Brevet FR2409578A1 — publié le 19790615

La présente invention concerne un réacteur nucléaire modéré au graphite et refroidi par un gaz, et notamment un reacteur comportant un coeur & lit de boulets, un réflecteur entourant le coeur et -constitué par un couvercle, une paroi latérale et un fond, et des barres absorbantes plongeant dans le coeur pour l'arrêt et le réglage du réacteur. Un réacteur nucléaire connu, refroidi par un gaz et comportant un coeur ê lit de boulets, est équipé de barres absorbantes plongeant dans le coeur pour les opérations d' arrêt et de réglage, et de barres absorbantes mobiles dans le reflecteur latéral et appelées barres de réflecteur ci-après (réacteur & haute température THTR 300). Les barres absorbantes de coeur et les barres de réflecteur sont utilisées dans ce type de réacteur pour les opérations de démarrage, c'est-a-dire les operations de commande pour la remise en service après un arrêt. Les barres de réflecteur sont destinées un arrêt partiel ou rapide et les barres absorbantes de coeur un arrêt total ou prolongé.On appelle arrêt partiel ou rapide du réacteur l'opération consistant à faire passer le réacteur instantanément dans un état sous-critique par l'introduction rapide d'une antiréactivité dans le coeur. Lors d'un arret rapide, effectue dans le cas d'un éventuel dérangement, les barres de réflecteur sont introduites dans une position prédéterminée & l'intérieur du coeur, une vitesse assurant le passage immédiat du réacteur dans un état sous-critique et la possibilité de maintien dans cet état pendant une période prolongée Il est possible de déceler et d'éliminer les dérangements pendant ce temps. I1 est favorable de déceler et d'éliminer le dérangement aussi rapidement que possible, car la sortie des barres de reflecteur permet alors, par un démarrage & chaud, de ramener le reac- teur dans l'état critique en une heure environ. Le temps pendant lequel le reacteur peut etre maintenu dans un état sous-critique dépend de l'antiréactivité introduite et de la température du modérateur, qui est déterminée par les dispositifs de dissipation de la chaleur se trouvant dans le réacteur. Un arrêt prolonge est produit quand une élimination rapide du dérangement est impossible.Les barres absorbantes du coeur sont pour ce faire dimenSionnées et munies d'un entrarnement approprié, de façon & leur permettre, en position d'introduction totale, de fournir l'antiréactivité nécessaire à un arret prolongé Dans le réacteur connu, l'arrêt rapide s'effectue ainsi & l'aide de barres de réflecteur et l'arrêt prolongé & l'aide de barres absor bantes de coeur. Des barres de réflecteur sont en outre utilisées pour compenser l'excédent de réactivité en vue d'opérations de réglage rapide.Elles servent partiellement aussi au réglage du réacteur et sont dimensionnées en consequence. Afin d'assurer la haute disponibilité des dispositifs d'arrêt, requise dans la technique des réacteurs, des entraînements distincts sont prévus pour les deux systemes de barres d'arrêt rapide ou prolongé. Il a également été proposé, pour un réacteur nucléaire du type précédemment décrit, de prévoir en outre un système d'arrêt d'urgence par introduction dans le coeur d'un absorbant, tel qu'un gaz absorbant les neutrons, comme le trifluorure de bore, ou par l'addition de petits boulets absorbants. L'absorbant est introduit quand le système d'arret constitué par des barres absorbantes plongéant dans le coeur ne fonctionne pas parfaitement pour des raisons quelconques. Le système d'arrêt d'urgence fonctionne toujours en cas de défaillance du système d'arrêt normal, ce qui présente l'inconvénient d'un temps prolongé d'immobilisation du réacteur, par suite de la nécessité d'éliminer ensuite l'absorbant introduit dans le coeur. Dans un autre réacteur nucléaire å lit de boulets, le dispositif de réglage et d'arrêt est constitué par deux parties, la partie destinée a l'arrêt du réacteur comportant des barres absorbantes plongeant dans le lit et la partie de réglage étant constituée par des barres absorbantes, mobiles dans la paroi du couvercle du réflecteur et dans la cavité délimitée par le lit et ce couvercle demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le nO 2 353 653). Ce réacteur nucléaire ne dispose que d'un seul système d'arrêt et ne peut donc pas être arrêté avec une fiabilité élevée. Dans d'autres réacteurs nucléaires connus a lit de boulets, la sécurité requise est garantie par la présence de deux systèmes d'arrêt indépendants. Un premier système assure l'arrêt total ou prolongé a l'aide de barres absorbantes qui, dans ces réacteurs, plongent directement dans le lit de boulets. Le second système, assurant l'arrêt partiel ou rapide du réacteur, est constitué par des barres absorbantes plongeant dans des ouvertures du réflecteur latéral (demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le nO 2 451 748) ou par des barres absorbantes mobiles dans le couvercle du réflecteur et dans l'espace délimité par le couvercle et le lit de boulets combustibles (demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le nO 2 612 178). L'art anterieur comprend en outre un réacteur nucléaire modéré au graphite et refroidi par un gaz, avec des barres de reglage et d'arrêt du reacteur, plongeant dans le coeur et non distribuées régulièrement sur la section efficace de ce dernier (demande de brevet de la République fédérale d'Allemagne publiée sous le nO 2 451 749). Les barres absorbantes sont disposées de façon que leur densité surfacique S sur la section efficace du coeur augmente du centre vers le bord du coeur. La densité surfacique désigne le nombre de barres absorbantes par unité de surface du coeur.Cette distribution des barres absorbantes assure l'établissement d'un profil radial favorable du flux de neutrons même dans le réacteur & l'arrêt total En dehors des barres absorbantes précitées, le réacteur connu ne dispose d'aucun autre dispositif d'arrêt. L'invention a pour objet le procédé d'arrêt d'un réacteur nucléaire du type précédemment décrit, de façon a permettre l'arrêt du réacteur avec une fiabilité élevée, sans nécessité d'un système d'arrêt d'urgence pour l'introduction d'absorbants dans le coeur, tels que gaz ou boulets absorbants. Une courbe de distribution d'importance aplatissement radial doit en outre être obtenue, même dans un réacteur l'arrêt total. Selon une caracteristique essentielle de l'invention, les barres absorbantes sont réparties entre deux systèmes d'arrêt indépendants, dont le premier est destine a l'arrêt total ou prolongé et le second a l'arrêt partiel ou d'urgence du réacteur, les barres absorbantes du second système d'arrêt occupant des positions entre celles des barres du premier système d'arrêt et la densité surfacique, sur la section efficace du coeur, des barres absorbantes du premier système d'arrêt étant plus grande sur le bord qu'au centre du coeur. Les conditions severes de sécurité applicables aux reacteurs nucleaires exigent d'une part un système d'arrêt permettant lui seul de faire passer rapidement le réacteur dans un état sous-critique et de le maintenir dans cet état pendant un temps suffisamment long, & partir dé tout etat de fonctionnement et pour tout dérangement (arrêt rapide). Un second système d'arrêt est par ailleurs nécessaire, susceptible également lui seul - de faire passer le réacteur dans un état souscritique a partir de tout état de fonctionnement et de garantir la sous-criticite pendant une durée quelconque, même dans le cas de la température la plus defavorable possible (arrêt prolongé). Il convient pour les deux systèmes d'arrêt de tenir compte de la défaillance d'une barre absorbante a efficacité maximale. L'invention tient compte des conditions sévères de sécurité par l'affectation des barres absorbantes plongeant dans le coeur a deux systèmes d'arrêt différents, & fonctionnement totalement indépendant. Des entrainements de barres différents sont utilisés pour accroitre la fiabilité, tels que des entraînements hydrauliques et pneumatiques en cas d'emploi exclusif de barres levantes ou levantes et tournantes. Dans les réacteurs & haute température & lit de boulets, les coeurs classiques exigent par exemple une efficacité d'environ 3-4 t EK/K pour le système d'arrêt rapide et d'environ 20-25 % AK/K pour le système d'arrêt prolongé. (AK/K est l'écart en pourcent du facteur de multiplication K rapporté ce dernier.) Une efficacité de 3-4 % bK/K suffit pour maintenir le réacteur pendant une demi-heure environ dans un état sous-critique, ce qui est jugé suffisant. Par suite des réactivités fixer, le système d'arrêt rapide peut comporter beaucoup moins de barres absorbantes que le système d'arrêt rapide.Dans le cas d'un réacteur haute température d'une puissance électrique de 1000 MW par exemple, 20 à 30 barres absorbantes suffisent pour le système d'arrêt rapide et 150 a 200 barres absorbantes pour le système d'arrêt prolongé. Le réacteur nucléaire selon l'invention présente par rapport aux réacteurs connus l'avantage de permettre une réduction du nombre de barres absorbantes destinées au système d'arret prolongé, pour une même efficacité d'arrêt. Le maintien du nombre de barres absorbantes assure une plus grande sécurité d'arrêt. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'aplatissement recherché de la courbe de distribution radiale de l'importance est obtenu en accroissant, au voisinage du réflecteur latéral, le nombre de barres absorbantes du premier système d'arrêt par rapport au nombre de barres à l'intérieur du coeur. La densité surfacique ne peut pas être choisie à volonté, car les forces exercées sur les barres et les vitesses de rupture des boulets, ainsi que des considérations constructives limitent vers le bas la distance entre les diverses barres absorbantes et le caisson du réacteur.Des densités surfaciques moyennes d'environ 2 barres absorbantes par mètre carré sont usuelles dans les réacteurs connus, le diamètre efficace des barres etant de 8-10 cm. (La densité surfacique désigne le nombre de barres absorbantes par unité de surface du coeur.) Les barres absorbantes du second système d'arrêt sont avantageusement disposées dans la partie centrale de la section efficace du coeur. La densité surfacique des barres absorbantes du premier système d'arrêt étant plus faible dans cette region, on dispose de suffisamment de positions libres. Il est possible de répartir les barres absorbantes des deux systèmes d'arrêt de façon qu'elles forment un réseau régulier sur la section efficace du coeur. Les barres absorbantes du second système d'arrêt occupent alors essentiellement, comme precedemment indiqué, des positions dans la région centrale du coeur. Il est possible de représenter le nombre de barres absorbantes des deux systèmes d'arrêt en fonction du rayon du coeur. Le réseau est utilement constitué par de nombreux triangles équilatéraux. Un tel réseau est, pour des raisons constructives et économiques1 très avantageux dans un réacteur a coeur cylindrique. Il est avantageux de faire continêment croître la densité surfacique des barres absorbantes du premier système d' arrêt sur la section efficace du coeur, depuis le centre vers Le bord de ce dernier. Pour obtenir une telle distribution des barres absorbantes précitées, il est possible de déterminer d'abord une densité surfacique moyenne de ces barres, disposées sur la moitié environ du rayon du coeur. A partir de cette valeur, la densité surfacique est ensuite modifiée de façon à diminuer contintment vers le centre du coeur et a augmenter continument vers le bord. Une autre possibilité de distribution des barres absorbantes plongeant dans le coeur consiste a disposer les barres absorbantes des deux systèmes d'arrêt en commun sur des cercles concentriques. Dans cette variante, la densité surfacique des barres absorbantes du premier système d'arrêt sur la section efficace du coeur peut être particulièrement élevée sur le pourtour. On obtient des bilans d'arrêt très favorables, car - contrairement au cas d'un réseau triangulaire - un raccordement azimutal régulier des couronnes de barres absorbantes au bord circulaire du coeur est possible. La section de coeur sans barre produite par la défaillance de la barre absorbante la plus efficace est par suite beaucoup plus faible que dans le cas d'un réseau triangulaire. La disposition des barres absorbantes suivant des cercles concentriques semble également tres favorable pour la conception du couvercle du caisson (par suite de la nécessite de prévoir des traversées de barre dans le couvercle du caisson, la conception de ce dernier et la disposition des barres absorbantes sont étroitement liées dans les réacteurs & haute température). Selon une autre caractérisique de l'invention, le second système d'arrêt peut être renforce par des barres absorbantes supplementaires, plongeant dans des orifices de la paroi laterale cylindrique du reflec- teur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris l'aide de la description détaillée ci-dessous de plusieurs exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une disposition classique des barres absorbantes dans un réacteur nucléaire, dont le coeur ne comporte qu'un seul systeme d'arrêt; la figure 2 représente la densité surfacique de barres absorbantes en fonction du rayon du coeur d'un réacteur selon l'invention; la figure 3 représente la disposition des barres absorbantes sur la section efficace du coeur, selon la distribution radiale représentée & BR La figure 1 représente une disposition classique de barres absorbantes 1, plongeant directement dans le coeur 4 d'un réacteur a lit de boulets de type classique, modéré au graphite et refroidi par un gaz. Ces barres forment un réseau hexagonal, aux sommets duquel se trouvent des barres absorbantes 3 & efficacité maximale. Toutes les barres absorbantes font partie d'un seul système d'arrêt. La section efficace du coeur est désignée par 2. Le coeur 4 est entouré par un réflecteur latéral cylindrique, non représenté et dont le cercle 5 constitue la délimitation intérieure. Les barres 1 sont pratiquement sorties en état de fonctionnement; quelques unes seulement des barres absorbantes 1 sont introduites pour compenser l'excédent de réactivité nécessaire au fonctionnement et pour aplatir la courbe de distribution radiale de puissance. En cas d'arrêt total du réacteur, c'est- -dire quand toutes les barres absorbantes 1 sont introduites, la disposition des barres 1 suivant le réseau triangulaire régulier 6 représenté & la figure 1 produit une distribution radiale défavorable de l'importance du flux de neutrons, la partie centrale du coeur étant mieux arrêtée que son pourtour. La figure 2 représente une division possible du réseau triangulaire régulier 6 selon figure 1 en deux systèmes d'arrêt A et B independants. La densité surfacique S des barres absorbantes 1 sur la section efficace 2 du coeur est représentée en fonction du rayon r du coeur. Le système d'arrêt A (courbe du haut) est destiné a l'arrêt total ou prolongé du réacteur. Le second système d'arrêt B (courbe du bas) assure l'adret partiel ou rapide; il occupe uniquement des positions dans la partie centrale de la section efficace 2 du coeur. Les deux systèmes d'arrêt réunis produisent une densité surfacique constante sur la section efficace 2 du coeur. La figure 3 représente un exemple concret de la distribution des barres absorbantes 1 selon figure 2. Les repères sont les mêmes que ceux de la figure 1. Seules les barres absorbantes 1, appartenant & deux systèmes d'arrêt différents A et B, sont désignées différemment, par 1A ou 1B selon leur-affectation à l'un ou à l'autre système. La densité surfacique des barres absorbantes 1A -sur la section efficace 2 est nettement plus grande sur le bord du coeur que dans la partie centrale, comme le montre la figure.Dans le réacteur à l'arrêt total, c'est-adire apres l'introduction de toutes les barres absorbantes 1A dans le coeur 4, une distribution pratiquement régulière de l'importance du flux de neutrons s'établit suivant le rayon du coeur, avec simplement un léger accroissement au voisinage du réflecteur latéral. La disposition des barres absorbantes 1A et 1B selon figure 4 produit une distribution radiale de l'importance identique dans le réacteur à l'arrêt total. Deux systèmes d'arrêt A et B, assumant les fonctions précitées, sont de nouveau prévus. En renonçant à un réseau parfaitement régulier, on obtient une densité surfacique superieure des barres absorbantes lA sur le bord du coeur en disposant toutes les barres absorbantes 1A et 1B sur des cercles concentriques 7 et en ne prévoyant sur les deux cercles extérieurs que des barres absorbantes du système arrêt total ou prolongé.. Les deux systemes d'arrêt A et B occupent en commun des positions sur les autres cercles. Il est possible de renforcer l'efficacité du système d'arrêt partiel ou rapide B par de nouvelles barres absorbantes 8, plongeant dans des ouvertures du reflecteur latéral cylindrique. L'exemple représenté comporte 48 barres de ce type (barres de réflecteur). Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et aux dispositifs qui viennent d'étre décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Reacteur nucléaire modéré au graphite -et refroidi par un gaz, et notamment reacteur comportant un coeur a lit de boulets, un reflecteur entourant le coeur et constitué par un couvercle, une paroi latérale cylindrique et un fond, et des barres absorbantes plongeant dans le coeur pour l'arret et le réglage du réacteur, ce dernier étant carac térisé en ce que les barres absorbantes sont réparties entre deux systèmes d'arrêt indépendants, dont le premier est destiné à l'arrêt total ou prolongé et le second a l'arrêt partiel ou d'urgence du réacteur, les barres absorbantes du second système d'arrêt occupant des positions entre celles des barres du premier système d'arrêt, et la densité surfacique, sur la section efficace du coeur, des barres absorbantes du premier système d'arrêt étant plus grande sur le bord qu'au centre du coeur. 2. RéaCteur nucléaire selon revendication 1, caractérisé en ce que les barres absorbantes du second système d'arrêt sont essentiellement disposées dans la partie centrale de la section efficace du coeur. 3. Réacteur nucléaire selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les barres absorbantes des deux systèmes d'arrêt forment un réseau régulier sur la section efficace du coeur. 4. Reacteur nucléaire selon revendication 3, caractérisé en ce que le réseau régulier est constitue par de nombreux triangles équilatéraux. 5. Réacteur nucleaire selon une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que-la densité surfacique des barres absorbantes du premier système d'arrêt sur la section efficace du coeur croit contind- ment du centre vers le bord de ce dernier. 6. Reacteur nucléaire selon une quelconque des revendications 1, 2 et 5, caractérisé par la disposition en commun des barres absorbantes des deux systèmes d'arrêt sur des cercles concentriques. 7. Reacteur nucléaire selon revendication 1, caractérisé en ce que le second système d'arret est renforcé par des barres absorbantes supplémentaires, plongeant dans des ouvertures de la paroi latérale cylindrique du réflecteur.