément de la charge, "rouler" plus facilement, de 25 sorte que l'usure entre celle-ci et les autres éléments de la charge est la plus faible possible. Une autre réduction du frottement peut être obtenue par l'alimentation de lubrifiant par des canalisation d'arrivée et des ouvertures de sortie prévues à cet 30 effet. Les lubrifiants peuvent aussi être ajoutés au courant de gaz maintenant la sphère. Comme lubrifiant gazeux, il peut être 2 question, d'une atmosphère d'hélium, par exemple de CO ou H20. Egalement suivant l'invention, 35 l'écoulement de gaz peut être commandé par un organe de réglage monté de préférence dans le barreau de coupure de telle sorte qu'il ne soit maintenu que lors de la sortie du barreau. Comme mentionné au début, la charge de rupture d'éléments combustibles sphériques de réac-40 teur en graphite augmente d'environ 80 fo quand au lieu d'être 71 35627 6 2110375 chargés par une pointe d'acier arrondie, ils le sont par une pointe en graphite ou par un élément combustible capté dans une pointe d'acier concave. A cette augmentation de la charge de rupture correspond, à cause du rapport à peu près linéaire 5 entre la charge et la profondeur de pénétration, une augmentation de la profondeur de pénétration admissible également d'environ 80 ia sans risque de btriB d'éléments combustibles. En conservant le rapport optimal de la profondeur du noyau de réacteur au diamètre du noyau, on a donc une augmentation possible 10 du volume de noyau de plus d'un facteur 5. Avec une densité de puissance constante, la puissance totale augmente donc également d'environ un facteur 5, ce qui, à cause de la forte diminution des frais aux passages à de plus grandes puissances unitaires, est à mettre au même rang qu'une réduction importante 15 des frais correspondant à une amélioration considérable à. l'économie. Dans le dessin sont représentés schématiquement plusieurs exemples d'exécution du barreau de coupure suivant la présente invention. 20 - la figure J_a représente en coupe une extrémité de barreau de coupure avec une pointe en une autre matière que le reste du barreau. - la figure j[b représente en coupe une extrémité de barreau de coupure avec une pointe rap- 25 portée élastiquement. - la figure 2a représente, également en coupe, l'extrémité d'un barreau de coupure avec une section rectangulaire. - la figure 2b représente 30 une coupe suivant la ligne II-II de la figure 2a. - la figure 3 représente en coupe une extrémité de barreau de coupure avec un évidement concave. - la figure ^a représente 35 une configuration particulière de 1'évidement concave. - la figure 4b représente une autre configuration de 1'évidement concave. - les figures j5a et jjb représentent d'autres configurations de l'extrémité du barreau de 40 coupure qui, présente des ouvertures pour le passage d'un pou- 71 36627 7 2110375 rant de gaz. - les figures 6a et 6b représentent en plaù et en coupe l'extrémité d'un barreau de coupure avec une section °ylindrique. 6 - les figures Ja et JJa repré««n- «e.\.t en plan et en ooupe l'extrémité d'un barreau de coupure avec une section triangulaire. La figure 1_§ représente un premier exemple d'exécution suivant l'invention. Le barreau se 10 compose dans sa partie cylindrique par exemple d'une enveloppe d'acier extérieur 1, de la matière absorbant les neutrons 2, d'un tube porteur 3 en acier et du canal de refroidissement intérieur 4, tandis que la pointe oonique et arrondie à l'extrémité est également dans sa partie supérieure fabriquée en acicr. r La figure Jb, représente une extrémité de barreau de coupure dont la partie inférieure 6 est reliée à la partie supérieure par un élément élastique 8. Le 25 reste du barreau de coupure est construit de la môme façon que représenté dans la figure _1a. Ici aussi, il peut être prévu dans la partie supérieure de l'extrémité du barreau des ouvertures de passage 5 pour le réfrigérant. Dans les figures 2a et 2b est 30 représenté un barreau de coupure avec une section rectangulaire •;x des bords, arrondis, dans lequel l'extrémité inférieure est formée, suivant l'invention, de plusieurs parties juxtaposées 9 c'-nne matière à faible module d'élasticité. La figure 3 représente l'ex-trémité inférieure d'un barreau de coupure, qui est munie d'un évidement concave, qui dans sa surface extérieure est adapté à un élément de fonctionnement sphèrique 11. Lors de la pénétration du barreau de coupure dans la charge des sphères, l'élément de fonctionnement 11, qui est en graphite, est "capté" par 1*évidement concave. Le processus de captage a déjà 71 35627 2110375 lieu pour une très faible profondeur de pénétration. L0rs d'une autre entrée du barreau de coupure, la pointe du barreau agit avec l'élément "capté'1 comme une pointe de barreau qui dans sa partie inférieure est en 5 graphite, le bord 10 de l'évidement concave est arrondi. La figure £a représente une extrémité de barreau de coupure avec un évidement concave qui est constitué sphériquement pour réduire le plus possible avec des sphères de diamètres un peu différente le taux de rupture pour 10 la sphère captée 11. La figure ^b représente "une configuration analogue de l'extrémité du barreau de coupure dans laquelle la surface conique de 1'évidement présente une courbure avec un rayon de courbure R qui est légèrement plus 15 grand que le rayon de courbure r du plus grand élément de fonctionnement qui ici est également désigné par 11. La charge de pression entre la sphère 11 et l'extrémité du barreau de coupure est de cette façon répartie en charge.sur une plus grande surface annulaire. 20 Dans l'extrémité de barreau de coupure représentée dans la figure 5a. l'effet du "paradoxe hydrodynamique" est utilisé pour maintenir la sphère 11 dans 1*évidement concave même lors d'un mouvement vers le haut du barreau de coupure. A cet effet, 1*évidement concave présente 25 une ouverture par laquelle passe le courant de gaz de refroidissement 12 et produit dans la fente annulaire entre la sphère 11 et l'extrémité du barreau de coupure une dépression qui maintient la sphère 11 dans 1'évidement. L'extrémité de barreau de cou-30 pure représentée dans la figure Jjb met également à profit le "paradoxe hydrodynamique". Mais ici, ce n'est pas le courant de gaz de refroidissement, mais un courant de gaz 13 amené séparément de celui-ci, qui est dirigé à travers la fente annulaire entre la sphère 11 et l'extrémité du barreau. 35 Dans le barreau de coupure, il peut aussi être monté un curseur (non représenté) qui commande l'éco«lement du gaz de refroidissement de telle sorte qu'à l'entrée et à l'arrêt du barreau il sort essentiellement par les ouvertures normales de sortie du gaz de refroidissement 40 5, et seulement à la sortie du barreau sort pour la plus grande 71 35627 2110375 partie par la fente annulaire entre la sphère 11 et l'extrémité concave du barreau. De ce fait, à cause de la chute de pression assez faible aux ouvertures normales de sortie 5 du gaz de refroidissement 5, avec des barreaux rentrés, on peut obtenir un assez grand sH1>it de gaz de refroidissement, et par conséquent un meilleur effet de refroidissement. Gomme déjà mentionné, pour réduire le frottement entre la sphère captée 11 et la partie in-10 férieure du barreau, des lubrifiants peuvent être introduits dans la fente annulaire entre la sphère 11 et l'extrémité du barreau dans la décharge. Ces lubrifiants peuvent être ajoutés soit au courant de gaz de refroidissement 12 (figure 5a)soit aussi au courant de gaz 13 (figure jjb). Mais il peut aussi être 15 prévu pour cela des canalisations d'arrivée et des ouvertures de sorties spéciales (non représentées dans le dessin). Le même principe du "captage de sphère^'est applioable aussi pour d'autres géométries, dans lesquelles le barreau à introduire dans la décharge ne se ter-20 mine pas par une pointe. Dans les figures 6a et 6b est représenté un premier cas de ce genre. Elles représentent en coupe longitudinale et en plan un barreau cylindrique 14 avec une section annulaire. La face annulaire inférieure du barreau est munie d'un certain nombre d'évidements concaves de telle sorte que 25 sur tout le pourtour des sphères 11 peuvent être captées tout près l'une de l'autre. Dans les figures 7^ et Jb est représenté un barreau 15 as®0 une section rectangulaire et des bords arrondis, dont la face est constituée de telle sorte que 30 trois sphères 11 et de nouveau une quatrième sphère 16 sont captées par celle-ci de sorte que dans l'effet final la face du barreau consiste en un tétraédre composé de quatre sphères. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits 35 et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. » 71 35627 ,0 2110375 REVENDICATIONS 10) Barreau de coupure pour réacteurs nucléaires avec me charge en vrac d'éléments combustibles sensiblement sphériques, barreau introduit directement dans 5 la charge, barreau caractérisé en ce que la partie de son extrémité inférieure pénétrant dans la charge est constituée de telle sorte qu'elle agit comme élément amortisseur de forces. 2°) Barreau de coupure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure 10 de l'extrémité est partiellement en une matière ayant un module d'élasticité le plus faible possible. 3°) Barreau de coupure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure de l'extrémité est mobile dans le sensde pénétration et est 15 reliée par un élément élastique à la partie supérieure de l'extrémité du barreau. 4°) Barreau de coupure suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la partie inférieure de l'extrémité est construite en plusieurs pièces avec un faible 20 module d'élasticité. 5°) Barreau de coupure suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure de l'extrémité est munie d'un ou plusieurs évidements concaves par lesquels, lors de la plongée du barreau dans la charge, un 25 ou plusieurs éléments combustibles sont captés. 6°) Barreau de coupure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les évidements concaves à la partie inférieure de l'extrémité du barreau sont formés de préférence par des surfaces coni-30 ques courbées. 7°) Barreau de coupure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les évidements concaves à la partie inférieure de l'extrémité du barreau sont munis d'une ou plusieurs ouvertures, à tra-35 vers lesquelles est dirigé un courant de gaz. 8°) Barreau de coupure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 1'évidement pour la réception des éléments combustibles est, au moins sur sa surface extérieure, en une matière par laquelle 40 est réduit le frottement entre la partie inférieure de l'extrémi 71 35627 11 2110375 té du barreau et l'élément capté. 9°) Barreau de coupure suivant l'une quelconque des revendications 1 et 5, caractérisé en ce que la partie inférieure de l'extrémité est munie d'ouvertures 5 par lesquelles des lubrifiants peuvent être injectés dans la charge ou dans l'espace entre un élément combustible capté et 1'évidement concave. 10°) Barreau de coupure suivant l'une quelconque des revendications 1, 5 et 7, caractérisé en ce 10 qu'il est prévu un organe de commande ou de réglage qui n'entretient un écoulement de gaz suffisant pour maintenir les éléments combustibles que pendant l'élévation du barreau jusqu'à la partie supérieure de la charge.