Brevet FR2321174A1 — publié le 19770311

La présente invention se rapporte à des barres destinées à la commande de réacteurs nucléaires et plus particulièrement à une barre d'une longueur partielle utilisable pour commander les oscillations de puissance. En outre, l'invention est relative à un procédé de fonctionnement d'un réacteur de ce type et à un réacteur équipé de ces barres. On sait très bien, en ce qui concerne la technique de production de puissance au moyen d'un réacteur nucléaire, que les réacteurs plus grands présentent une distorsion oscillatoire instable du flux de neutrons dans le sens axial. Ces oscillations de puissance se manifestent par suite des augmentations locales du flux de neutrons conduisant à la combus- tion complète" du xénon 135 (produit par la diminution radioactive de l'iode 135) qui accroît sa réactivité, ce qui aboutit à une autre distorsion du flux et ainsi de suite. Avec le temps, la concentration du xénon 135 commence à s'accroître en raison du niveau plus élevé du flux et le procédé entier est inversé. Antérieurement, différents essais ont été effectués pour obtenir des barres de commande spécialement conçues et dont le but est de commander ces oscillations de puissance produites par le xénon. L'un de ces essais antérieurs est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 081 248. Cette solution apportée au problème de la commande propose d'utiliser un organe ou barre de commande comprenant deux éléments d'absorption de neutrons, conçus de façon à être introduits dans différentes parties du coeur du réacteur, et réunis ou couplés de façon que le mouvement d'un élément à l'intérieur ou à l'extérieur du coeur du réacteur soit accompagné d'un mouvement correspondant de l'autre élément à l'extérieur ou à l'intérieur du coeur du réacteur, la barre étant réalisée de telle sorte que, grâce au mouvement différentiel des deux éléments, les flux des deux parties du coeur du réacteur soient relativement réglés sans affecter substantiellement le flux total. Toutefois, cette solution présente des difficultés qui la rende en général inacceptable pour l'industrie énergétique.L'une des difficultés consiste en ce que la barre de commande spéciale a une longueur dépassant celle de la partie active du réacteur, ce qui a entraîné nécessairement l'augmentation de la longueur de la cuve de pression entourant le coeur du réacteur. Des augmenintions inutiles des dimensions de la cuve de pression sont extrêmement coûteuses et sont évitées dans la mesure du possible. Une seconde difficulté est que chacune des barres de commande spéciales doit être actionnée au moyen d'un mécanisme de manoeuvre spécial qui ne peut pas être retiré lorsqu'un arrêt rapide du réacteur est requis. Une seconde solution de la technique antérieure apportée à la commande des oscillations de répartition de puissance à l'intérieur du coeur est décrite-au brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 825 160 et fait usage d'une barre de commande d'une longueur partielle. Par l'expression "longueur partielle", on entend la partie active absorbant les neutrons de la barre, par opposition aux barres de commande "ordinaires" prévues pour la commande entière de la puissance. Ces barres d'une longueur partielle sont commandées indépendamment des barres de commande principales et contiennent en général le poison pour les neutrons à la partie inférieure de la barre, dont la partie supérieure n'absorbe en substance pas les neutrons. Au cours du fonctionnement, la partie dite poison est normalement mise en place dans la zone centrale du coeur. Si ces barres peuvent être retirées dès qu'un arrêt rapide du réacteur est nécessaire, les barres tombent au fond du réacteur et le poison peut être déplacé d'une position d'une valeur de commande plus élevée à une position d'une valeur de commande plus basse. Ceci tend à augmenter la réactivité du réacteur précisément au moment où chaque effort est consenti pour réduire la réactivité.Par conséquent, l'utilisation des dispositifs de la technique antérieure pour le mouvement linéaire des barres de commande d'une longueur partielle des installations d'énergie nucléaire industrielles ne conduit pas à un système indéréglable. Simultanément, le déclenchement de plusieurs barres de commande d'une longueur partielle peut aboutir à une augmentation indésirable de la réactivité, à moins que toutes les barres d'une longueur entière soient déclenchées en même temps. Ainsi, l'emploi de ces barres d'une longueur partielle, relevant de la technique antérieure, exige l'utilisation d'un type différent de dispo sitif de manoeuvre linéaire qui est incapable de retirer les barres de commande d'une longueur partielle. Tel que ceci se dégage des considérations précitées, les solutions de la technique antérieure apportées à la commande des oscillations de puissance exigent deux mécanismes de manoeuvre distincts des barres de commande : un mécanisme de manoeuvre insérable et un mécanisme de manoeuvre non insérable. En plus du coût augmenté associé à lutlllsation de deux types distincts de mécanisme de manoeuvre dans chaque réacteur nucléaire, les solutions de la technique antérieure ont pour effet de diminuer la souplesse de la commande du réacteur. Ceci s'ensuit puisque les positions des barres d'une longueur partielle et de leurs mécanismes de manoeuvre sont fixes dès que ces mécanismes sont montés par soudage sur la cuve de pression du réacteur.Ainsi, les réalisateurs de ce réacteur n'ont pas la possibilité de relocaliser les barres d'une longueur partielle à partir de ces positions initialement fixes sans relocalisation et désassemblage coûteux et complexes des mécanismes de manoeuvre. Dans ces conditions, un but de la présente invention est de prévoir une barre d'une longueur partielle qui peut être insérée dans le coeur lorsqu'un arrêt rapide du réacteur est nécessaire, de sorte que la souplesse supplémentaire de la mise en place de la barre d'une longueur partielle peut être obtenue en déplaçant simplement la barre d'une longueur partielle d'un mécanisme de manoeuvre de barre de commande insérable à un autre mécanisme de manoeuvre de barre de commande insérable identique. La solution est décrite en détail ci-aprèst Ainsi, on dispose d'une barre d'une longueur partielle qui peut être montée sur un mécanisme de manoeuvre de barre de commande insérable et qui peut être insérée dans le coeur du réacteur lorsqu'un arrêt rapide de ce dernier est requis. La barre de commande d'une longueur partielle conforme à l'invention a une première et une seconde extrémité, avec une première matière absorbant les neutrons à sa première extrémité, une seconde matière absorbant les neutrons à sa seconde extrémité, située à une distance de la première matière absorbant les neutrons inférieure à la longueur du coeur1 et une troisième partie intermédiaire raccordant la première et la seconde matière absorbant les neutrons, la matière intermédiaire n'absorbant pas les neutrons en substance. La première matière absorbant les neutrons est une matière à grande section droite d'absorption de neutrons macroscopique. La seconde matière absorbant les neutrons a une section droite d'absorption de neutrons maeroscopique plus petite que celle de la première matière absorbant les neutrons.La seconde matière absorbant les neutrons est normalement mise en place dans la zone centrale du coeur pour commander la répartition de puissance par réduction des oscillations de puissance La première matière absorbant les'neutrons est normalement mise en place à l'extérieur du coeur du réacteur, où elle n'exerce que peu d'effet ou aucun effet sur le flux de neutrons du coeur du réacteur. Au moment où l'arrêt rapide du réacteur est exigé, la barre de commande d'une longueur partielle est insérée dans le coeur, des façon que tant la pre mière que la seconde extrémité de la barre de commande soient simultanément mises en place dans le coeur à ses extrémités opposées, ou de telle sorte qu'au moins une fraction de chacune des première et seconde extrémités soit simultanément mise en place dans le coeur. En particulier, la section droite d'absorption macroscopique réduite de la seconde matière absorbant les feutrons -est obtenue en utilisant une matière d'un indice de densité élevé, mais présentant une faible section droite d'absorption de neutrons microscop-que.Cette matière est 1' '^Inconel 600" ou 1' "Inconel. 625".Dans une barre-de commande de ce type, il est avantageux que la longueur de la seconde matière absorbant les neutrons corresponde à un ordre compris entre les 25 et 55 pour cent de la longueur du coeur, considéré dans le sens de l'extension de la barre. Une longueur optimale est égale aux 50 pour cent de la longueur du coeur. La première extrémité de la barre de commande d'une longueur partielle, contenant un poison d'une grande valeur pour le neutron, est de préférence non supérieure aux 20 pour cent de la longueur du coeur et peut se composer de carbure de bore (B4C) comme matière dite poison. La troisième partie ou partie intermédiaire de la barre de commande n'absorbe relativement pas les neutrons par rapport à la première et à la seconde extrit de la barre de commande et est un tube d' "Inconel" rempli d'une matière contenant de l'hydrogène, par exemple de l'eau. D'autres avantages de l'invention et une meilleure compréhension de celle-ci se dégagent de la description détaillée ci-après, établie en liaison avec le dessin annexé, où la figure est une vue en élévation et en coupe latérale du coeùr et de la cuve de pression d'un réacteur nucléaire, montrant la conception et la mise en place de la nouvelle barre d'une longueur partielle conforme à l'invention. La conception de la barre d'une longueur partielle décrite dans le présent mémoire est représentée à la figure. Le réacteur nucléaire 10 comprend en général un coeur 12 d'une longueur L, une cuve de pression 14, des mécanismes de manoeuvre 16 de barre de commande attachés aux tuyères 18 qui pénètrent dans la cuve de pression 14 du réacteur, ainsi que des barres 22 et 22' dtune longueur partielle L raccordées aux mécanismes de manoeuvre 16 au moyen d'éléments de jonction 20. Les barres de commande 22, 22' d'une longueur partielle, conformes à l'invention, ont deux zones d'absorption de neutrons 24 et 26. Les barres de commande normale d'une longueur entière (dont un exemple est désigné par 23) constituent un premier groupe de barres insérables dans le coeur pour la commande normale de la puissance du réacteur, et les barres 22, 22' d'une longueur partielle forment un second groupe de barres pour la commande des oscillations de puissance. La barre de commande 22 d'une longueur partielle est représentée dans sa position de commande normale, se situant approximativement au centre du coeur du réacteur. La barre de commande 22' d'une longueur partielle est reproduite dans sa position enfoncée ou entièrement insérée dans laquelle les deux sections 24 et 26 contenant du poison se situent dans le coeur 12 du réacteur, c'est-à-dire à ses extrémités opposées.Chaque barre de commande d'une longueur partielle 22, 22' peut être transférée d'une position entièrement extérieure à une position entièrement intérieure. Comme on peut le voir à la figure, les par ties 2 et 2 contenant du potion sont reliée par une jonction intermédiaire 28. Cette onction intermédiaire 28 agit comme un élément "palpeur" a poison. Dans l'exemple de réalisation préféré , l'élément "palpeur" 28 est un tube en "Inconel" rempli d'eau, conçu pour atteindre la valeur de commande de réactivité minimale susceptible d'être obtenue. D's lors, en utilisant un palpeur rempli d'eau, la valeur de commande effective maximale de la partie de commande inférieure 26 est obtenue. Dans l'une ou l'autre barre de commande 22, 22' d'une longueur partielle, la première partie 24 est à une première extrémité de la barre et se compose d'une première matière absorbant les neutrons. Une seconde partie 26 est à la seconde extrémité de la barre et est formée d'une seconde matière absorbant les neutrons. La seconde matière 26 absorbant les neutrons a de préférence une section droite d'absorption macroscopique plus petite que celle de la première matière 24 absorbant les neutrons. Pour les buts de la description, on entend par l'expression "section droite d'absorption macroscopique" le produit de l'indice de densité de l'élément particulaire en question par la section droite d'absorption de neutrons microscopique de l'élément en question.Par conséquent, une caractéristique avantageuse de l'invention est de munir la seconde partie 26 de la barre de commande 22, 22' d'une longueur partielle d'une section droite d'absorption macroscopique plus petite que celle de la première partie 24 en utilisant une matière d'un haut indice de densité, mais dont la section droite d'absorption de neutrons microscopique est petite. Cette combinaison est avantageuse, car elle résiste à l'épuisement du poison des neutrons plus aisément qu'un poison des neutrons résultant de la combinaison d'un indice de densité plus petit, mais d'une section droite d'absorption de neutrons microscopique plus grande. Une matière bien connue dans la technique de la conception des réacteurs nucléaires, laquelle satisfait à ces exigences, est l'alliage "Inconel 600". Dans l'ouvrage "Standard Handbook For echanical Engineers", de Baumeister et Marks, 7ème édition, 1 > "Inconel 600" a la composition suivante : 76 Ni - 0,04 C - 0,2 Mn - 7,20 Fe 0,2 Si - 0,1 Cu et 15,8 Cr. Une autre matière également acceptable est 1' 1,Inconel 625" (61 Ni - 21 Gr - 9 Mo). Dans la forme de réalisation préférée de la présente invention, la seconde matière absorbant les neutrons, située à la seconde extrémité ae la barre d'une longueur partielle, a de préférence une longueur comprise entre les 25 et 55 pour cent de celle de la zone active du coeur nucléaire. Cette barre a tune longueur partielle constituée d "Inconel 600" a une section d'absorption de neutrons plus longue et plus faible que celle précédemment utilisée dans la technique antérieure. Cette section d'absorption de neutrons plus longue et plus faible offre de nombreux avantages. Un avantage positif consiste en ce que la section d'absorption de neutrons plus longue et plus faible réduit la possibilité d'éprouver un manque de combustible nucléaire.Bien que le mécanisme du manque de chemisage de tige de combustible nucléaire par l'interaction du combustible n'ait pas eté entièrement expliqué, on admet en général que la grandeur et la vitesse de modification de la densité de puissance locale dans un grain de combustible sont des composantes importantes du mécanisme d'insuffisance. Gomme les grains de combustible subissent, dans le voisinage des barres de commande, de sévères modifications de la densité de puissance locale lorsque la pointe de la section de poison se déplace au-delà de celles-ci, ces tiges sont les premières sur les rangs pour le manque de chemisage induit par l'interaction. Dans les coeurs nucléaires modernes plus grands, les instabilités par rapport aux oscillations axiales du xénon sont attendues très tôt au cours de la longévité du combustible. Bien que ceci ne présente aucune difficulté opératoire, on exige la présence et le mouvement continu des barres d'une longueur partielle qui ont été prévues pour commander la répartition axiale de la puissance. Cette commande est réalisée en positionnant la partie plus longue et plus faible de la barre de commande d'une longueur partielle en substance au centre du coeur du réacteur. Lorsqu'un déséquilibre de flux de neutrons se produit à l'une ou l'autre des extrémités du noyau, la barre de commande d'une longueur partielle est déplacée dans la direction du flux de neutrons plus élevé pour réduire ce déséquilibre de flux de neutrons. L'interaction résultant du mouvement de la barre d'une longueur partielle est impliquée dans deux conditions de fonctionnement séparées. La première de celles-ci est le mouvement de la barre d'une longueur partielle à ltextérieur d'une zone où elle était insérée antérieurement, tel que ceci se produit pendant une commande de manoeuvre conséquente de la charge ou l'élimination de la barre d'une longueur partielle à partir du coeur. La seconde condition est le mouvement plus petit de la barre d'une longueur partielle nécessaire pour contrôler le déséquilibre de flux de neutrons ou les oscillations axiales du xénon.Un avantage escompté découlant de la barre d'une longueur partielle conforme à l'invention est que ltaugmentation de la densité de puissance locale, lorsque la barre d'une longueur partielle est retirée du centre du coeur, est largement moindre pour la barre d'une longueur partielle de la présente invention, en comparaison avec les barres d'une longueur partielle relevant de la technique antérieure. Le retrait d'une batterie de barres d'une longueur partielle â base de carbure de bore, relevant de la technique antérieure, est caractérisé par une augmentation de puissance de plus de 200 pour cent par rapport à la puissance originale au centre de la barre Le retrait des barres d'une longueur partielle de l'invention conduit à une augmentation relative de la puissance locale d'environ 50 pour cent uniquement. Pour le mouvement plus petit de la barre d'une longueur partielle nécessaire à la commande des oscillations axiales du xénon, l'augmentation de puissance relative à la pointe de la barre est plus grande dans les barres plus fortes relevant de la technique antérieure (150 pour cent pour les barres du type B4C contre 40 pour cent pour les barres de commande de la présente invention, pour un mouvement de 5 pour cent de la barre d'une longueur partielle). Par suite des différences importantes entre la valeur de réactivité des barres d'une longueur partielle de la technique antérieure et de la barre d'une longueur partielle conforme à l'invention, une chute accidentelle de la nouvelle barre d'une longueur partielle 22, 22' est une situation acceptable en comparaison avec la chute accidentelle de la barre d'une longueur partielle de 1 technique antérieure, laquelle était une situation inacceptable. Par suite de ces différences, les barres d'une longueur partielle relevant de la technique antérieure doivent être accrochées à des mécanismes de manoeuvre et actionnées par des mécanismes qui sont du type non insérable.Ceci a exigé que chaque réacteur soit équipé de deux types différents de mécanisme de manoeuvre, soit un type insérable pour les barres de commande régulières et un type non insérable pour les barres de commande d'une longueur partielle. Comme mentionné précédemment, les nouvelles barres de commande d'une longueur partielle permettent l'utilisation d'un seul type de mécanisme de manoeuvre qui est insérable. En plus du cot réduit nécessaire pour n'équiper le réacteur que d'un type de mécanisme de manoeuvre de barre de commande, un autre avantage résulte de la barre insérable d'une longueur partielle. Ce second avantage consiste en ce que les nouvelles barres d'une longueur partielle sont aisément interchangeables contre des barres de commande régulières, de sorte que les positions des barres de commande d'une longueur partielle peuvent être aisément modifiées conformément aux exigences imposées par les conditions de la longévité. Ceci évite la difficulté extrême d'exécuter la tâche difficile de transposition des mécanismes de manoeuvre. Un autre avantage que l'on peut retirer de l'utilisation de la nouvelle barre d'une longueur partielle est qu'en raison de la valeur effective plus basse de cette nouvelle barre, lteffet exercé sur la pointe de puissance dû au retrait de la barre d'une longueur partielle à partir d'un noyau qui a été épuisé par des barres d'une longueur partielle, au lieu de les insérer dans un coeur qui n'inclut pas de barres d'une longueur partielle, est réduit. Ceci amoindrit l'impact sur la marge thermique, de sorte que des marges thermiques plus petites doivent nécessairement être maintenues dans le but de tenir compte de ces deux types de mouvement de la barre d'une longueur partielle. La partie supérieure 24 de la barre d'une longueur partielle se compose de préférence de grains d'un poison violent, tels que du carbure de bore (B4C), contenu dans une che mise ou tube en "Inconel". En outre, la partie supérieure 24 a de préférence une longueur correspondant au maximum aux 20 pour cent de la longueur de la zone active du coeur. En limitant la partie supérieure 24 aux 20 pour cent de la longueur active du coeur, la possibilité est donnée d'insérer la barre d'une longueur partielle 22, 22 jusqu'aux 80 pour cent de sa longueur pour la commande des oscillations de puissance du xénon, sans affecter défavorablement la puissance de l'extrémité supérieure du coeur 12 par l'insertion du poison de haute valeur 24. La présence de la partie supérieure 24 conduit à une barre de commande d'une longueur partielle qui peut être insérée dès qu'un arrêt rapide du réacteur est exigé. L'effet net de l'insertion de cette barre de commande d'une longueur partielle est une contribution à la réactivité résiduelle plutôt qu'un effet provoquant une diminution de la réactivité résiduelle, tel que ceci peut s'être produit lors de la chute de la barre de commande d'une longueur partielle relevant de la technique antérieure. Par conséquent, la marge résiduelle disponible du réacteur entier est augmentée par l'utilisation des barres d'une longueur partielle conformes à la présente invention. REVENDICATIONS 1. Barre de commande dont la première et la seconde extrémité sont destinées à la commande de la répartition de la puissance dans un réacteur nucléaire équipé dtun coeur d'une longueur active L, les deux extrémités de la barre de commande ayant des caractéristiques d'absorption de neutrons différentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une première partie à sa première extrémité se composant d'une première matière absorbant les neutrons ; une seconde partie à sa seconde extrémité constituée d'une seconde matière absorbant les neutrons, située à une distance de la première partie inférieure à la longueur L ; et une troisième partie comprise entre la première et la seconde partie, cette troisième partie se composant d'une matière n'absorbant pas en substance les neutrons. 2. Barre de commande suivant la revendication I, caractérisée en ce que sa longueur est équivalente à la longueur active L ou est inférieure à celle-ci. 3. Barre de commande suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la seconde matière absorbant les neutrons a une section droite d'absorption de neutrons macroscopique plus petite que celle de la première matière absorbant les neutrons. 4. Barre de commande suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la première matière absorbant les neutrons est du carbure de bore (B4G). 5. Procédé de fonctionnement d'un réacteur nucléaire équipé de barres de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qutil consiste à mettre en place les narres de commande d'une longueur partielle en partie dans le coeur, de façon que la seconde matière absorbant les neutrons se situe en substance au centre du coeur; à déplacer les barres de commande d'une longueur partielle dans la direction de tout déséquilibre du flux de neutrons pour réduire ce dernier ; et a insérer les barres de commande dtune longueur partielle dans le coeur au moment de l'appari- tion de conditions exigeant l'arrêt immédiat du réacteur, de façon qu'au moins une fraction de chacune des première et seconde extrémités soit simultanément mise en place dans le coeur. 6. Réacteur nucléaire comprenant un premier groupe de barres de commande insérables dans le coeur pour commander la puissance du coeur du réacteur nucléaire et un second groupe de barres de commande selon -les revendications 1 à 4, et comprenant aussi plusieurs mécanismes de manoeuvre de barre de commande pour insérer et retirer chacune des barres de commande du premier groupe, caractérisé en ce que le second groupe de barres de commande est équipé du même type de mécanisme de manoeuvre que le premier groupe. 7. Réacteur-nucléaire suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le second groupe de barres de commande peut être transféré, au moyen de leurs mécanismes de manoeuvre,- d'une position où le second groupe de barres de commande est entièrement retiré du coeur du réacteur, à une position o; le second groupe de barres de commande est entièrement inséré dans le coeur du réacteur. 8. Barre de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la seconde matière absorbant les neutrons a une section droite d'absorption macroscopique plus petite que celle de la première matière et a un indice de densité élevé, mais une section droite d'absorption de neutrons microscopique plus basse. 9. Barre de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 8, caractérisée an ce que la première partie a une longueur égale ou inférieure aux 20 pour cent de la dimension du coeur du réacteur, en considérant l'extension de la barre. 10. Barre de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, 8 et 9, caractérisée en ce que la grandeur de la seconde partie est comprise entre les 25 et 55 pour cent de la longueur L. 11. Barre de commande suivant la revendication 10, caractérisée en ce que la grandeur de la seconde partie est égale aux 50 pour cent de la longueur L. 12. Barre de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 8 à 11, caractérisée en ce que la matière n'absorbant pas les neutrons comprend de lthydrogène. 13. Barre de commande suivant la revendication 12, caractérisée en ce que la matière comprenant de l'hydrogène est de l'eau. 14. Barre de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 8 à 13, caractérisée en ce que la seconde partie est formée d'un alliage se composant d' 1'Inconel 625". 15. Barre de commande suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 8 à 13, caractérisée en ce que la seconde partie est formée d'un alliage se composant d' "Inconel 600". 16. Barre de commande suivant la revendication 13, caractérisée en ce que la troisième partie est constituée d'un tube en "Inconel 625.