Brevet FR2277413A1 — publié le 19760130

L'invention concerne un réacteur nucléaire comportant un coeur constitué d'un ensemble d'éléments combustibles de forme allongée remplacés par groupe après les cycles de combustion et des barres de commande servant au réglage de la puissance du réacteur et pouvant autre, par un côté, introduites dans le coeur dans le sens longitudinal des éléments combustibles, lesguels, pour uniformiser la répartition de la puissance sur le coeur du réacteur, sont munis de poisons combustibles. Les demandes de brevet RFÂ 1 909 109 et 1 948 819 présentent comme appartenant à cette catégorie de réacteurs, un réacteur à eau bouillante dans la conception duquel on s-' est efforcé d'obtenir une uniformisation maximale de la répartition de la puissance sur le coeur. Les poisons combustibles utilisés & cet effet, le gadolinium par exemple, sont incorporés aux bar. reaux ombustibles des faisceaux d'éléments combustibles. Leur concentration est choisie différemment en fonction de la position du barreau combustible dans le coeur du réacteur, et ce, non seulement dans le sens radial, c'est-à-dire en fonction de la distance à l'axe du réacteur, mais également dans le sens axial, perpendiculairewent au sens radial. Cela complique à la fois la fabrication des barreaux combustibles et celle du coeur du réacteur. L'utilisation de poisons combustibles prévue par l'invention, par contre, n'a pas pour but une uniformisation optimale de la répartition de la puissance, mais l'obtention d'une uniformisation en dessous de l'optimal qui améliore les possibilités de réglage du réacteur en régime normal d'exploitation. Â cet effet, les poisons combustibles sont placés dans des éléments combustibles provenant d'un cycle précédent et sont répartis sur tout au plus 20 ffi de la longueur des éléments combustibles en partant du côté tourné vers les barres de commande. il est avantageux que les poisons combustibles ne se trouvent que du c8té tourné vers la sortie du réfrigérant qui, normalement, est à la partie supérieure du coeur du réacteur. Totalement à l'inverse de ce que prévoient les demandes de brevet précitées, l'invention adopte une disposition unilatérale des poisors combustibles èt aussi leur répartition sur un cinquième seulement du volume du coeur du réacteur. Cette disposition, comme l'ont montré des recherches poussées, doit amliorflr considérablement les possibilités de réglage, parti culièrement sur les grands réacteurs réalisés sous la forme de réacteurs à eau pressurisée. Ie raison en est que les éléments combustibles provenant d'un cycle de combustion précédent wé- sentent, du côté où les barres de commande sont introduites dans le coeur du réacteur et où le réfrigérant est le plus chaud, une réactivité plus grande que de l'autre côté, ceci avant tout en raison du dispositif de guidage des barres de commande habi tuellement utilisé pour le réglage à la puissance en raison de la différence de combustion axiale due à la réaction de réactivi té de l'écart de réchauffement du réfrigérant. Cette plus grande réactivité est compensée par les poisons combustibles prévus par l'invention et de ce fait, même les accroissements rapides de puissance, pour lesquels les barres de commande sont presque sorties ou même entièrement sorties du coeur du réacteur, n oc- casionnent aucune pointe de puissance locale inadmissible.En s'accommodant de cette réduction de production de puissance régulière à une extrémité d'un groupe d'éléments combustibles, on augmente les possibilités de réglage du réacteur dans de telles proportions que le nouveau réacteur peut sans aucune restric tion être utilisé pour soutenir la fréquence de réseau en régime séquentiel de charge. Les poisons combustibles sont de préférence logés dans des barreaux spéciaux. Il ne s'agit pas seulement là d'adopter pour les éléments combustibles, à la place des barreaux combustibles, le twpe de construction usuellement utilisé pDur les réacteurs à eau légère, mais aussi de réaliser des constructions suffisamment longues pour que les poisons combustibles puissent être in troduits dans la zone prévue par l'invention.Quoi qu'il en soit, la disposition dans des barreaux spéciaux prévue pour les poisons combustibles, disposition qui va à l'encontre des de mandes de brevet précitées, permet de doter, rapidement et sans transit par une fabrique spécialisée, de poisons combustibles, les éléments combustibles qui proviennent d'un coeur de réac teur et qui, lors de la permutation et du rechargement de nou veaux éléments combustibles doivent être pourvus de poisons. il n'est pas nécessaire que les poisons combustibles aient une action extrêmement forte, il suffit qu'ils absorbent une réactivité initiale de 1 h. On utilise de préférence des substances devenant inefficaces au bout de 3 ou 4 mois d'ex ploitation normale. Par exploitation normale, on entend un fonctionnement au moins à 50 ffi de la puissance nominale du réacteur, 'expérience a montré qu'après ce délai, l'égalisation de la puissance obtenue entre les différents éléments combustibles était suffisante pour permettre de faire face aux pointes de charge nécessaire au soutier de fréquence en régime séquentiel de charge, et ce, même sans poisons combustibles. L'invention est décrite plus en détail à l'aide d'un mode de réalisation pris comme exemple et illustré par le dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 et 2 représentent respectivement une coupe verticale et une vue de dessus schématisées de l'enceinte sous pression d'un réacteur à eau pressurisée dont le coeur a la structure prévue par l'invention - la figure 3 représente un élément combustible individuel du coeur du réacteur. Le réacteur à eau pressurisée représenté, d'une puissance de 1 000 MWe par exemple, comporte une enceinte sous pression constituée par une partie inférieure 2 et un couvercle 4 qui lui est raccordé par les brides 3. L'enceinte sous pression 1 du réacteur renferme, installé dans une cuve 5, un coeur 6, composé d'éléments combustibles 8, allongés, de section carrée et disposés verticale ent. Le coeur du réacteur peut comporter de 100 à plus de 200 éléments combustibles constitués de barreaux combustibles munis de blocs de montage les enchâssant à leur extrémité Ces barreaux combustibles sont des tubes métalliques soudés de façon étanche après introduction des tablettes contenant de l'uranium. La puissance développée dans le coeur 6 du réacteur du fait de la fission nucléaire provoquée par les neutrons est réglée par les barres de commande 10 qui agissent par la substance absorbante de neutrons qu'elles contiennent (carbure de bore par exemple) -et dont le déplacement suivant l'axe lorgitudinal des éléments combustibles 8 est réglable. Les mécanismes Il qui les actionnent sont solidaires des piétements 12 qui pénètrent dans le couvercle 4 de l'enceinte sous pression. Les barres de commande 10 sont par conséquent, pour le réglage de la puissance du réacteur, introduites dans le coeur 6 du réacteur ou extraites de celui-ci à partir de la partie supérieure. La chaleur produite dans le coeur du réacteur 6 par la fission nucléaire est évacuée par de l'eau à haute pression qui traverse le coeur du réacteur dans le sens des flèches 15. A la sortie de 1 'enceinte sous pression 1, l'eau gagne par une tuyauterie 16 un générateur de vapeur non représenté, à partir duguel une pompe de réfrigérant principale, également non représentée, la refoule par la tuyauterie 17 dans l'enceinte sous pression. Durant la production thermique, le coeur 6 du réacteur diminue sa réactivité. Il faut donc qu'après un délai dit cycle de combustion, qui peut être d'une année par exemple, le réacteur soit rechargé. A cette occasion, la plupart des éléments combustibles 8 du coeur du réacteur sont réutilisés. Ces élt- ments combustibles sont désignés par 8' sur la vue en plan de la figure 2 et comme on peut le voir ils sont situés à peu près au centre du coeur du réacteur 6 et sont généralement répartis en échiquier. D'après l'invention, ces éléments combustibles sont dotés de poisons combustibles. On voit, sur la figure 3, qu'entre les barreaux combustibles 20 le l'élément combustible 8' représenté schématiquement en perspective et à échelle agrandie, dix barreaux 22 émergent sur la face supérieure du bloc de montage, ces barreaux 21 s'étendant parallèlement aux barreaux combustibles 20 et occupant 20 % de la hauteur H de l'élément combustible 8'. Les barreaux 22 peuvent être constitués par des tubes renfermant du gadolinium ou un autre poison combustible. Ce poison peut être introduit sous forme de barres dans les tubes. Il est aussi possible de placer ce poison sous forme de granulés ou de poudre dans des tubes métalliques. Une autre possibilité de réalisation de l'invention consiste à utiliser des segments métalliques massifs au métal desquels on ajoute le poison combustible.Les barreaux 22 peuvent avoir un diamètre nettement plus petit que celui des barreaux combustibles 20 et se répartir de ce fait dans les intervalles laissés libres par ceux-ci. Ils peuvent aussi être réalisés sous forme de tubes enveloppant concentriquement les barreaux combustibles 20, avec les perçages nécessaires pour la circulation du fluide de refroidissement. Le cas échéant, les tubes de guidage constituant l'ossature de l'élément combustible peuvent, dans la zone prévue par l'invention, être munis de poisons combustibles. Grâce à l'invention, les éléments combustibles "anciens" 8', c'est-à-dire issus d'un cycle précédent, ne subissent, en particulier à la partie supérieure, aucune surcharge thermique locale (même lors des augmentations rapides de puissance) lorsque les barres de commande 10 servant au réglage de la puissance sont entièrement sorties du coeur du réacteur. Dans ce cas, les poisons combustibles placés à la partie supérieure (zone 0,2 H) des éléments combustibles exercent une action qui compense le fait gu'en service normal les barres de commande se trouvent,certes, sur le bord supérieur du coeur 6 du réacteur, mais y assurent encore une protection suffisante des éléments combustibles 8 pour qu'à la fin d'un cycle de combustion, la réactivité soit sensiblement plus forte à la partie supérieure d'un élément combustible que dans la zone du bloc de montage 24. Dans l'exemple d'exécution on a représenté, dans le coeur 6 du réacteur, neuf éléments combustibles 8' gui ont déjà subi un cycle de combustion. Le nombre d'éléments, toutefois, se détermine d'après le nombre total des éléments 8 du coeur 6. Ce nombre représente normalement environ les 213 de tous les éléments combustibles 8 - clest-à-dire ces éléments 8' qu'on associe aux barreaux 22 comportant le poison combustible. On peut tout ois réaliser l'invention de façon telle que d'autres barreacomportant les poisons combustibles sont prévus dans d'autres éléments combustibles 8 à proximité des éléments combustibles 8'. Etant donné que dans la forme d'exécution selon la figure 3, chague élément combustible 8' comporte dix barres 22, presqu'une centaine de ces barres 22 sont en tout réparties dans le coeur du réacteur. Leur efficacité doit être suffisante pour absorber en gros environ 1 0/oo de la réactivité initiale du coeur de réacteur 6. Cela suffit pour compenser la "surréacti vit6" locale initiale qui, de toute façon, est consommée après un trimestre d'exploitation normale à 50 % de puissance nominale ou plus, de sorte que le poison combustible peut l'être aussi. Pour qu'il en soit ainsi, il faut procéder à un choix approprié de la qntité, a. la disposition et de la nature des poisons c0buetib1ês. REVENICASIONS 1- Réacteur nucléaire, en particulier réacteur à eau pressurinée, comportant un coeur constitué d'un ensemble d'éléments combustibles de forme allongée remplacés par groupe, après les cycles de combustion et des barres de commande servant au régla ge de la puissance du réacteur et pouvant être par mi c^ué, cl;; particulier par le haut, introduites lans le coeur dans le sens longitudinal des éléments combustibles, lesquels, pour uniformiser la répartition de la puissance sur le coeur sont munis de poisons combustibles, caractérisé par le fait que les poisons combustibles sont placés dans des éléments combustibles venant d'un cycle de combustion précédent et sont répartis sur tout au plus 20 ffi de la longueur des éléments combustibles én partant du côté tourné vers les barres de commande4 2.- Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caracté SOn7j risé par le fait que les poisont combustibles/logés dans des barreaux spéciaux. 3.- Réacteur nucléaire Eelon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les poisons combustibles absorbent ensemble une réactivité initiale de 1 O/oo. 4.- Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que les poisons combustibles utilisés deviennent inefficaces au bout de 3 ou 4 mois d'exploitation normale.