Brevet FR2461334A1 — publié le 19810130

L'invention concerne un mécanisme à pignon et crémaillère pour le déplacement d'un ensemble absorbant les neutrons, mobile ver- ticalement dans un réacteur nucléaire pour la commande de puissance et l'arrêt d'urgence du réacteur. Dans les réacteurs nucléaires, le réglage de puissance et l'arret d'urgence du réacteur sont généralement obtenus en insérant des barres de commande, constituées par des tubes renfermant un maté- riau absorbant fortement les neutrons, à l'intérieur du coeur. Le réglage de puissance est obtenu par des déplacements progressifs des barres de commande pour augmenter leur insertion dans le coeur du réacteur si l'on veut diminuer la puissance ou au contraire par. des déplacements visant à réduire l'insertion des barres de com- mande si l'on veut augmenter la puissance. Ces déplacements des barres de commande insérées selon la direction verticale depuis la partie supérieure du coeur se font vers le bas dans le premier cas et vers.le haut dans le second cas. Dans le cas o l'on déclenche l'arret d'urgence on provoque une chute des barres de commande sous l'effet de la gravité jusqu'à leur position d'engagement maximum dans le coeur. Les déplacements des barres de commande sont généralement réaliség.-par des mécanismes disposés dans la partie supérieure du réacteur en prise avec une tige de commande prolongeant Les barres de commande vers le haut dans une zone éloignée du coeur du réacteur. On a déjà envisagé d'associer aux tiges de commande des crémaillères disposées suivant la direction longitudinale de ces tiges, soit usinées directement dans la tige, soit rapportées sur cette tige, pour effec- tuer le mouvement des barres de commande par mise en rotation d'un pignon engrenant avec la crémaillère solidaire de la barre de commande. Ces dispositifs à pignon et crémaillère peuvent permettre de réaliser-des mouvements précis des barres de commande en cours de pilotage du réacteur, si l'on entraine le pignon de facon exactement contrôlée. De meme, il est possible d'arr8ter les barres de commande dans une position précise, à partir du moment o l'on peut maintenir le pignon immobile en rotation. Ceci suppose une motorisation appropriée du pignon entrainant la crémaillère, les moyens d'entraînement du pi- gnon étant associés à une commande permettant d'effectuer les déplace- ments des barres de commande dans un sens et dans l'autre suivant des mouvements d'amplitude bien définie. Cependant, pour déclencher l'arrêt d'urgence, il est néces- saire de désolidariser la crémaillère de son moyen d'entraînement, pour ne pas gêner la chute des barres sous l'effet de leur propre poids. Pour permettre ces arrêts d'urgence, on a proposé des mo- yens d'entraînement du pignon pas par paspermettant un blocage en po- sition et une libération du pignon au moment de l'arret d'urgence. De tels dispositifs, du type à cliquets, sont cependant com- plexes et leur fonctionnement est entièrement discontinu. On a également proposé des systèmes d'engrènement et de dé- sengrènement du pignon permettant de libérer la crémaillère au moment de l'arr;at d'urgence mais de tels dispositifs supposent un montage mobile du pignon qui complique le dispositif et le rend d'un fonctionne- ment moins sûr. Le but de ltinvention est donc de proposer un mécanisme à pignon et crémaillère pour le déplacement d'un ensemble absorbant les neutrons, mobile verticalement dans un réacteur nucléaire pour la commande de puissance et l'arrgt d'urgence du réacteur, comportant une tige de commande verticale dont la partie inférieure est reliée à l'ensemble absorbant et dont la partie supérieure comporte une crémail- lère disposée dans la direction longitudinale de la tige et un pignon entrainé en rotation par un dispositif moteur, en prise avec la cré- maillère pour déplacer la tige de commande et l'ensemble absorbant dans un sens et dans l'autre, ce mécanisme devant permettre des mouvements précis des barres de commande avec arrêt de ces barres à des positions bien définies et une retombée des barres pour l'arrêt d'urgence du réac- teur commandée par un dispositif simple évitant le désengrènement du pignon et de la crémaillère. Dans ce but, le pignon en prise avec la crémaillère de fa- çon permanente est monté rotatif sur un arbre relié au dispositif mo- teur de mise en rotation du pignon et disposé perpendiculairement à la tige de commande et un dispositif de crabotage solidaire de l'arbre en rotation est monté mobile en translation sur cet arbre entre une posi- tion de débrayage o le pignon et le dispositif de crabotage sont éloignés l'un de l'autre et une position embrayée o le pignon et le dis- positif de crabotage sont amenés en contact et reliés par un moyen mé- canique permettant de transmettre le mouvement de rotation de l'arbre au pignon, le mouvement de translation du dispositif de crabotage sui- vant la direction axiale de l'arbre commandé par une bielle reliée à un organe d'actionnement à déplacement vertical manoeuvrable depuis la partie supérieure du dispositif. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation du mécanisme à pignon et cré- maillère selon l'invention. La figure 1 représentedans une vue en coupe par un plan vertical de symétriele dispositif de déplacement des barres de com- mande à pignon et crémaillère. La figure 2 représente une vue en coupe suivant A-A de la figure 1. Sur la figure 1, on voit le carter cylindrique 1 renfermant le dispositif de déplacement des barres de commande disposé avec son axe vertical à la partie supérieure de la cuve du réacteur nucléaire, ce carter de forte épaisseur résistant à la pression et communiquant avec l'intérieur de la cuve par sa partie inférieure. Le carter 1 est fermé à sa partie supérieure non représentée sur la figure 1, de façon étanche. La tige de commande 2 disposée suivant l'axe du carter 1 c'est à dire disposée avec son axe vertical est réunie à sa partie in- férieure non représentée sur la figure 1 à la partie supérieure de la barre de commande qui est solidaire de la tige de commande dans ses mouvements suivant la direction verticale. Une crémaillère 3 est usinée sur une partie de la tige de commande suivant la direction longitudinale de cette tige de commande. Un pignon 5 dont l'axe est perpendiculaire à l'axe de la tige de commande est en prise avec la crémaillère. La crémaillère occupe une longueur de la tige de commande telle que le pignon 5 puisse déplacer la tige de commande vers le haut par l'intermédiaire de la crémaillère avec laquelle il est en prise jusqu'à la position de la tige de commande correspondante à la position d'extraction maximum de la barre de commande. La crémaillère est d'autre part usinée vers le haut de la tige de commande sur une longueur suffisante pour que le pignon reste engrené avec cette crémaillère lorsque la barre de commande est dans sa position d'insertion maximum, par exemple lors d'un arrgt d'urgence. Le pignon 5 reste constamment en prise avec la crémaillère 3 quelle que soit la position verticale de la tige de commande 2. Ainsi qu'il est visible sur les figures 1 et 2, le pignon 5 est monté fou sur un arbre 7 lui-meme monté rotatif à l'intérieur du support 8 du dispositif de déplacement de la barre de commande, par l'intermédiaire de deux roulements 9 et 10. Le pignon 5 est monté fou sur l'arbre 7 par l'intermédiaire des roulements 11 et 12 dont les bagues internes sont solidaires de l'arbre 7. De cette façon, le pignon 5 garde une position fixe par rap- port à la crémaillère 3, l'arbre 7 étant fixé en position axiale par une butée 14 et par la partie arrière d'un pignon conique 15, l'un et l'autre solidaire de l'arbre 7. Le pignon conique 15 engrène lui-m!me avec un pignon coni- que 16 solidaire d'un arbre 18 monté rotatif dans le support 8 et lui- m8me solidaire à son extrémité opposée au pignon conique 16 d'un pignon 19. Le pignon 19 est lui-mame solidaire en rotation d'une bague reliée à la sortie d'un réducteur 21 dont l'entrée est reliée à la partie entrainée d'un accouplement magnétique non représenté à la fi- gure 1. Le dispositif moteur pour l'entraînement de l'arbre 7, par l'in- termédiaire de l'accouplement magnétique du réducteur et de l'ensemble des pignons qui a été décrit, est constitué par un moteur triphasé dis- posé à l'extérieur de L'enceinte magnétique 1 qui réalise un blocage en position lorsqu'il n'est pas alimenté. Le moteur triphasé d'entraînement transmet son mouvement de rotation à la partie menée de l'accouplement magnétique au travers de l'enceinte 1 qui reste donc totalement étanche et isolée du milieu ex- térieur. Lorsque le moteur triphasé est mis en rotation, ce mouvement de rotation se transmet donc à l'arbre 7 qui reste en mouvement tant que le moteur triphasé est alimenté et qui se bloque en position lors- que le moteur triphasé n'est plus alimenté. Ainsi qu'il est visible sur la figure 2, l'arbre 7 comporte sur une partie de sa longueur des cannelures 24, cependant qu'un dis- positif de crabotage réalisé sous la forme d'un pignon 25 comporte des cannelures correspondantes sur son alésage interne. Le pignon 25 est engagé sur l'arbre 7 de façon qu'il soit so- lidaire en rotation de l'arbre 7 mais mobile en translation dans la di- rection axiale de cet arbre. Le pignon 25 est engagé sur l'arbre 7 de façon que sa face avant 26 vienne en contact lors du mouvement de translation vers l'a- vant du pignon 25, avec la face arrière 27 du pignon 5 dont la posi- tion axiale sur l'arbre 7 est fixe. La face avant 26 du pignon 25 et la face arrière 27 du pi- gnon 5 comportent des dentures genre "dents de loup" correspondantes qui viennent en prise en fin de mouvement. De cette façon, l'arbre 7, la bague de crabotage 25 et le pignon d'entraînement 5 sont solidaires en rotation lorsque le pignon de crabotage 25 est dans sa position avant comme représenté à la fi- gure 2. Une bielle 30 est d'autre part montée articulée par l'in- termédiaire d'un axe 31 sur le support 8 du dispositif de déplacement des barrés de commande, l'une des extrémités de cette bielle 30 étant reliée de façon articulée à la partie inférieure d'une chemise d'ac- tionnement 32 coaxiale à la tige de commande 2 et se prolongeant jus- qu'à la partie supérieure du dispositif de commande. La chemise 32 est maintenue dans sa position haute comme représentée à la figure 1, par une bobine magnétique disposée à la partie supérieure du dispositif et non représentée agissant sur une pièce magnétique solidaire de la partie supérieure de la chemise 32. A sa base, la chemise 32 est reliée à une bague d'actionne- ment 34 sur laquelle est articulé,en 35,1'un des bras de la bielle cou- dée 30 dont l'autre extrémité est constituée par une fourchette d'ac- tionnement 36 en prise avec le pignon de crabotage 25 par l'intermé- diaire de deux galets 37 et 38. Dans sa position haute représentée à la figure 1, la che- mise d'actionnement maintient, par l'intermédiaire de la bielle cou- dée 30, le pignon de crabotage 25 en position avancée comme représenté aux figures 1 et 2. Dans cette position la denture de la face avant du pignon de crabotage 25 est engagée dans la denture de la face ar- rière du pignon d'entraînement de la crémaillère 5. Tant que la bobine de maintien de la chemise 32 en position haute est alimentée, le pignon d'entraînement 5 est donc en liaison mécanique avec le pignon 25 et l'arbre 7 lui-même en liaison mécanique avec le moyen d'entraînement en rotation qui a été décrit. Dans cette position, il est donc possible de déplacer la barre de commande en provoquant une rotation contr8lée du pignon d'en- trainement 5 à partir du moteur triphasé et de toute la chaine cinéma- tique qui a été décrite précédemment. De mome il est possible de maintenir la barre de commande en position, puisque le moteur triphasé est bloqué en rotation, lorsqu'il n'est pas alimenté. Par commande de l'alimentation du moteur triphasé, il est donc possible d'obtenir tout déplacement et tout maintien en po- sition de la barre de commande. Si on interrompt l'alimentation de la bobine de maintien, en position haute, de la chemise 32, celle-ci retombe sous l'effet de son propre poids et entraine la bielle 30 en rotation si bien que la fourchette 36 entraine le pignon de crabotage en translation vers l'ar- rière, les dentures de crabotage 25 et 5 se trouvant alors désengrénées. Le pignon 5 monté fou en rotation sur l'axe 7 ne maintient plus alors en position ia crémaillère 3 et la barre de commande 2 qui peut retomber sous l'effet de son propre poids jusqu'à ce que la barre de commande qui est liée à la tige de commande 2 soit parvenue à sa po- sition d'insertion maximum dans le coeur du réacteur. On peut donc obtenir l'arrêt d'urgence du réacteur en inter- rompant l'alimentation de la bobine de maintien en position de la che- mise 32, ce qui est particulièrement simple et rapide. Pendant tous ses mouvements, la tige de commande 2 est gui- dée par des galets tels que 40 et 41 montés fous sur des axes soli- daires du support 8 du dispositif de commande. On voit que les avantages principaux de l'invention sont de permettre l'utilisation d'un dispositif à pignon et crémaillère pour le déplacement d'une barre de commande dans un réacteur pendant le pi- lotage de ce réacteur, avec maintien de la barre de commande en posi- tion, tout en permettant de déclencher l'arrêt d'urgence de façon ex- trêmement sûre et extrêmement simple, en libérant une chemise d'action- nement qui retombe sous son propre poids. De cette façon, on profite de tous les avantages du disposi- tif à pignon-crémaillère qui permet des déplacements de la barre de commande dans un mouvement continu et sans choc avec arrêt précis à tout niveau de la hauteur de course de la barre de commande ce dispositif étant en mome temps d'un encombrement réduit à l'intérieur du carter surmontant la cuve du réacteur. D'autre part le montage du dispositif de commande à pignon et crémaillère à l'intérieur du carter surmontant la cuve du réacteur est particulièrement simple et ne nécessite pas un positionnement pré- cis en rotation du dispositif par rapport à la barre de commande. D'autre part, après un arr8t d'urgence, le pignon deentrai- nement 5 reste engrené sur la crémaillère 3, si bien qu'il suffit pour remettre le dispositif de déplacement de la barre de commande en servi- de ce/provoquer le retour de la chemise 32 en position haute en alimentant la bobine de maintien de cette chemise et d'alimenter le moteur tripha- sé pour la remontée de la barre et tout autre déplacement ultérieur pour le pilotage du réacteur. D'autre part, l'arrgt d'urgence peut 9tre obtenu très faci- lement et de façon très sure et pour augmenter encore la fiabilité du dispositif on peut associer à la chemise 32 un ressort de rappel desti- né à renforcer l'action de la pesanteur pour ramener la chemise 32 en position basse. De plus dans le cas o l'on utilise un moteur d'entrainement en rotation du dispositif à pignon qui se bloque en rotation par inter- ruption de son alimentation, le maintien en position de la barre de com- mande est assuré sans consommation d'énergie autre que l'énergie dtali- mentation de la bobine de maintien en position haute de la chemise d'ac- tionnement. D'autre part lorsqu'on utilise un accouplement magnétique pour la traversée de la paroi du carter du mécanisme, par exemple un dispo- sitif à aimant permanent qui permet de transmettre de manière synchrone et avec un rendement élevé le couple moteur à travers l'enceinte étanche 1, on assure ainsi une limitation automatique des efforts exercés sur 3È la barre de commande puisqu'en cas d'efforts trop importants, il y a décrochage entre les parties menant-et menée de l'accouplement magné- tique. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit, elle en comporte au contraire toutes les variantes et l'on peut modifier les points de détail sans pour autant sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi qu'au lieu d'un moteur triphasé réalisant un blo- cage en position par manque de courant associé à un accouplement magné- tique pour la traversée de l'enceinte étanche, on pourra utiliser tout type de moteur frein associé à une traversée mécanique rotative permet- tant de transmettre le mouvement à l'intérieur de l'enceinte étanche. On peut imaginer également l'utilisation d'un moteur pas à pas à rotor noyé (ou à chemise d'entrefer) pour assurer la motorisa- tion du dispositif dtentrainement de la barre de commande. Enfin, l'invention s'applique dans tous les réacteurs nuclé- aires o l'on réalise une commande de puissance et un arrêt d'urgence par déplacement suivant la direction verticale d'un ensemble absorbant les neutrons pouvant s'insérer plus ou moins profondément dans le coeur du réacteur. REVEND ICATIONS 1 / Mécanisme à pignon et crémaillère pour le déplacement d'un ensemble absorbant les neutrons mobile verticalement dans un réacteur nucléaire pour la commande de puissance et arrgt d'urgence du réacteur comportant une tige de commande verticale dont la partie inférieure est reliée à l'ensemble absorbant et dont la partie supérieure constitue une crémaillère disposée dans la direction longitudinale de la tige et un pignon entrainé en rotation par un dispositif moteur, en prise avec la crémaillère pour déplacer la tige de commande et l'ensemble absor- bant dans un sens et dans l'autre, caractérisé par le fait que le pignon en prise avec la crémaillère de façon permanente est monté rotatif sur un arbre relié au dispositif moteur de mise en rotation du pignon dis- posé perpendiculairement à la tige de commande et qu'un dispositif de crabotage solidaire de l'arbre en rotation est monté mobile en trans- lation sur cet arbre, entre une position débrayée o le pignon et le dispositif de crabotage sont éloignés et une position embrayée o le pignon et le dispositif de crabotage sont amenés en contact et reliés par un moyen mécanique permettant de transmettre le mouvement de rota- tion de l'arbre au pignon, le mouvement de translation du dispositif de crabotage suivant la direction axiale de l'arbre étant commandé par une bielle reliée à un organe d'actionnement à déplacement vertical manoeuvrable depuis la partie supérieure du dispositif. / Mécanisme à pignon et crémaillère suivant la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que l'organe d'actionnement de la biel- le est constitué par une chemise coaxiale à la tige de commande reliée à sa partie supérieure à une pièce magnétique et maintenue en position haute, dans laquelle la bielle maintient le dispositif de crabotage en position embrayée, par une bobine magnétique, l'arrêt de l'alimentation de cette bobine magnétique provoquant la retombée de la chemise et le déplacement de la bielle et du dispositif de crabotage, pour obtenir l'arr8t d'urgence et la retombée de la barre de commande sous l'effet de son propre poids. / Mécanisme à pignon et crémaillère suivant la revendica- tion 2, caractérisé par le fait qu'un ressort de rappel est associé à la chemise de commande pour son rappel en position basse, o la bielle ramène le pignon de crabotage en position débrayée. / Mécanisme à pignon et crémaillère suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le dispositif moteur de mise en rotation du pignon d'entraînement est constitué par un moteur triphasé à blocage en position par un frein à manque de cou- rant disposé à l'extérieur d'une enceinte étanche en communication avec la cuve du réacteur et renfermant le mécanisme à pignon et crémaillère, le moteur triphasé étant associé pour la transmission du mouvement de rotation au mécanisme à pignon et crémaillère à un accouplement magné- tique à aimant permanent.