Brevet FR2472248A1 — publié le 19810626

L'invention concerne un dispositif de commande d'un réacteur nu- cléaire par déplacement vertical d'un ensemble absorbant les neutrons à l'intérieur du coeur du réacteur et retombée de l'ensemble absorbant en position d'insertion maximum sous l'effet de son propre poids pour l'ar- rêt d'urgence. Pour la commande des réacteurs nucléaires, en particulier pour la commande des réacteurs nucléaires à eau pressurisée, on déplace à ltin- térieur du coeur des ensembles absorbants constitués par des tubes ren- fermant un matériau absorbant fortement les neutrons, entre les éléments combustibles et dans la direction verticale. Ces barres de commande sont introduites par l'extrémité supé- rieure du coeur, si bien qu'un mouvement vertical et vers le bas corres- pond à une réduction de la puissance fournie par le réacteur et qu'un mou- vement vertical et vers le haut correspond à une augmentation de la puis- sance fournie par le réacteur. De plus, si un accident quelconque nécessite un arrêt d'urgence les barres de commande doivent pouvoir retomber sous l'effet de leur poids très rapidement en position d'insertion maximum dans le coeur du réacteur. Tout dispositif de commande d'un réacteur nucléaire utilisant le déplacement vertical d'ensembles absorbants tels que des barres de commande doit donc être capable de réaliser d'une part le déplacement précis des barres à l'intérieur du coeur avec arrêt possible en une position détermi- née et d'autre part la libération instantanée et extrêmement sûre de ces barres de commande, pour l'arrêt d'urgence. Pour la réalisation de leurs mouvements verticaux, les barres de commande sont généralement reliées à leur partie supérieure à une tige de commande dont on effectue le déplacement grâce à un mécanisme disposé à l'intérieur d'une enceinte étanche en communication avec l'intérieur du réacteur et renfermant le fluide d'échange du réacteur, par exemple 1%ou sous pression dans le cas des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. On a déjà proposé divers types de mécanisme, tels que des méca- nismes à cliquets et des mécanismes à pignons et crémaillères pour la ré- alisation des mouvements de barres de commande. Dans tous les cas, ces mé- canismes sont destinés à fonctionner dans un milieu à haute température et à haute pression et en présence de radiations. On a proposé également, par exemple dans le brevet français 1.455.472, d'utiliser un moteur électromagnétique dont l'élément mobile est constitué par la tige de commande elle-miâ qui porte des saillies an- nulaires disposées de manière à réaliser un moteur à réluctance variable engendrant un mouvement de translation exempt de tout mouvement de rotation. Un tel dispositif évitant l'utilisation de mécanismes disposés à l'intérieur d'une enceinte en communication avec l'intérieur du réacteur n'a cependant jamais pu être valablement mis en oeuvre, d'une part à cau- se du fait qu'il nécessite un trop grand nombre de bobines constituant la partie statique du moteur, et d'autre part, à cause d'un mauvais rendement consécutif à une saturation magnétique de la tige due à la concentration axiale du flux magnétique. Par ailleurs, sa dépense en énergie pour main- tenir la partie mobile en position est importante, ce qui conduit, entre autres inconvénients, à un échauffement prohibitif et oblige à prévoir un dispositif de refroidissement. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de com- mande d'un réacteur nucléaire par déplacement vertical d'un ensemble ab- sorbant les neutrons à l'intérieur du coeur du réacteur et retombée de l'ensemble absorbant en position d'insertion maximum sous l'effet de son propre poids pour l'arrêt d'urgence, l'ensemble absorbant étant fixé à l'extrémité inférieure d'une tige de commande verticale, ce dispositif de commande devant permettre de réaliser des mouvements précis de l'ensemble absorbant dans la direction verticale et une libération extrêmement sûre des barres de commande pour leur retombée en cas d'arrêt d'urgence sans utiliser d'organe mécanique fonctionnant dans un fluide à haute températu- re et/ou à haute pression et sous radiations, ce dispositif étant d'autre part d'une construction simple et d'un fonctionnement sûr. Dans ce but, le dispositif suivant l'invention comporte - à l'intérieur d'une enceinte étanche cylindrique à axe vertical en com- munication avec l'intérieur du réacteur, une pièce en matériau magnétique mobile verticalement dans cette enceinte et reliée à l'extrémité supérieu- re de la tige de commande, comportant au moins deux parties en saillie dans la direction radiale de l'enceinte espacées axialement et ménageant avec la paroi intérieure de l'enceinte un espace de très faible dimension dans la direction radiale, - à l'extérieur de l'enceinte étanche, au moins un inducteur comportant au moins deux masses polaires espacées axialement d'une distance égale à l'espacement entre les parties en saillie de la pièce en matériau magné- tique, mobile verticalement et des moyens de guidage et de déplacement précis de l'inducteur dans la direction verticale avec arrêts en position entrainant un déplacement correspondant de la pièce en matériau magnéti- que, les masses polaires de l'inducteur restant à une distance très faible de l'enceinte dans la direction radiale. - et un moyen de commande de la retombée de l'ensemble absorbant par désac- couplement magnétique d'un organe solidaire de la tige de commande par rap- port à un autre organe assurant sa suspension. Suivant un mode préférentiel de réalisation de l'invention, la pièce magnétique est reliée à la tige de commande de façon amovible, par l'intermédiaire d'un dispositif de liaison comportant une commande élec- tromagnétique pour la liaison ou la séparation de la pièce magnétique et de la tige de commande, cette commande électromagnétique constituant le moyen de commande de la retombée de l'ensemble absorbant. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant dé- crire à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un dispositif de commande suivant l'invention, dans le cas o l'inducteur est constitué par un ensemble de circuits magnétiques à aimantspermanentset o la liaison entre la pièce magnétique et la tige de commande est amovible. La figure 1 représente une vue en coupe par un plan vertical de trace A-A sur la figure 2 du dispositif suivant l'invention. La figure 2 représente une vue en coupe suivant B-B de la figure 1. Sur la figure 1 on voit l'enveloppe 1 fixée de façon étanche sur la cuve du réacteur nucléaire à eau sous pression autour de laquelle est disposé un carter 2 à section carrée à lvintérieur duquel se trouve l'en- semble du dispositif de commande. Ce carter 2 est fixé sur lPenveloppe 1. Dans la partie intérieure de l'enceinte étanche 1 pénètre la tige de commande 3 qui est reliée à sa partie inférieure non représentée à l'élé- ment absorbant et à sa partie supérieure, par l'intermédiaire d'un disposi- tif 4 qui sera décrit plus en détail, à une pièce magnétique 6 présentant des parties 7 en saillie dans la direction radiale par rapport au corps de la pièce 6. Cette pièce magnétique 6 est constituée par une tige centrale creuse sur laquelle sont enfilées successivement des pièces annulaires de grand diamètre en acf0magnétique constituant les saillies radiales 7 et des pièces tubulaires de plus faible diamètre constituant le corps de la pièce 6. Les saillies radiales sont espacées d'une longueur constante suivant la direction axiale de la pièce 6. De plus, des pièces annulaires de guidage 8 sont également enfilées sur la tige centrale, l'ensemble des pièces enfilées sur cette tige étant maintenues en position axiale grâce à un système de ser- rage 9 à l'extrémité supérieure de la tige. L'extrémité inférieure de cette tige centrale est soudée sur une pièce d'extrémité faisant partie du disposi- tif de fixation 4. Les pièces annulaires 8 permettent un guidage précis de la pièce 6 à l'intérieur de l'enceinte étanche 1 alors que les pièces annulaires 7 ont un diamètre légèrement inférieur au diamètre intérieur de l'enceinte 1, ces pièces ménageant un très faible jeu dans la direction radiale entre leur surface extérieure et la surface intérieure de l'enceinte 1. L'enceinte 1 est en matériau amagnétique. La tige de commande 3 et la pièce 6 sont les seuls éléments du dispositif de commande qui se trouvent à l'intérieur de l'enceinte 1. Autour de l'enceinte 1 et à l'intérieur du carter 2 est placé un inducteur 10 qui sera décrit plus en détail en se référant aux figures 1 et 2. Cet inducteur est constitué par une chemise-cylindrique 11 à ltin- térieur de laquelle sont empilés des circuits magnétiques, les uns audessus des autres dans la direction axiale du dispositif. Ainsi qu'il est visible à la figure 2, chacun de ces circuits comporte deux pièces 12 et 13 en portion d'anneau constituées par des ai- mants permanents, par exemple en Ticonal et deux pièces polaires saillan- tes 14 et 15 en matériau magnétique. L'ensemble des circuits magnétiques est maintenu à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique 11 par deux plaques d'extrémité 17 et 18 et par trois tiges 19, 20 et 21 fixées à leur extrémité traversant les plaques 17 et 18. Les dispositifs de guidage de l'inducteur 22 et 23 sont fixés sur les plaques d'extrémité 17 et 18 respectivement cependant qu'un troisième dispositif de guidage 24 est intercalé, à la partie centrale de l'inducteur, entre deux circuits magnétiques. Les dispositifs de guidage 22, 23 et 24 comportent des galets roulant sur la surface externe de l'enceinte étanchqe. La plaque supérieure 17 porte d'autre part un dispositif de sus- pension 25 lui-même relié à deux chaines telles que 26 pour l'entraînement de l'inducteur dans un mouvement de déplacement vertical grâce à des dispo- sitifs d'entraînement 27 et 28 disposés de part et d'autre de l'inducteur. Chacun des dispositifs d'entrainement des chaines 27 ou 28, com- porte une poulie à chaine motrice telle que 30 et une poulie à chaine de renvoi telle que 31 disposées respectivement à la partie supérieure et à la partie inférieure du carter 2. Les poulies motrices telles que 30 sont entraînées par un mo- teur 32, par l'intermédiaire de pignons coniques tels que 33. Le moteur 32 est fixé à la partie supérieure de l'enceinte 2 au- tour de l'enceinte étanche 1. Le mouvement du moteur est transmis par ltin- termédiaire d'une chemise 34 dont la partie inférieure constitue un pignon conique engrenant avec les deux pignons tels que 33. De cette manière, les deux chaines se déplacent en synchronisme dans la direction verticale en entrainant l'inducteur lorsque le moteur 32 est mis en marche. Le moteur 32 est un moteur asynchrone équipé d'un frein par manque de courant qui permet de réaliser des déplacements préc is de l'in- ducteur avec arrêt possible dans une position déterminée par coupure du courant. L'inducteur comporte un nombre de circuits magnétiques égal au nombre de saillies radiales 7 de la pièce magnétique 6 et d'autre part cha- cune des pièces polaires telles que 14 et 15, ainsi qu'il est visible sur la figure 1 sur la partie droite de laquelle ces pièces polaires ont été représentées en coupe par un plan vertical, présente une saillie radiale dirigée vers la surface extérieure de l'enceinte 1 constituant une masse polaire 16 ménageant un très faible jeu entre la pièce polaire et lten- ceinte étanche. Chacune des masses polaires 16 a une dimension, dans la direc- tion verticale, égale à la hauteur des pièces annulaires 7 constituant les saillies radiales de la pièce magnétique 6. Dtautre part l'écartement des masses polaires 16 dans la direc- tion verticale est égal à l'espacement dans la direction verticale des saillies radiales 7 de la pièce 6. Chacun des ensembles de pièces polaires 14 et 15 ménage ainsi des parties en saillie constituant une sorte de denture de même pas que les saillies de la pièce magnétique 6. Lorsque la pièce magnétique 6 est disposée à l'intérieur de l'enceinte étanche 1 de façon que chacune des saillies 7 soit disposée approximativement en face d'une masse polaire 16, un flux magnétique de direction sensiblement radiale traverse les parties en saillie de la pièce magnétique 6 entre les deux masses polaires disposées de part et d'autre de lenceinte étanc he. Si la pièce magnétique 6 à la partie inférieure de laquelle est reliée la tige de commande est laissée libre de ses mouvements dans la direction verticale, la pièce magnétique prend une position telle que représentée à la figure 1 correspondant à l'équilibre entre le poids de la pièce magnétique de la tige et de l'élément absorbant et les forces magnétiques engendrées au niveau des parties en saillie de la pièce magné- tique et des masses polaires de l1inducteur, tendant à réduire la réluctan- ce opposée au passage du flux. On comprend que lors des déplacements verticaux de l'inducteur provoqués par les dispositifs à chaines 27 et 28, la pièce magnétique 6 subira des déplacements similaires entrainant des déplacements verticaux de la tige de commande et de l'ensemble absorbant. De même, lors des arrêts en position de l'inducteur, la masse magnétique, la tige de commande et l'ensemble absorbant resteront en posi- tion fixe dans la direction verticale. On peut donc effectuer le réglage de puissance du réacteur avec un mécanisme disposé entièrement à l'extérieur de l'enceinte étanche, la transmission du mouvement à la tige de commande disposée à l'intérieur de l'enceinte étanche se faisant par accouplement magnétique entre l'induc- teur 10 et la pièce magnétique 6. D'autre part la pièce magnétique 6 est reliée à sa partie infé- rieure à la tige de commande 3 par l'intermédiaire d'un dispositif de li- aison 4 comportant une pièce 36 reliée à la pièce terminale de l'ensemble magnétique 6 prolongée vers le bas par une chemise 37, l'ensemble 36-37 ayant la forme d'une cloche coiffant une pièce 35 solidaire de la tige de commande 3. Le dispositif de liaison comporte d'autre part un électro-aimant 38 fixé à la plaque inférieure 18 de l'inducteur et entourant l'enceinte étanche 1 au niveau du dispositif de liaison 35-36-37. L'électroaimant 38 permet de réaliser la liaison entre la tige de commande et la pièce magnétique lorsqu'il est alimenté ou au contraire de la libération de la tige de commande et/l'ensemble absorbant qui peuvent retomber sous l'effet de leur propre poids lorsqu'on coupe le courant de l'électro-aimant 38. L'électro-aimant 38 constitue la commande électromagnétique du dispositif de liaison entre la tige de commande et la pièce magnétique. En cas d'arrêt dturgence, la retombée des barres est obtenue très rapidement et de fagon extrêmement sûre en coupant le courant dans l'élec- tro-aimant 38. Pour éviter les interférences entre le champ magnétique dévelogé par l'électro-aimant et les champs magnétiques développés par les aimants de l'inducteur, il est possible de réaliser la pièce terminale de l'ensem- ble 6 en un matériau non magnétique. La tige de commande 3 a un diamètre très inférieur au diamètre intérieur de l'enceinte étanche, si bien que lors de la retombée de cette tige avec l'ensemble absorbant, en cas d'arrêt d'urgence, il n'y a pas de résistance à la retombée de l'ensemble absorbant au niveau de la tige de commande, puisqu'une grande section de passage d'eau est ménagée autour de cette tige de commande dans l'enceinte étanche. La retombée des barres se fait donc de façon extrêmement sûre et extrêmement rapide. On voit donc que les principaux avantages de l'invention sont de permettre de réaliser des déplacements extrêmement précis et faciles à con- trôler de l'ensemble absorbant pour la commande du réacteur, grâce à un mé- canisme placé à l'extérieur de l'enceinte étanche, la transmission du mou- vement à la tige de commande et à l'ensemble absorbant se faisant par accou- plement magnétique à travers l'enceinte étanche et de permettre également de provoquer la retombée de l'ensemble absorbant pour l'arrêt d'urgence de façon extrêmement sûre et extrêmement rapide. Mais l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on a décrit un mode de réalisation o l'inducteur comportait un ensemble de circuits magnétiques à aimants permanents compor- tant deux p8les mais qu'il est possible également d'utiliser des circuits magnétiques à trois ou quatre pôles, la configuration devant être choisie pour permettre le meilleur couplage entre l'inducteur et la pièce magnétique. L'inducteur qui a été décrit comportait des circuits magnétiques à flux radial mais il est également possible d'imaginer un inducteur com- portant une succession de pièces polaires annulaires présentant des saillies radiales vers l'enceinte étanche et d'aimants permanents annulaires inter- calés entre les pièces flaires, ces circuits magnétiques développant-un flux de direction axiale permettant l'accouplement magnétique de l'induc- teur et de la pièce magnétique centrale à saillies radiales. Il est également possible de remplacer les aimants permanents des circuits magnétiques par des bobinages alimentés en courant électrique pour la création d'un champ magnétique. On peut ainsi imaginer un inducteur comportant une paire de bo- bines disposées en selle autour de l'enceinte étanche et une pièce polai- re annulaire entourant les bobines sur la face intérieure de laquelle ont été prévus des évidements annulaires de manière à réaliser des saillies constituant les masses polaires de l'inducteur. On peut également imaginer un inducteur constitué par un solé- noide disposé autour de l'enceinte étanche dans une pièce en matériau ma- gnétique formant deux masses polaires de même largeur et de même écarte- ment que les saillies radiales de la pièce magnétique disposée dans l'en- ceinte étanche. Dans le cas o l'inducteur comporte un bobinage, ilfaut prévoir une alimentation par câbles flexibles de cet inducteur, de même qu'il faut prévoir un câble flexible d'alimentation en courant électrique de l'électro-aimant du dispositif de liaison entre la tige de commande et la pièce magnétique. Dans le cas o l'inducteur comporte un ou plusieurs bobinages, il est possible de réaliser la retombée des barres en coupant le courant dans l'inducteur en désaccouplant ainsi la pièce magnétique et l'inducteur. Dans ce cas il est bon d'usiner la pièce magnétique qui retombe avec la tige et la barre de commande defaçon à y réaliser des passages d'eau pour éviter de freiner la chute des barres. - Dans l'exemple de réalisation qui a été décrit, la liaison entre la tige de commande et la pièce magnétique résultait des forces magnétiques développées dansdes pièces correspondantes reliées respectivement à la tige de commande et à la pièce magnétique mais il est possible également de ré- aliser cette liaison en montant à l'extrémité inférieure de la pièce magné- tique un dispositif à doigts pivotants qui peut être commandé de l'extérieur de l'enceinte par un électro-aimant. L'extrémité supérieure de la tige de commande est alors usinée de façon à ménager une gorge pour permettre aux doigts pivotants de venir en prise sur cette tige. Dans l'exemple de réalisation qui a été décrit, l'entraînement de l'inducteur se faisait par des chaînes mécaniques et des poulies à chaines entraînées par un moteur asynchrone mais il est également possible d'utili- ser d'autres dispositifs d'entrainement tels que chaînes à maillons soudés ou cablés et d'autres dispositifs moteurs tels que moteurs pas à pas. On pourrait également utiliser deux vis disposées verticalement et montées rotatives autour de leur axe vertical dans le carter entourant l'enceinte étanche, ces vis coopérant avec des écrous flottants solidaires de l'inducteur. On pourrait également imaginer un dispositif à pignon et crémail- lère pour l'entraînement de l'inducteur. Le nombre de masses polaires et de saillies annulaires radiales de la pièce magnétique sont évidemment déterminés par les caractéristiques du matériel utilisé mais dans tous les cas la répartition axiale de plu- sieurs masses polaires disposées en face de saillies radiales de la tige ses favorise la stabilité transversale de la masse magnétique lors de/déplace- ments. Au lieu d'un seul inducteur on peut aussi utiliser un ensemble d'inducteurs se déplaçant c façon synchronisée. Enfin, ltinvention s'applique non seulement au cas des réacteurs nucléaires à eau sous pression mais également dans le cas de tous les ré- acteurs nucléaires dont la commande est réalisée par déplacement d'un en- semble absorbant les neutrons à l'intérieur du coeur du réacteur, l'arrêt d'urgence étant obtenu par retombée de l'ensemble absorbant sous l'effet de son poids, en position d'insertion maximum. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de commande d'un réacteur nucléaire par déplace- ment vertical d'un ensemble absor bant les neutrons à l'intérieur du coeur du réacteur et retombée de l'ensemble absorbant en position d'insertion maximum sous l'effet de son propre poids pour l'arrêt d'urgence, l'ensemble absorbant étant fixé à l'extrémité inférieure d'une tige de commande verti- cale, caractérisé par le fait qu'il comporte - à l'intérieur d'une enceinte étanche cylindrique à axe vertical en com- munication avec l'intérieur du réacteur, une pièce en matériau magnétique mobile verticalement dans cette enceinte, guidée dans ses déplacements et reliée à l'extrémité supérieure de la tige de commande, comportant au moins deux parties en saillie dans la direction radiale de l'enceinte es- pacées axialement et ménageant avec la paroi intérieure de l'enceinte un espace de très faible dimension dans la direction radiale, - à l'extérieur de l'enceinte étanche, au moins un inducteur comportant au moins deux masses polaires espacées axialement d'une distance égale à l'es- pacement entre les parties en saillie de la pièce en matériau magnétique, mobile verticalement et des moyens de guidage et de déplacement précis de l'inducteur dans la direction verticale avec arrêtsen position, entrainant un déplacement correspondant de la pièce en matériau magnétique, les masses polaires de l'inducteur étant à une distance très faible de l'enceinte dans la direction radiale permettant l'accouplement magnétique entre l'in- ducteur et la pièce magnétique, - et un moyen de commande de la retombée de l'ensemble absorbant, par dé- saccouplement magnétique d'un organe solihire de la tige/e commande par rapport à un autre organe assurant sa suspension. 2.- Dispositif de commande suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la pièce magnétique est reliée à la tige de commande de façon amovible, par l'intermédiaire d'un dispositif de liai- son comportant une commande électromagnétique pour la liaison ou la sépa- ration de la pièce magnétique et de la tige de commande, cette commande électromagnétique constituant le moyen de commande de la retombée de lten- semble absorbant. 3.- Dispositif de commande suivant l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'inducteur est constitué par un empilement, dans la direction verticale, de circuits magnétiques à aimants permanents. il 4.- Dispositif de commande suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé par le fait que l'inducteur comporte au moins un bobinage alimenté en courant électrique. 5.- Dispositif de commande suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le moyen de commande de la retombée de l'en- semble absorbant est constitué par un moyen de fermeture du courant dans le circuit d'alimentation du bobinage de l'inducteur. 6.- Dispositif de commande suivant l'une quelconque des reven- dications 1, 2, 3, 4 et 5, caractérisé par le fait que le moyen de dépla- cement de l'inducteur est constitué par un ensemble d'au moins deux chaines sans fin passant d'une part sur une poulie motrice et d'autre part sur une poulie de renvoi, les poulies motrices étant entrainées par un moteur asyn- chrone à frein par manque de courant. 7.- Dispositif de commande suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé par le fait que le moyen de déplacement de l'inducteur est constitué par au moins deux vis verticales rotatives au- tour de leur axe vertical et par des écrous flottants solihires de Ltinduc- teur en prise avec ces vis entraînées par un moteur électrique.