Brevet FR2162284A1 — 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 réaliser 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 également 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 de la barre, qui se trouve en-dessous de la partie 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 Mye), 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) dépression 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 située dans la zone fissile du coeur. La demande de brevet français nOEN 7144146déposée ce jour au nom de la demanderesse, propose déjà des barres de contrôle pour réacteurs nucléaires à neutrons rapides de puissance élevée qui permettent d'éviter les inconvénients précédents; la présente invention a pour but surtout de proposer de nouvelles solutions qui permettent d'ajouter certains. autres avantages à ceux des solutions de ladite demande de brevet. Suivant L'invention, une barre de contrôle pour réacteur nucléaire de ce type occupe une portion de la hauteur d'un élément combustible spécial dont la hauteur totale est identique à celle des autres éléments combustibles normaux du réacteur, la portion dudit élément combustible spécial qui n'est. pas occupée par la barre de contrôle étant occupée par des aiguilles de combustible de hauteur réduite disposées comme elles le seraient dans un élément combustible normal du réacteur, lesdites aiguilles de hauteur réduite prenant la place de ladite barre de contrôle lors de son soulèvement dans la zone fissile du coeur du réacteur et se glissant endessous du coeur dans une enceinte réservée lors de l'abaissement de la barre de contrôle. La barre de contrôle peut occuper la totalité de la section transversale dudit élément combustible spécial dans la portion de la hauteur de cet élément qu'elle occupe, mais elle peut également, comme dans la demande de brevet français nO EN 7144146 citée précédemment, n'occuper qu'une partie de cette section transversale, la partie de cette section transversale qui n'est pas occupée par la barre de contrôle étant occupée par des aiguilles de combustible de longueur normale, se prolongeant dans la portion de la hauteur de l'élément non occupée par la barre de contrôle, et disposés comme elles le seraient dans un élément combustible normal du réacteur. La barre de contrôle suivant l'invention, dans le cas où elle n'occupe qu'une partie de la section transversale dudit élément combustible spécial, peut occuper soit la partie centrale, soit la partie périphérique, de cette section. L'invention sera de toute façon mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après, 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 verticale d'un élément combustible normal d'un réacteur de type auquel s'applique l'invention, - la Fig. 2 est une vue semblable à la Fig. 1 d'un élément combustible spécial avec barre de contrôle suivant l'invention, - la Fig. 3 est une vue en coupe transversale 3-3 de l'élément de la Fig. 2, - la Fig. 4 est une vue analogue à la Fig. 2 d'une variante de réalisation d'un élément combustible spécial suivant l'invention, - la Fig. 5 est une vue en coupe transversale 5-5 de l'élément de la Fig. 4, - la Fig. 6 est une vue analogue aux Fig. 2 et 4 d'une autre variante de réalisation d'un élément combustible spécial suivant l'invention, et la Fig. 7 est une vue en coupe transversale 7-7 de l'élément de la Fig. 6. Comme on le voit à la Fig. 1, un élément combustible normal comporte un certain nombre d'aiguilles combustibles telles que 9 disposées dans une gaine extérieure 11 qui peut être de section hexagonale ou circulaire. On constate qu'en fonctionnement normal, les barres de contrôle sont enfoncées seulement partiellement dans le coeur du réacteur. Au-dessous des barres se trouve un volume considérable, pouvant atteindre plusieurs centaines de litres, qui n'était jusqu'ici rempli que par de l'acier et du sodium. L'invention se propose d'utiliser ce volume libre de la façon indiquée aux Fig. 2, 4 et 6. Le corps 13, 15 ou 17 de la barre est accouplé à un élément 19, 21 ou 23, dit "suiveur", constitué par un faisceau combustible de hauteur réduite qui prend sa place lors du soulèvement de la barre dans la partie fissile du coeur.Les barres 13, 15 et 17 sont représentées dans cette position haute dans les parties droites des Fig. 2, 4 et 6 et en position basse dans les parties gauches de ces mêmes figures. En position basse, les éléments combustibles 19, 21 ou 23 sont glissés en-dessous du coeur dans une enceinte réservée 25, 27 ou 29 au niveau de la partie de couverture axiale inférieure et d'une chambre d'expansion 31 (Fig. 1) des éléments combustibles normaux. Dans les solutions représentées aux Fig. 2, 4 et 6, on peut constater que la hauteur de la partie fissile réduite 19, 21 ou 23 peut atteindre de l'ordre de 0,6 fois la hauteur fissile 9 d'un assemblage combustible normal (Fig. 1) et le volume ainsi occupé par le "suiveur" combustible peut atteindre de 21,6 % à 33,5 % du volume d'un assemblage combustible normal, suivant les différentes solutions adoptées en sections transversales, qui apparaissent plus clairement aux Fig. 3, 5 et 7, où l'on voit, aux moitiés supérieures les parties absorbantes , et aux moitiés inférieures les parties "suiveur" des éléments combustibles spéciaux respectifs. Dans la solution des Fig. 2 et 3, la gaine extérieure 11 est de forme générale circulaire et la barre de contrôle 13 est égalemer,- circulaire, suivie par une partie combustible 19 disposée dans a même gaIne circulaire. Dans la solution des Fig. 4 et 5, la gaine extérieure 11 est de forme générale hexagonale et la barre de contrôle 15 est également hexagonale, "suivie" par une partie combustible 21 disposée dans la même gaine hexagonale. Mais ici, la barre de controle 15 n'occupe que la partie centrale de la section transversale de l'élément. Le reste de cette section est occupé par des aiguilles combustibles telles que 33, de longueur normale qui se prolongent dans la partie "suiveur" de l'élément, c'est-à-dire la partie inférieure de la Fig. 5, et qui sont également visibles à la Fig. 4. Dans la solution des Fig. 6 et 7, la gaine extérieure 11 est encore hexagonale et la barre de contrôle 17 est en forme d'anneau hexagonal, "suivie" par une partie combustible 23, également en forme d'anneau hexagonal. Mais ici, la barre de contrôle 17 occupe la partie périphérique de la section transversale de l'élément. Le reste de cette section est occupé par des aiguilles combustibles telles que 35, de longueur normale, qui se prolongent dans la partie "suiveur" de l'élement, c'est-à-dire la partie inférieure de la Fig. 7, et qui sont également visibles à la Fig. 6. Les diverses solutions précédentes, ainsi que toutes celles que l'on peut imaginer en combinant les solutions pré cédentes avec celles qui sont décrites dans la demande de brevet français n" EN 714sl46 mentionnée plus haut, permettent un remplissage partiel du trou du sodium au-dessous des barres en fonctionnement normal par un élément combustible de longueur réduite, un gain de réactivité quand les barres sont en position haute, donc une masse critique plus faible, une dépression de flux nettement plus faible autour et au-dessous des barres, un poids plus élevé de l'ensemble corps de la barre plus "suiveur" combustible, une efficacité de la barre plus élevée, (gain d'un facteur 1,5 environ), enfin une diminution du nombre de barres nécessaire pour la même anti-réactivité totale. Bien entendu, et comme il résulte 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; elle 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 portion de la hauteur d'un élément combustible spécial dont la hauteur totale est identique à celle des autres éléments combustibles normaux du réacteur, la portion dudit élément combustible spécial qui n'est pas occupée par la barre de contrôle, étant occupée par des aiguilles de combustible de hauteur réduite disposées comme elles le seraient dans un élément combustible normal du réacteur, lesdites aiguilles de hauteur réduite prenant la place de ladite barre de contrôle lors de son soulèvement dans la zone fissile du coeur du réacteur et se glissant en-dessous du coeur dans une enceinte réservée lors de l'abaissement de la barre de contrôle. 2 / Barré de contrôle suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle occupe la totalité de la section transversale dudit élément combustible spécial dans la portion de la hauteur de cet élément qu'elle occupe. 30/ Barre de contrôle suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle occupe une partie de la section transversale dudit élément combustible spécial dans la portion de la hauteur de cet élément qu'elle occupe, la partie de la section transversale dudit élément qui n'est pas occupée par la barre de contrôle, étant occupée par des aiguilles de combustible de longueur normale, se prolongeant dans la portion de la hauteur dudit élément non occupée par la barre de contrôle, et disposées comme elles le seraient dans un élément combustible normal du réacteur. 40/ Barre de contrôle suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle occupe la partie centrale de la section transversale dudit élément combustible spécial dans la portion de la hauteur de cet élément qu'elle occupe. 50/ Barre de contrôle suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle occupe la partie périphérique de la section transversale dudit élément combustible spécial dans la portion de la hauteur de cet élément qu'elle occupe.