Brevet FR2162283A1 — publié le 19730720

La présente invention est relative aux barres de contrôle destinées à des réacteurs nucléaires à neutrons rapides de puissance élevée. Dans de tels réacteurs nucléaires à neutrons rapides, mais de puissance relativement faible, chaque ensemble constitué par une barre de contrôle et son fourreau occupe un alvéole en forme de prisme hexagonal constitué par les six éléments combustibles adjacents. La barre proprement dite comporte une partie occupée par un matériau absorbant et elle est déplaçable entre une position haute où la partie absorbante est à l'extérieur de la zone fissile du coeur du réacteur, et une position basse où la partie absorbante se trouve enfoncée complètement dans la zone fissile du coeur. Pour les réacteurs à neutrons rapides de puissances de plus en plus élevées, comme on cherche à les realiser de nos jours, la taille de ces alvéoles destinés à recevoir les barres de contrôle et leurs fourreaux devient de plus en plus grande. En effet, d'une part la hauteur de la zone fissile augmente; d'autre part la section transversale d'un alvéole augmente egalement car, pour permettre de limiter le nombre d'éléments combustibles à manutentionner dans le réacteur, on regroupe les aiguilles fissiles en nombre plus élevé pour chaque faisceau sous forme d'assemblages combustibles. C'est ainsi que le volume d'un alvéole destiné à recevoir l'ensemble d'une barre et de son fourreau peut passer du litre pour un petit réacteur ayant une puissance de quelques dizaines de MM thermiques, à plusieurs dizaines de litres dans un grand réacteur ayant une puissance de quelques centaines de MW thermiques et au-delà. Lorsqu'une barre de contrôle est enfoncée partiellement dans la zone fissile du coeur, une partie de la zone non-absorbante est située dans la zone fissile du coeur. Cette partie non-absorbante de la barre est généralement constituée d'acier et de sodium et actuellement, compte tenu du nombre élevé de barres de contrôle dans un réacteur (de l'ordre de 18 pour un réacteur d'une puissance de 1.000 MWe), cette partie peut atteindre un volume de plusieurs centaines de litres au total. Les barres de contrôle du type utilisé jusqu'à ce jour comportent donc, pour les réacteurs de grande puissance, de graves inconvénients neutroniques qui sont les suivants: a) depression très importante du flux aux alentours des barres de contrôle en raison de la masse de l'absorbant, b) basculement de puissance important dans les assemblages du coeur en fonction de la variation de l'enfoncement de la barre dans le coeur au cours d'un cycle de chargement, c) faible efficacité des barres par rapport à leur volume, d) réduction du gain de régénération interne et augmentation de la masse critique du coeur, dues au volume important de la partie de la zone non-absorbante des barres situées dans la zone fissile du coeur. La présente invention a pour but surtout de proposer des barres de contrôle pour réacteurs nucléaires à neutrons rapides de puissance élevée qui permettent d'éviter les inconvénients précédents. Suivant l'invention, une barre de contrôle pour des reacteurs de ce type, occupe une partie de la section transversale d'un élément combustible spécial dont la section totale est identique à celle des autres éléments combustibles normaux du réacteur, la partie dudit élément combustible spécial qui n'est pas occupée par la barre de contrôle étant occupée par des aiguilles de combustible disposées comme elles le seraient dans un élément combustible normal du réacteur. La section transversale totale des éléments combustibles, tant normaux que spéciaux, peut etre hexagonale. La barre de contrôle suivant l'invention peut occuper la partie centrale ou la partie périphérique de la section transversale dudit élément combustible spécial. La barre de contrôle suivant l'invention peut alors présenter une section transversale, soit de forme générale circulaire: soit d'une forme qui épouse la forme générale extérieure dudit elment combustible spécial, et dans ce dernier cas, la barre de contrôle peut présenter une section transversale heu aie ou en forme d'anneau hexagonal, suivant qu'elle occupe 1;- - tie centrale cu la partie périphérique dudit élement colrLVlzstiulz spécial. ais la ba--r-= de contrôle suivant l'invention peut encore être divisée en un certain nombre d'éléments distincts les uns des autres qui peuvent être disposés notamment aux sommets de l'hexagone constitué par la section transversale dudit élément combustible spécial. L'invention sera de toutes façons mieux comprise à l'aide du complément de description qui suit, et des dessins ci-annexés, d'un certain nombre de modes de réalisation particuliers, choisis à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs, d'une barre de contrôle pour réacteur nucléaire à neutrons rapides de puissance élevée. Aux dessins annexés: - la Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un élément combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides de puissance élevée qui montre simultanément en: (a) un élément combustible normal, (b) une barre de contrôle de type antérieur, (c) un élément combustible spécial suivant l'invention avec barre de contrôle centrale de section cir culaire, (d) un élément combustible spécial avec barre de contrôle centrale de section hexagonale; - la Fig. 2 est une vue en coupe transversale d'un élément combustible spécial suivant l'invention avec barre de contrôle périphérique qui montre simultanément en:: (a) une barre de contrôle présentant une section en forme d'anneau hexagonal, (b) une barre de contrôle présentant une section annulaire circulaire, (c) une variante de la barre représentée en (a); - la Fig. 3 est une vue en coupe transversale d'un élément combustible spécial suivant l'invention avec barre de contrôle divisée en éléments distincts, qui montre simultanément en (a), (b), (c), (d), (e) et (f) diverses versions possibles desdits éléments. Comme on le voit à la Fig. 1, un élément combustible de réacteur nucléaire à neutrons rapides se présente sous la forme d'une gaine de section hexagonale 5 à l'intérieur de laquelle sont disposées des aiguilles verticales 7 de combustible. Le secteur (a) de la Fig. 1 montre un élément combustible "normal", c'est-à-dire exempt de barre de contrôle, dans lequel les aiguilles de combustible occupent toute la section intérieure de la gaine 5. Dans les solutions connues jusqu'à ce jour, on supprimait un élément combustible, ce qui laissait subsister un alvéole hexagonal de mêmes dimensions, dans lequel on introduisait une barre de contrôle telle que la barre 9 du secteur (b) placée dans son fourreau 11, qui se trouvait ainsi entourée de six éléments combustibles normaux tels que celui représenté dans le secteur (a) Cette solution présente les inconvénients qui ont été mis en évidence précédemment. Les secteurs (c) et (d) de la Fig. 1 sont tous deux relatifs à des solutions conformes à l'invention dans lesquelles la barre de contrôle occupe la partie centrale d'un élément combustible "spécial". Dans ces deux solutions, la barre de contrôle ne remplit qu'une partie de l'espace disponible entre six éléments combustibles "normaux" et coulisse à l'intérieur d'un élément combustible spécialement aménagé pour cela. En effet, on peut envisager de supprimer dans un assemblage combustible un certain nombre d'aiguilles et de les remplacer par un système semblable à la barre de contrôle 9 du secteur (b) mais de section transversale plus petite. La réalisation du secteur (c) de la Fig. 1 conserve la gaine hexagonale 5 et deux rangées extérieures d'aiguilles combustibles 13, soit 90 aiguilles fissilles sur les 217 d'un élément "normal". Ces deux rangées d'aiguilles combustibles 13 sont délimitées à l'intérieur par une gaine hexagonale interne 15 qui remplit en même temps le rôle de fourreau de la barre de contrôle 17 qui se trouve au centre de cet alvéole. Grâce à cette solution, on récupère 90 aiguilles fissiles d'un assemblage combustible pour chaque emplacement de barre de contrôle. On peut gagner ainsi environ 5% sur la masse critique. La dépression de flux est moins importante autour des barres, le basculement de puissance est moins important, le rapport de ltefficccité sur le volume de la barre est plus élevé, et le volume du trou situé sous la barre partiellement enfoncée est plus faible. La réalisation du secteur (d) de la Fig. 1 est identique à la précédente mais la partie du corps 19 de la barre a une forme hexagonale qui épouse la forme de la gaine interne 15. Les avantages de cette solution sont les mimes que précédemment. En outre, on obtient ici un meilleur remplissage et le volume de l'absorbant est plus élevé, mais par contre il faut orienter le corps 19 de la barre par rapport à l'assemblage spécial, ce qui alourdit la manutention. La Fig. 2 est relative à des solutions conformes à l'invention dans lesquelles la barre de contrôle, dite "fourchette", occupe la partie périphérique d'un élément combustible "spécial". Dans ce cas, on a supprimé dans un assemblage combustible un certain nombre de couronnes périphériques d'aiguilles et on les a remplacées par un système de barre de contrôle coulissant. La réalisation du secteur (a) de la Fig. 2 conserve la gaine hexagonale extérieure 5 des assemblages et 61 aiguilles fissiles telles que 21 sur les 217 totales. Ces aiguilles sont délimitées par une gaine hexagonale 23 et dans l'espace ainsi obtenu à la périphérie, on place des aiguilles, remplies de matériau absorbant, entre deux gaines hexagonales 24 et 25 formant le corps de la barre. Les avantages de cette solution sont les mêmes que pour les solutions (c) et (d) de la Fig. 1, sauf qu'on ne récupère ici que 61 aiguilles fissiles, mais la surface absorbante présentée vers les éléments combustibles est plus importante. Par contre, le réglage du débit pour le refroidissement de la partie fissile et du corps de la barre est plus délicat. La réalisation du secteur (b) de la Fig. 2 adapte la place disponible pour le système de barre de contrôle pour permettre d'y loger un corps de barre de forme annulaire délimité par deux gaines 26 et 27. Les avantages sont les mêmes que pour la solution précédente, mais ici on obtient un meilleur remplissage du point de vue du volume de l'absorbant et la surface en regard des aiguilles fissiles est continue. La réalisation du secteur (c) de la Fig. 2 conserve 91 aiguilles fissiles centrales telles que 29 sur les 217 totales et, dans l'espace obtenu à la périphérie, on place la partie absorbante 31 entre deux gaines hexagonales 33 et 35 qui forment le corps de la barre. Le sodium qui circule autour du corps de la barre évacue la chaleur dégagée. Les avantages supplémentaires de cette solution par rapport aux deux précédentes sont un meilleur remplissage par les aiguilles combustibles 29, une plus grande surface absorbante en regard des aiguilles fissiles, et un volume d'absorbant presque égal à celui de la barre de contrôle de référence (barre 9 du secteur (b) de la Fig. 1). La Fig. 3 est relative à des solutions conformes à l'invention dans lesquelles la barre de contrôle, dite "en grappe" est divisée en un certain nombre d'éléments distincts les uns des autres. Dans ce cas, la barre de contrôle est constituée par une grappe de six petites barres telles que 37a, 37b, 37c, 37d, 37e, ou 37f commandées par le même mécanisme et plongeant dans chaque coin intérieur d'une gaine hexagonale 5. Le faisceau combustible 39 est également hexagonal mais plus petit et a subi une rotation de 300 par rapport à la gaine hexagonale 5 du réseau normal. Sur la Fig. 3, on a représenté cette solution avec six versions différentes possibles pour la partie absorbante. Les avantages sont les mêmes que ceux des solutions de la Fig. 2, mais on récupere ici 127 aiguilles fissiles telles que 41 sur les 217 totales; par contre le volume de l'absorbant est plus petit. Bien entendu, et comme il résulte d'ailleurs de ce qui précède, la présente invention ne se limite nullement au mode d'application, non plus qu'aux exemples de réalisation, plus particulièrement décrits et représentés; elae en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 10/ Barre de contrôle pour réacteur nucléaire à neutrons rapides de puissance élevée, caractérisée en ce qu'elle occupe une partie de la section transversale d'un élément combustible spécial dont la section totale est identique à celle des autres éléments combustibles normaux du réacteur, la partie dudit élément combustible spécial qui n'est pas occupée par la barre de contrôle étant occupée par des aiguilles de combustible disposées comme elles le seraient dans un élément combustible normal du réacteur. 20/ Barre de contrôle suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite section transversale totale des éléments combustibles, normaux et spéciaux, est hexagonale. 30/ Barre de contrôle suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle occupe la partie centrale de la section transversale dudit élément combustible spécial. 40/ Barre de contrôle suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle occupe la partie périphérique de la section transversale dudit élément combustible spécial. 50/ Barre de contrôle suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle présente une section transversale de forme générale circulaire. 60/ Barre de contrôle suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle présente une section transversale qui épouse la forme générale extérieure dudit élément combustible spécial. 70/ Barre de contrôle suivant l'une des revendications 1, 2, 3 et 6, caractérisée en ce qu'elle présente une section transversale hexagonale. 80/ Barre de contrôle suivant l'une des revendications 1, 2, 4 et 6, caractérisée en ce qu'elle présente une section transversale en forme d'anneau hexagonal. 90/ Barre de contrôle suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est divisée en un certain nombre d'éléments distincts les uns des autres. 100/ Barre de contrôle suivant l'une des revendications 1, 2, 4 et 9, caractérisée en ce que lesdits éléments sont disposés aux sommets de l'hexagone constitué par la section transversale dudit élément combustible spécial.