Brevet FR2410869A1 — publié le 19790629

La présente invention a trait aux réacteurs nucléaires à haute température du type à boulets - Elle concerne spécialement la structure du réflecteur latéral de tels réacteurs. Un réacteur à boulets est essentiellement constitué par une cuve en graphite de l'ordre d'un mètre d'épaisseur qui cons titue le réflecteur de neutrons, remplie de boulets sphériques en graphite contenant le combustible nucléaire. Sa forme. ge'nérale est cylindrique ou prismatique et le fond est conique ou pyrami dal de manière à permettre le déchargement des boulets par gravi té en dirigeant ceux-ci vers un orifice central conçu à oet effet. L'ensemble est placé dans une enceinte de. protection en'béton. Compte tenu d'une part' de la relative proximité du combustible et vautre part de l'intensité du .flux neutronique rapi- de rencontrées dans ce -type de réacteur, les; couches de réflèc- teur les plus proches du coeur sont soumises à un bombardement intense qui occasionne des dommages devenant- inacceptables au bout de quelques années (effet Wigner). Il, convient. donc de procéder, après un certain temps 'd' irradiation, (de l'ordre de 5 ans) au remplacement des blocs internes qui sont les plus endommagés. Les réflecteurs (supérieur, inférieur et latéral) étant constitués de blocs prismatiques, ne peuvent, par conséquent, être remplacés au moyen de la machine de manutention du combustible, qui est adaptée au transfert de combustible sphérique. Des solu- tions existent pour permettre le renouvellement des parties supé- rieure et inférieure des réflecteurs, mais aucune solution satis- faisante n'a été 'proposée jusqu'à ce jour pour la partie latérale. La présente invention a précisément pour objet une struc ture de réflecteur latéral pour réacteur à haute température du type à boulets qui permet de pallier les inconvénients précédents en inintenant en place, deux à trois fois plus longtemps que dans les .dispositions de l'art connu, la partie endomrilageable. de la structure du réflecteur latéral avant qu'il ne devienne nécessaire de la remplacer. Cette structure de réflecteur 'latéral renouvelable pour réacteur du type à boulets comprenant tinte cuve de graphite cylindrique qui oonstitue le réflecteur de neutrons, ladite cuve étant remplie de, boulets en graphite contenant le combustible nucléaire et étant entourée d'un caisson de protection. en béton, se caracté- rise en ce que la zone périphérique interne de la cuve est constituée d'une rangée de barres de graphite adjacentes montées rotatives autour de leur axe longitudinal et manoeuvrables en rotation depuis l'extérieur du caisson en béton par l'intermédiaire d'un arbre traversant ledit caisson. On voit donc que pour l'essentiel, l'invention consiste à garnir la partie interne du réflecteur latéral d'une nappe ou rangée de colonnes de graphite capables de tourner autour de leur axe vertical de manière à présenter successivement tout leur périmètre au flux neutronique provenant du coeur. La rotation des colonnes qui, en fonction de leur section droite, peut être simultanée, ou s'opérer successivement dans un ordre déterminé, intervient périodiquement (par exemple une fois tous les 5 ans) Selon une autre caractéristique importante de la présente invention, chaque barre de graphite de la zone périphérique est constituée par l'empilement d'un certain nombre d'éléments unitaires solidarisés les uns aux autres par des systèmes à pions ou à clavettes. Cette disposition est intéressante car elle limite la déformation en forme d'arc que peut prendre sous l'effet Wigner chacune des colonnes puisque les différents éléments unitaires consécutifs subissent alors leur déformation propre indépendamment les uns des autres. On a vu que, selon l'invention, chacune des barres de graphite mobile de la zone périphérique était accouplée à un arbre de manoeuvre débouchant à l'extérieur du caisson de protection en béton ; avantageusement et selon l'invention, la liaison de chaque barre de graphite mobile avec l'arbre de manoeuvre correspondant est réalisée par un dispositif du genre joint de Holdam autorisant de légers de'salignements angulaires entre ledit arbre et l'axe de ladite barre. La structure objet de la présente invention peut être mise en oeuvre à l'aide de barres de graphite tournantes pour la zone périphérique dont les sections sont de différentes formes possibles. Dans un premier mode de mise en oeuvre, chaque barre de graphite de la zone périphérique est de section circulaire et est logée en partie dans un secteur curviligne de la surface du graphite réflecteur. Dans un mode de réalisation de ce genre, la cuve de graphite est de préférence cylindrique de section circulaire. Dans un autre mode de mise en oeuvre de la structure objet de l'invention, la cuve de section droite hexagonale est constituée par l'assemblage de colonnes prismatiques hexagonales clavetées radialement au milieu de leurs faces communes et la rangée de barres de graphite de la zone périphérique interne est constituée de barres non clavetées à section hexagonale curviligne. Dans ce mode de mise en oeuvre, les barres des colonnes fixes qui sont disposées en contact immédiat avec les barres mobiles de la rangée périphérique comportent également une ou deux faces curvilignes concaves pour autoriser la rotation des barres mobiles de la périphérie lors de leur changement de position. Dans ce même mode de mise en oeuvre, les différentes barres adjacentes de la rangée périphérique interne se verrouillent les unes 'les autres à l'exception de trois d'entre elles situées aux sommets de l'hexagone de section de la cuve , elles doivent par conséquent, lorsqu'on veut changer leur orientation, être mises en rotation de proche en proche à partir de ces sommets. Dans un troisième mode de mise en oeuvre de l'invention, on combine à la fois les avantages de la section circulaire pour la cuve avec oeux résultant de l'emploi des barres tournantes hexagonales curvilignes. A cet effet, la cuve en graphite étant de forme générale cylindrique de section circulaire et crénelée sur sa paroi interne pour recevoir la rangée de barres tournantes de la zone périphérique interne, celle-ci est constituée d'une couronne circulaire de barres hexagonales curvilignes engagées les unes dans les autres. Dans ce mode de mise en oeuvre, la oour- bure de la section droite de la cuve conduit à un certain décalage angulaire de l'orientation de chacune des barres vis-à-vis de la barre voisine. Les dimensions courantes d'un réacteur à boulets sont telles que l'on peut facilement réduire oe décalage angulaire à quelques degrés au maximum, ce qui est tolérable et n'affecte ni l'efficacité ni la faisabilité de l'ensemble. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de divers modes de mise en oeuvre de la structure renouvelable pour réacteur à haute température à boulets, description qui sera faite à titre non limitatif en se référant aux figures 1à 9 ci-jointes, sur lesquelles - la figure 1 représente en coupe élévation selon l'axe, un réacteur à boulets à haute température d'un type en soi connu et auquel peut s'appliquer la présente invention - la figure 2 représente en coupe élévation selon llaxe, un réacteur à boulets muni de la structure conforme à l'invention ;; - la figure 3 est une coupe selon la ligne XX de la figure 2, montrant sur la même figure deux forme possibles de réalisation de la cuve à savoir à gauche du plan YY, une cuve de profil hexagonal représentant le deuxième mode de mise en oeuvre de 1' in- vention, et à droite de ce meme plan YY, une cuve de profil circulaire représentant le premier mode de mise en oeuvre - les figures 4 et 5 montrent deux mode différents de jonction des éléments unitaires constitutifs de chacune des barres de graphite de la rangée périphérique, ainsi que les joints de Holdam assurant la liaison de ces barres avec l'arbre de commande correspondant ;; - la figure 6 décrit le deuxième mode de mise en oeuvre de la structure objet de l'invention, dans lequel les barres fixes de la cuve sont hexagonales clavetées et les barres mobiles hexagonales curvilignes - la figure 7 représente l'ensemble de la rangée périphérique des barres hexagonales de la figure 6 et leur mode de mise en rotation - la figure 8 représente le troisième mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel la cuve est circulaire et la rangée de barres périphériques mobile est composée de barres hexagonales curvilignes Sur la figure 1, on a représenté un réacteur à haute température du type à boulets correspondant à l'art connu sur lequel on trouve l'enveloppe en béton 1 et la cuve 2 composée du réflecteur latéral 3 et de la partie inférieure du réflecteur 4.Le coeur proprement dit du réacteur est constitué d'un certain nombre de boulets tels que 5, empilés à l'intérieur 6 de la cuve 2. La dalle supérieure de béton 7 comporte un certain nombre d'orifices de chargement tels que 8 et de cheminées telles que 9 pour l'introduction de barres de controle dans le coeur 6. L'extraction des calories qui sont produites par la réaction en chaîne dans le coeur 6 est réalisée par une circulation de gaz neutre, généralement de l'hélium, qui pénètre dans la partie supérieure par le conduit 10, suit le trajet des flèches F, traverse l'emvilement des boulets de combustible du coeur 6, passe dans les canaux d'évacuation 11 situés dans la partie basse du réflecteur 4 après s'être réchauffé dans le coeur 6 pour sortir finalement par le conduit 12 vers l'extérieur. Les boulets de combustible nucléaire usagés sont déchargés par l'orifice inférieur 13 muni d'une vanne 14. Comme indiqué précédemment, la partie du réflecteur latéral 3 située à la périphérie interne de la cuve et qui est évidemment très exposée au flux de rayonnement issu de la réaction en chaîne subit des déformations importantes par effet Signer et son remplacement doit être envisagé assez rapidement. Dans une structure classique du genre de celle de la figure 1, le dispositif de déchargement ai réacteur qui est adapté à l'éva- cuation par gravité des boulets usagés à travers le conduit 13 ne peut être d'aucun secours pour assurer le renouvellement de cette partie périphérique interne du réflecteur latéral 3, lequel est constitué d'un certain nombre d'éléments prismatiques 15. La structure, objet de la présente invention, et qui est représentée dans son ensemble sur la figure 2 résout ce problème en ce sens qu'elle comporte sur toute la partie périphérique du réflecteur latéral 3 une nappe de colonnes tournantes 16 montées chacune sur une pivoterie 17 et s' appuyant sur le fond du caisson 1 de façon à pouvoir être mises en rotation autour de leur axe longitudinal par un arbre de commande 18 débouchant à la partie externe de ce même caisson en béton 1. Selon l'invention, chacune des col-onnes tournantes 16 est composée d'un certain nombre d'éléments unitaires tels que 19 clavetés les uns aux autres comme il sera décrit ultérieurement sur les figures 4 et-5. Les arbres 18 comportent à leur extrémité externe un dispositif 20 du genre "carré" ou "six pans", ou "fente de vis", de manière à permettre leur mise en rotation au moyen d'un dispositif approprié et leur blocage en période d* fonctionnement normal Ces extrémités d'arbres sont également munies dtun repaire qui permet de connaître l'orientation de chaque colonne par rapport à son orientation initiale au -moment de la mise en fonctionnement du réacteur.Les extrémités externes de ces arbres sont également protégées par un capuchon 20a de manière à éviter toute fuite de gaz par ltespace annulaire compris entre 1' arbre 18 et son logement. Des joints tournants peuvent être éventuellement ménagées pour assurer cette étanchéité au cours des opérations de rotation des barres, bien qu'il soit indiqué d'effectuer celles-ci alors que le caisson est dégonflé. La liaison entre chaque arbre 18 et l'élément supérieur 2e chaque colonne tournante est réalisée par un joint de Holdam ou tout autre dispositif analogue 21 pour permettre la transmission correcte du mouvement de rotation malgré de légers désalignements susceptibles d'apparaltre en fonctionnement entre l'arbre 18 et la colonne correspondante 16 (tolérance de construction, dilatation différentielle, etc...). Apyres une période d'irradiation suffisante (5 ans par exemple) et de préférence après avoir vidangé le réacteur de ses boulets combustibles, on provoque la rotation des colonnes 16 d'un demi-tour, ce qui les rend aptes à subir une nouvelle période d'irradiation de l'ordre de cinq ans, ceci tout au moins dans l'hypothèse où les différentes colonnes sont constituées de cylindres à section droite circulaire, comme indiqué sur la partie droite de la figure 3. Sur la figure 3 qui est une ooupe selon XX du réacteur de la figure 2, on a représenté deux variantes de mise en oeuvre de la structure objet de l'invention, qui diffèrent essentiellement par la forme des colonnes 16 employées. Sur la partie droite de la ligne YY de la figure 3, on a décrit le premier mode de mise en oeuvre qui consiste à utiliser des barres à section droite circulaire, logées dans des rainures verticales semi-cylindriques 22 s'étendant sur toute la hauteur de la paroi interne du réflecteur latéral 3. La cuve 2 est un cylindre droit à base circulaire. Sur la partie gauche de la figure 3 au contraire, la section droite de la cuve est hexagonale et les barres la constituant sont hexagonales clavetées les unes aux autres radialement sur chacune de leurs faces communes, conformement aux dispositions du brevet français 1 214 246 déposé le 18/10/58 par la demanderesse. Cet ensemble détermine alors la section générale hexagonale de la cuve. Dans ce mode de mise en oeuvre, la rangée périphérique interne de barres tournantes 16 est constituée de barres de section curviligne hexagonale. Les figures 4 et 5 montrent l'agencement des différents éléments unitaire's tels que 19 a, 19b et 19c constitutifs de chaque colonne selon un système à clavettes telles que 23 sur la figure 4 ou à pions tels que 24 sur la figure 5, les deux systèmes pouvant d'ailleurs bien entendu être utilisés conjointement en combinaison. L'intérêt de cette constitution à partir d'éléments unitaires tels que 19a, 19b et 19c sur les figures 4 et 5 de chacune des colonnes tournantes 16 réside dans le fait qu' il permet de limiter les déformations en arc que pourrait etre amenée à prendre une colonne 16 d'un seul tenant sous l'effet de l'irradiation Wigner.Sur ces mêmes figures 4 et 5, on a représenté en 21 un mode de réalisation possible d'un joint de Holdam comportant un système de tenons et mortaises 25 à angle droit, le joint 21 lui-même étant rendu solidaire, par les tétons 26 solidaires du tenon 25, et la fente 27, de l'arbre 18 de mise en rotation de l'ensemble.Autrement dit, dans cette réalisation, on peut facilement désolidariser, si on le désire, chaque arbre 18 de l'élément unitaire 19a correspondant, le joint 21 restant fixé à la partie inférieure de l'arbre 18 lorsqu'on soulève ce dernier, On voit également sur la figure 4 l'élément unitaire 19 c situé à la base d'une colonne et reposant par la pivoterie 17 sur le fond interne du caisson en béton 1. Une bague métallique 28 située entre la base de l'élément 19c et la pivoterie 17 proprement dite permet obturer les canaux qui résultent du rapprochement entre les faces concaves des colonnes tournantes 16, supposées dans l'exemple représenté de forme hexagonale curviligne et les rainures du réflecteur -fixe. Sur la figure 6, on a représenté à plus grande échelle le deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel la cuve est constituée par l'ensemble des colonnes prismatiques hexagonales fixes telles que 30 maintenues en position par des clavettes radiales 31 disposées au milieu de chacune des faces communes aux différentes barres 30-. Cette disposition est d'ailleurs celle qui est décrite par des barres de modérateur de réacteur nucléaire dans le brevet français 1 214 246 déposé le 18/10/58 par la demanderesse. Dans ce mode de réalisation de l'invention, les colonnes tournantes 16b qui tapissent la paroi interne de la cuve 3 ont une forme hexagonale curviligne inscrite dans un cercle de même diamètre que le cercle circonscrit aux colonnes 30.Elles sont de plus dépourvues de cLavetage puisqu'elles doivent, selon l'invention, pouvoir etre mises en rotation autour de leur axe respectif. Les colonnes telles que 30a qui sont situées à l'arrière immédiat de la rangée périphérique de colonnes hexagonales curvilignes 16b doivent naturellement comporter elles-mêmes une ou deux faces curvilignes concaves telles que 32 pour permettre la rotation des colonnes 16b.On voit clairement que pour les colonnes 16b de la rangée périphérie que, la partie exposée au rayonnement correspond à un angle alpha égal à 2W/3 et qu'il suffit par conséquent de tourner chaque colonne d'un tiers de tour pour remplacer la zone irradiée par une zone vierge de même surface. I1 est possible ainsi avec le mode de mise en oeuvre de la figure 6, de multiplier par trois par rapport à la disposition cylindrique de la figure 3, la durée de service du réflecteur latéral avant de procéder à son renouvellement. Ainsi, au lieu de procéder à cette opération longue -et coûteuse au bout de 5 ans, comme il est envisagé dans les dispositions classiques, celle-ci peut n'intervenir qu'au bout de 15 ans. La rotation des colonnes doit, ici, être impérativement précédée de la vidange des boulets combustibles contenus dans le réacteur. I1 convient de remarquer que selon cette disposition, les colonne 16 ne peuvent être actionnées simultanément, mais successivement, et selon un ordre qui ntest pas indifférent. La figure 7 permet de suivre l'ordre des opérations. La colonne A, non verrouillée par ses voisines, peut tourner d'un sixième de tour, par exemple dans le sens trigonométrique. Les colonnes adjacentes A1, All, puis A2, A22, ainsi déverrouillées de proche en proche, peuvent tourner d'un sixième de tour, mais les colonnes B et F ne le peuvent pour l'instant, se trouvant verrouillées par C et E respectivement. n n On peut procéder de même à partir de C et tourner ainsi de proche en proche C1 C2 Cn puis B, ainsi que C11 C22 Cnn Enfin, l'opération peut être répétée à partir de E, ce qui permet de déverrouiller, donc de tourner D et F. Pour obtenir me nouvelle rotation d'un sixième de tour, il convient de conduire me nouvelle opération analogue à la précédente, mais en partant des colonnes B, D ou F. En fait, on peut gagner un facteur trois sur le temps d'opération en procédant simultanément à partir des colonnes A, C, E pour la première phase et B, D, F pour la seconde phase. L'inscription de la cuve hexagonale de la figure 6 dans un caisson cylindrique nécessite un accroissement du diamètre de ce dernier ; pour éviter cet inconvénient on peut combiner les deux premiers modes de mise en oeuvre pour aboutir au troisième mode décrit sur la figure 8. Sur cette figure 8, la cuve 2 en graphite est de forme générale cylindrique et crénelée sur sa paroi interne en 22 comme indiqué sur la figure 3, premier mode. Les colonne tournantes 16c sont hexagonales curvilignes comme sur la figure 6, mais, au lieu d'être alignées de manière à constituer six murs plans, elles sont disposées suivant une circonférence. L'assemblage obtenu est moins parfait mais, moyennant un jeu convenable déterminé à la construction, le système est parfaitement viable. A titre d'illustration, il est facile de calculer que pour une cuve de intérieur 5m, et des colonnes dont la double apothème est de 250 irni, la paroi interne comporte 60 colonnes. Le décalage angulaire ss entre 2 colonnes adjacentes s'établit ainsi à 60, ce qui est tout à fait acceptable (figure 8). Comme on le voit sur la figure 8, cette disposition conduit à un autoverrouillage de toutes les colonnes 16c. Pour rendre leur rotation possible, il suffit de disposer en un point quelconque de la couronne interne, une colonne 16d dont toutes les faces sont concaves et de commencer la rotation par celle de ses voisines qui n'est pas verrouillée (colonne a, puis b, etc...). En procédant de proche en proche, on termine ainsi par la colonne à face concave 16d. Pour obtenir la rotation désirée d'un tiers de tour, on procède à une deuxième opération en attaquant successivement les colonnes dans l'ordre inverse du précédent, c'est-à-dire en com- mençant par la colonne C, puis D, etc... et en terminant par la colonne 16d. Enfin, si l'on considère les deuxième et troisième modes de mises en oeuvre de la structure objet de l'invention, ils conduisent à une légère difficulté qui est la suivante. Les colonnes tournantes 16 de la rangée périphérique interne de la cuve ayant une forme hexagonale curviligne, il en résulte pour certaines positions de Qs colonnes 16, des lumières lenticulaires au niveau des contacts entre chaque colonne tournante et les éléments périphériques externes de la partie inférieure 4 du réflecteur.Dans le cas ou cette partie inférieure de réflecteur est également constituée de barres prismatiques hexagonales, ceci conduirait pour éviter que les boulets ne puissent s'engager dans les lumières en question à limiter le diamètre des blocs à une certaine dimension, Un calcul simple permet de montrer dans ce cas, que pour des boulets de combustible ayant un diamètre de 6 an, le diamètre du cercle circonscrit à l'hexagone des barres doit etre inférieur à 223 nm. Pour éviter cet inconvénient sans qu'il soit pour autant nécessaire d'employer des barres de trop petit diamètre, on peut alors, conformément à l'invention, avoir recours au dispositif de la figure 9 pour empêcher les boulets de s'introduire dans les lumières correspondantes. Sur cette figure 9, on a représenté une colonne 16 de forme hexagonale curviligne et l'un des éléments périphériques supérieurs 35 ai réflecteur inférieur 4. Une gorge circulaire 36 est creusée à la base de chaque colonne tournante 16 au niveau du fond de la cuve, c'est-à-dire de la partie supérieure de la colonne 35 ; le diamètre de cette gorge 36 est égal au jeu près au diamètre du cercle inscrit dans l'hexagone de base de chaque colonne tournante 16. Les blocs supérieurs 35 appartenant à la couronne périphérique du réflecteur inférieur 4 comportent alors deux rebords plans 37 et 38 dont l'un, le rebord 37, vient tangenter en son milieu la gorge 36 de la colonne tournante, et dont l'autre, 38, coopère avec la gorge homologue de la colonne tournante voisine non représentée, réduisant ainsi l'épaisseur des lumieres lenticulaires et empêchant la pénétration des boulets. A conditions de choisir pour la colonne 16 l'orientation convenable, le dispositif de la figure 9 autorise l'extraction de cette colonne 16 par le haut sans démonter le réflecteur inférieur 4. REVENDICATIONS 1. Structure de réflecteur latéral renouvelable pour réacteur haute température à boulets, du type de creux qui comprennent une cuve de graphite cylindrique constituant le réflecteur de neutrons, ladite cuve étant remplie de boulets en graphite contenant le combustible nucléaire et étant entourée d'un caisson de protection en béton, caractérisée en ce que la zone périphérique interne de la cuve est constituée d'une rangée de barres de graphite adjacentes montées rotatives autour de leur axe longitudinal et manoeuvrables en rotation depuis l'extérieur du caisson en béton par l'intermédiaire d'un arbre traversant ledit caisson. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque barre de graphite de la zone périphérique est constituée par l'empilement d'un certain nombre d'éléments unitaires solidarisés les uns aux autres par des systèmes à pions ou à clavettes. 3. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en Q que la liaison de chaque barre de graphite avec 1' arbre de manoeuvre correspondant est réalisée par un dispositif du genre joint de Holdam autorisant de légers désalignements angulaires entre ledit arbre et l'axe de ladite barre. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1à 3, caractérisée en ce que chaque barre de graphite de la zone périphérique est de section circulaire et est logée en partie dans un secteur curviligne de la surface du graphite réflecteur. 5. Structure selon l'une quelconque des révendications 1 à 3, caractérisée en ce que la cuve, constituée par l'assemblage de colonnes prismatiques hexagonales clavetées radialement au milieu de leurs faces communes, est de section elle-même hexagonale et la rangée de barres de graphite de la zone périphérique interne est constituée de barres non clavetées à section hexagonale curviligne, les barres des colonnes fixes disposées en contact immédiat avec les barres mobiles de la rangée périphérique comportant également une ou deux faces curvilignes concaves pour permettre la rotation des barres mobiles de la périphérie. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en Q que la cuve en graphite étant de forme générale cylindrique de section circulaire et crénelée sur sa paroi interne pour recevoir la rangée de barres tournantes de la zone périphérique interne, celle-ci est constituée d'une couronne circulaire de barres hexagonales curvilignes engagées les unes dans les autres.