Brevet FR2262852A1 — publié le 19750926

La présente invention a pour objet un procédé de rechargement du combustible d'un réacteur nucléaire et le dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. De façon plus précise, l'invention concerne une amélioration du rechargement en combustible d'un réacteur nucléaire permettant des opérations de manutention plus rapides. On sait que dans un réacteur nucléaire le coeur servant de source d'énergie est constitué par des assemblages combustibles, eux-mêmes constitués par un ensemble d'éléments combustibles en matériau fissile. Lors du fonctionnement du réacteur, la fraction d'uranium 235 contenue dans ledit combustible diminue. I1 est donc nécessaire périodiquement de remplacer le combustible partiellement épuisé par un combustible neuf. Le rechargement du coeur du réacteur consiste donc d'une part à enlever le combustible épuisé, et d'autre part à introduire dans le réacteur du combustible neuf ou à déplacer un élément combustible d'une région du coeur vers une autre. Pour mieux comprendre les problemes qui se posent au moment du recharge ment du réacteur en combustible nucléaire, on peut se reporter à la figure 1 annexée, sur laquelle on a représenté schématiquement en élévation une coupe d'un réacteur du type à eau sous pression (PWR) La description qui suit se rapporte au cas du réacteur PWR, mais il va de soi que l'invention pourrait tout aussi bien s'appliquer à d'autres types de réacteurs. Le réacteur à eau pressurisée comprend essentiellement une cuve 2 résistant à la pression et fermée à sa partie supérieure par un couvercle 4. La cuve est percée d'orifices tels que 6 raccordés à des canalisations permettant la circulation du liquide de refroidissement à l'intérieur de la cuve 2. Dans la cuve, on trouve une structure inférieure constituée essentiellement par une virole de coeur 8 prenant appui à sa partie supérieure sur un épaulement interne 10 de la cuve 2. Le fond de la virole de coeur 8 supporte par l'intermédiaire de la plaque inférieure de supportage du coeur 10 les assemblages combustibles tels que 12. A l'intérieur de la cuve 2, on trouve également une structure supérieure constituée par la plaque haute 14 et la plaque supérieure de coeur 18, qui sont reliées par les entretoises 20, l'ensemble est positionné par la plaque 14 qui repose sur l'épaulement 16 de la cuve. La plaque supérieure de coeur 18 a essentiellement pour but d'empêcher la "remontée" des assemblages combustibles 12 sous l'action du fluide de refroidissement qui traverse le coeur de bas en haut. A cet effet, à a partie supérieure, chaque assemblage combustible 12 peut comporter un système élastique comprimé par la plaque supérieure de coeur 18. Pour régler la réactivité du réacteur, celui-ci est muni d'organes de réglage ou barres de contrôle. Une barre de contrôle est constituée par une tige de commande 22 coulissant dans les colonnes creuses 20 et supportant des crayons absorbants tels que 24 introduits dans des tubes creux ménagés dans les assemblages combustibles 12. A sa partie supérieure, chaque tige de commande traverse le couvercle 4 du réacteur par desdoigts de gant étanches 26 et est reliée à un mécanisme de commande de barres de contrôle 28. De cette description, volontairement succincte, il ressort que pour recharger le coeur du réacteur nucléaire, c'est-à-dire pour enlever et remettre les assemblages combustibles, il est nécessaire d'enlever le couvercle 4 du réacteur, la structure interne supérieure constituée essentiellement par la plaque de supportage supérieure 14 et la plaque supérieure de coeur 18, ainsi que les barres-de contrôle avec leurs tiges de commande Toutes ces opérations sont complexes et longues, or bien sur elles nécessitent l'arrêt du réacteur. I1 est donc indispensable de simplifier et de réduire le temps nécessaire aux opérations de rechargement. Cela devient particulièrement important si l'on envisage un rechargement pluriannuel du réacteur. Le brevet français nO 71 24817 du 7 juillet 1971 décrit une méthode de rechargement en combustible d'un réacteur nucleaire. Cette méthode consiste à enlever en un seul bloc le couvercle de la cuve, la structure interne supérieure et les barres de contrôle, et à stocker cet ensemble à côté de la cuve. Ce système a certains inconvénients ; il oblige à prévoir sur les mécanismes de commande des barres de contrôle des moyens de blocage eh position haute, et il conduit à stocker avec le couvercle de cuve la structure interne supérieure et les absorbants des barres de contrôle. Ces deux éléments sont radioactifs, ce qui ne facilite pas l'inspection du couvercle et des mécanismes des barres de contrôle. La présente invention a précisément pour objet un procédé de rechargement du combustible d 1un réacteur nucléaire et un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé qui pallie les inconvénients cités ci-dessus. En particulier, le procédé objet de l'invention permet de retirer séparément le couvercle de la cuve du réacteur et la structure interne supérieure ainsi que les barres de contrôle. Le procédé de rechargement se caractérise en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on enlève le couvercle du réacteur après avoir désolidarisé celui-ci des barres de contrôle qui sont laissées en position basse, et on le stocke; - on amène les barres de contrôle en position haute et on solidarise celles-ci avec la structure interne supérieure; - on enlève l'ensemble constitué par la structure interne supérieure et les barres de contrôle, et on le stocke; - on remplace le combustible usé, et - on remet en place la structure interne supérieure, et le couvercle. L'invention -a également pour objet un dispositif de déchargement qui se caractérise en ce qu'il comprend une charpente comportant à sa partie inférieure des organes de verrouillage de ladite charpente sur la structure interne supérieure, et un plateau mobile susceptible de se déplacer en translation par rapport à ladite charpente selon une direction verticale, ledit plateau comportant des moyens pour solidariser les extrémités supérieures des tiges de commande des barres de contrôle avec ledit plateau, ladite charpente étant munie de moyens pour produire ledit mouvement de translation et le guidage dudit plateau, le plateau ayant une course sensiblement égale à celle des barres de contrôle à l'intérieur du coeur. Selon un mode préféré de réalisation, la charpente comprend à sa partie inférieure une bride circulaire dont le diamètre intérieur est au moins égal à celui du cercle circonscrit à l'ensemble des implantations des barres de contrôle, des colonnes verticales de guidage du plateau mobile, fixées à leur extrémité inférieure à ladite bride, lesdites colonnes étant fixées à leur extrémité supérieure à une deuxième bride, ladite deuxième bride comportant des moyens de mise en translation dudit plateau, ledit plateau comportant un orifice au droit de chaque tige de commande de barres de contrôle, l'extrémité de chaque tige pouvant pénétrer à l'intérieur de l'orifice correspondant, un organe de verrouillage de chaque tige étant associé à chaque orifice. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d-'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, une vue schématique en coupe et en élévation d'un réacteur nucléaire du type à eau pressurisée, déjà décrite, - sur la figure 2, une coupe en élévation du-dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, ce dispositif étant mis en place à la partie supérieure du réacteur, et - sur la figure 3, une Vue en coupe d'une partie du dispositif représenté sur la figure 2, et montrant en détails les moyens de verrouillage des barres de contrôle sur la structure intermédiaire. Sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation particulier du dispositif de rechargement pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, Pour la commodité du langage, ce dispositif sera appele ultérieurement montage amovible. Le montage amovible 30 comprend une charpente fixe constituée essentiellement par une bride inférieure circulaire 32, un plateau supérieur circulaire 34, ces deux éléments étant reliés par des colonnes verticales telles que 36 à section circulaire. Comme on l'expliquera ultérieurement, cette partie fixe du montage amovible est verrouillée sur la structure interne supérieure du réacteur. Le plateau supérieur 34 peut plus sim plement être constltue par une deuxième bride. Le montage amovible comprend également une partie mobile par rapport à la charpente fixe constituée essentiellement par un plateau mobile 38 percé sur sa périphérie d'alé- sages tels que 40 dans lesquels passent les colonnes verticales telles que 36 Le plateau 38 peut ainsi se déplacer selon une direction verticale entre une position inférieure correspondant à la bride inférieure 32 et une position supérieure correspondant au plateau supérieur fixe 34 en étant guidé par les colonnes verticales 36. Le montage amovible est bien sûr pourvu de moyens pour déplacer le plateau 38 par rapport à la charpente fixe.Ces moyens peuvent etre par exemple des chaines telles que 42 fixées sur le plateau mobile 38 passant sur des poulies de renvoi telles que 44 et 44' solidaires de la strucutre fixe et entrainées par une poulie telle que 46 solidaire de l'arbre d'un moteur 48 fixé sur le plateau supérieur 34. I1 va de soi que les moyens de commande de déplacement du plateau mobile 38 ne sont cités qu'à titre d'exemple, et qu'on pourrait imaginer bien d'autres systèmes d'entraînement tels que câbles, vis sans fin, etc La bride inférieure 32 du montage amovible est munie de dispositifs de verrouillage du montage amovible sur la structure interne supérieure du réacteur, et plus précisément sur la plaque haute 14 Ces éléments de verrouillage peuvent être par exemple constitués par une pièce mobile 50 articulée autour d'un axe 52 solidaire de la bride 32, et dont I'extrémité inférieure comporte un ergot 54 susceptible de pénétrer dans une gorge correspondante 56 ménagée dans la plaque supérieure de supportage de coeur 14.La pièce 50 peut être maintenue dans la position engagée (celle qui est représentée sur la figure 2) par des ressorts de rappel. t'ouverture des ergots 54 est par exemple obtenue lorsque le plateau mobile 38 est en position basse, grâce à un ergot tel que 58, solidaire du plateau 38 coopérant avec une rampe 60 ménagée à la partie supérieure de la pièce 50. I1 va de soi qu'on peut utiliser tout autre dispositif de verrouillage du montage amovible sur la structure supérieure interne assurant une grande sécurité. Le plateau mobile 38 comporte au droit de chaque tige de commande de barres de contrôle 22 un alésage tel que 62 per mettant le passage de l'extrémité supérieure des tiges de commande des barres de contrôle. A chacun des alésages 62 est associé un dispositif 64 de verrouillage des tiges de commande 22 sur le plateau mobile 38. Un exemple particulier de réalisation de ce système de verrouillage sera-décrit ultérieurement en liaison avec la figure 3. Le plateau supérieur 34 du montage amovible 30 comporte également des orifices tels que 66 au droit de chaque tige de commande des barres de contrôle et permettant le passage desdites barres de contrôle. I1 comporte également des organes tels que 68 coopérant avec des orifices tels que 71 ménagés dans le plateau mobile 38 permettant le verrouillage du plateau mobile 38 en position haute. te verrouillage est obtenu par exemple par rotation de la tête de commande 70 de l'organe 68 à l'aide d'une clé. Un tel type de verrouillage pourrait d'ailleurs être utilisé pour solidariser le montage amovible 30 sur la structure interne supérieure. Enfin, le plateau supérieur 34 du montage amovible 30 comporte des anneaux de manutention tels que 72. On va maintenant décrire les différentes étapes du procédé appliqué au cas du dispositif particulier décrit précédemment. Dans un premier temps, on enlève le couvercle 4 en défaisant les écrous 74 et en enlevant les goujons de fixation 76. On enlève bien sur en même temps les mécanismes de commande des barres de contrôle. Avant cette opération, les barres de contrôle sont amenées en position extrême basse, c'est-à-dire que les crayons absorbants des barres de contrôle sont entiere- ment introduits dans le coeur du réacteur. C'est la position dans laquelle on a représenté la barre de contrôle 22a. On introduit dans les trous filetés borgnes tels que 78, correspondant aux goujons de fixation 76, des tiges de guidage telles que 80. On met ensuite en place le montage amovible 30 qui est guidé par la pénétration des tiges de guidage 80 dans.les orifices pérlphériques 82 et 84 ménagés respectivementdans la bride 32 et le plateau supérieur 34. Le montage amovible 30 est verrouillé sur la plaque de supportage supérieur de coeur 14 par les dispositifs 50. Le plateau mobile 38 est abaissé dans sa position extrême basse représentée en pointillés en 38a Les têtes des tiges de commande des barres de contrôle font saillie à l'in térieur des orifices 62 du plateau mobile (position de la tige de commande 22a). Les tiges de commande sont verrouillées sur le plateau mobile par les dispositifs 64. A l'aide du moteur 48, on élève le plateau mobile 38 jusqu'à la position représentée en traits 'mixtes en 38b.Dans cette position les crayons absorbants 26 sont alors totalement sortis des assemblages combustibles (position 22b de la barre de contrôle). On enlève alors l'en- semble constitué par le montage amovible, la structure interne supérieure de la cuve du réacteur, et les barres de contrôle. On stocke I 'ensemble dans la piscine pour assurer la protection radiologique par une hauteur d'eau suffisante. Les assemblages combustibles sont alors directement accessibles à la manutention, on effectue le déchargement et le rechargement des assemblages combustibles, puis on remet en place l'ensemble préalablement enlevé an effectuant les opérations dans l'ordre inverse. I1 est bien évident que toutes les précautions sont prises pour éviter un pic de puissance dans le réacteur en cas d'erreur de I'op4rateur1 en particulier si la teneur en bore de l'eau de la piscine était insuffisante pour empêcher la divergence lors du retrait des barres de contrôle. La principale précaution à prendre est d'assurer une vitesse très faible pour la remontée du plateau mobile 38, et donc des barres de contrôle. Par exemple, une vitesse de l'ordre d'un millimètre par seconde est souhaitable. Cela représente une heure pour la remontée totale des barres de contrôle. Par ailleurs, des moyens de contrôle neutronique sont montés dans le coeur du réacteur après le retrait du couvercle. Ces moyens sont d'ailleurs déplacés dans et hors du coeur de façon identique à l'instrumentation normale du réacteur. La commande de levage du plateau 38 est reliée à ces moyens de contrôle neutronique à basse puissance, et le levage est arrêté dès qu'apparaît une anti-réactivité insuffisante. Sur la figure 3, on a représenté un exemple de réalisation des dispositifs 64 de verrouillage des têtes des tiges de commande des barres de contrôle sur le plateau mobile 38. Le dispositif de verrouillage comprend essentiellement une pièce 86 mobile autour d'un axe 88 solidaire du plateau 38. A l'une des extrêmités, la pièce 86 comporte un ergot 90 sus susoeptible de pénétrer dans la gorge 92 ménage dans la tige de commande 22. La pièce 86 est maintenue dans sa position de verrouillage grace au ressort 94. Le déverrouillage est obtenu par action sur le talon 96 de la pièce 86 de la partie mobile de l'electro- aimant 98. I1 faut bien sûr auparavant abaisser légèrement le plateau 38 pour provoquer le désengagement de l'ergot 90 de la gorge 88. I1 va de soi que le dispositif particulier décrit peut être remplacé par des mâchoires refermées par des ressorts et ouvertes par l'action de vérins hydrauliques ou pneumatiques, des cliquets ou doigts engrenant avec les tiges de commande sous l'action de ressorts et commandés à l'ouverture par les mêmes moyens que précédemment, ou un blocage des tiges de commande sur le plateau mobile par action directe d'un champ magnétique entre les deux éléments et obtenu par un aimant permanent ou un électro-aimant. REVENDICATIONS 1. Procédé de rechargement en combustible d'un réacteur nucléaire du type comportant une cuve fermée par un couvercle et qui contient des structures internes supérieures surmontant le coeur dudit réacteur et contenant des organes de guidage, des barres de contrôle, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on enlève le couvercle du réacteur après avoir désolidarisé celui-ci des barres de contrôle qui sont laissées en position basse, et on le stocke; - on amène les barres de contrôle en position haute et on solidarise celles-ci avec la structure interne supérieure; - on enlève l'ensemble constitué par la structure interne supérieure et les barres de contrôle, et on le stocke; - on remplace le combustible usé, et - on remet en place la structure interne supérieure, et le couvercle. 2. Dispositif de rechargement pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend une charpente comportant à sa partie inférieure des organes de verrouillage de ladite charpente sur la structure interne supérieure, et un plateau mobile susceptible de se déplacer en translation par rapport à ladite charpente selon une direction verticale, ledit plateau comportant des moyens pour solidariser les extrémités supérieures des tiges de commande des barres de contrôle avec ledit plateau, ladite charpente étant munie de moyens pour produire ledit mouvement de translation et le guidage dudit plateau, le plateau ayant une course sensiblement égale à celle des barres de contrôle à l'intérieur du coeur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite charpente comprend à sa partie inférieure une bride circulaire dont le diamètre intérieur est au moins égal à celui du cercle circonscrit à ensemble des implantations des barres de contrôle, des colonnes verticales de guidage du plateau mobile, fixées à leur extrémité inférieure à ladite bride, lesdites colonnes étant fixées à leur extrémité supérieure à une deuxième bride, ladite deuxième bride comportant des moyens de mise en translation dudit plateau, ledit plateau comportant un orifice au droit de chaque tige de commande de barres de contrôle, 1 'extrémité de chaque tige pouvant pénétrer à l'intérieur de l'orifice correspondant, un organe de verrouillage de chaque tige étant associé à chaque orifice. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce les moyens de mise en translation du plateau mobile sont constitués par au moins une courroie fixée sur ledit plateau et entraînée par un moteur fixé sur ladite deuxième bride. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de verrouillage de chaque tige de commande sur le plateau mobile sont constitués par un doigt mobile susceptible de pénétrer dans une gorge de ladite tige, ledit doigt étant commandé par un électro-aimant.