Brevet FR2481505A1 — publié le 19811030

_ 1 stème d'arrêt auto:natinue de réacteurs nucléaires L'invention concerne de façon générale un système de commande automatique pour réacteurs nucléaires et plus particulièrement les systèmes d'arrêt automatique des réacteurs nucléaireso Tous les réacteurs nucléaires incorporent un système d'arrêt d'urgence qui comprend un dispositif pour réduire la réactivité du coeur du réacteur nucléaire. La réduction de la réactivité du coeur du réacteur nucléaire est généralement accomplie au moyen de l'introduction d'une forme de matériau absorbant les neutrons dans le coeur du réacteur. Ces systèmes doivent 9tre des systèmes simples et fiables permettant d'introduire rapide- ment un matériau absorbant les neutrons dans le coeur du réac- teur nucléaire afin d'obtenir l'arrêt de ce réacteuro Le procédé principal connu dans l'art antérieur pour commander un réacteur nucléaire est le système comprenant des barres de commande. Dans ce système, ces barres de commande sont élevées et abais- sées par des mécanismes mécaniques, dans et hors du réacteur nucléaire afin de commander la quantité de réactivité dans le coeur, Dans une situation d'urgences les barres de commande sont relâchées de façon telle qu'elles tombent dans la zone du coeur du réacteur9 réduisant ainsi la réactivité de ce coeur et arrêtant le réacteur* Bien que ce système ait prouvé son extrême fiabilité, des procédés additionnels de secours ont été proposes comme système redondant de commande de réacteur en cas d'urgences Comme variante de procédé de commande de réacteurD l'utilisa- tion de billes absorbant les neutrons a été suggérée. Dans un tel système de commande, l'appareillage comprend un mécanisme de retenue pour retenir de façon relgchable une multitude de corps discrets de matériaux qui sont magnétiques et possèdent des proprié-és d'absorption des neutrons0 Ce dispositif de retenue comprend au moins une paire de pièces polaires magné- -2 - tiques de polarité opposée, l'appareillage étant r--.noeuv-ré pour relâcher les corps discrets par dé&.agnéỉsation des pie- ces polaires, grâce à quoi ces corps sont déplacés, par l'in- fluence de la gravité, dans le coeur du réacteur0 Un autre de tels systèmes de commande est celui décrit dans le brevet américain 4 076 583, au nom de ASH et al. Dans le mécanisme de commande selon ce brevet ASH, une pluralité de conduites définissent un passage de courant liquide et comprennent une première partie située à l'intérieur et s'étendant à travers le coeur du réacteur, et une seconde partie située extérieure- ment au coeur et disposée au-dessus de la première. Chacune des conduites contient une pluralité de corps sensiblement sphériques, et en quantité suffisante pour remplir sensible- ment la première partie de chacune des conduites. Les conduites comportent une première connexion pour fluides sur une partie inférieure de la première partie et une seconde connexion pour fluides sur la partie supérieure de la seconde partie pour le passage d'un fluide sous pression à travers ces conduites, pendant le maintien du réacteur en marche. Le réacteur nuelé- aire correspondant comprend, de plus, un dispositif pour ali- menter la première connexion en fluide sous pression, afin de déplacer totalement la pluralité des corps de la première par- tie à la seconde partie de chacune de ces conduites allongées, et former une couche de corps sphériques, empilés par effet hydraulique. Il est prévu un mécanisme de by-pass intermédiaire par rapport à la seconde connexion pour fluides, dans la seconde partie de chacune des conduites, et une pluralité de passages pour fluides distribués sur toute la longueur de la seconde partie pour permettre à une partie du fluide sous pression de court-circuiter une partie de la couche des corps empilés pendant le fonctionnement normal du réacteur, Dans nombre des systèmes à billes d'absorbant supportées de façon hydraulique, le courant de caloporteur du réacteur élève le matériau absorbant hors de la zone du coeur et le 248 1505 -3- coince dans la région supérieure de l'assemblage de commande, La friction sur les parois en résultant et la faible fraction de vides retardent la tendance des billes à tomber lorsque le courant liquide est réduit au-dessous de la vitesse de support d'une bille unique. A un niveau de courant réduit de calo- porteur, les effets combinés de l'entraînement du fluide et du frottement des parois ne sont plus capables de supporter le poids de la pile de billes et l'insertion de ces billes dtab- sorbeur se produite Afin de réduire la perte de pression à des niveaux permissibles un tube de by-pass partiel de calo- porteur est inséré, de façon générale dans la pile. Ces sys- tèmes possèdent certaines limitations. Une des limitations de ces systèmes est celle due au frottement sur les parois et h la faible fraction de vides, l'insertion des billes d'absor- beur ne se produit pas tant que le débit de caloporteur du réacteur n'est pas réduit à moins de 25 f du plein débit. Dans nombre de circonstances il est souhaitable pour les billes d'absorbeur d'être insérées pour un pourcentage plus-élevé du plein débit de caloporteur du réacteur. Un autre désavantage de ces systèmes est que la vitessede chute de la pile de bil- les d'absorbeur est limitée par le glissement k frottement opposé de la pile aussi bien que par la courbe vraisemblable de diminution du courant de caloporteur du réacteur. De plus, pendant le démarrage du réacteur nucléaire, ces systèmes sont susceptibles d'une mise en pile prématurée et d'une inaptitude conséquente b élever pleinement les billes par suite d'un court-circuitage excessif du fluide. Bien plus, il y a dans ces système une probabilité que les billes d'absorbeur se bloquent dans la partie supérieure de la colonne, ce qui peut entraîner un coincement permanent de la pile et une défail- lance subséquente h répondre aux réductions du courant fluide. En conséquence, il subsiste le besoin d'une colonne de com- mande de réacteur nucléaire qui soit capable d'arrêter auto- matiquement un réacteur nucléaire, lorsque le courant de -4_ caloporteur du réacteur tombe au-dessous d'une limite predé- ierminée. L'invention a pour but principal de créer un agencement d'ar- rèt automatique qui fonctionne lorsque les billes dans le courant fluide atteignent une valeur données L'invention réside dans un agencement d'arrêt d'un réacteur nucléaire comprenant: une structure de maintien des éléments absorbeurs de neutrons, cette structure étant disposée au- dessus d'un coeur de réacteur nucléaire, et étant adaptée k admettre un courant de caloporteur de réacteur pour maintenir ces éléments absorbeurs au-dessus du coeur de réacteur pendant l'écoulement normal du caloporteur du réacteur et permettant à ces éléments de tomber dans ce coeur de réacteur pour arrè- ter ce réacteur sous un courant inférieur anormal du calo- porteur de réacteur, agencement caractérisé en ce que cette structure est adaptée de telle sorte que le courant de calo- porteur du réacteur mette en suspension les éléments absor- bants sous forme de couche fluidifiée lorsque ce courant de caloporteur se tient au-dessus d'une valeur donnée et qu'il' permette à ces éléments absorbants de descendre dans le coeur du réacteur pour arrêter ce réacteur lorsque le courant de caloporteur descend au-dessous de la valeur donnéeo La colonne de commande du réacteur nucléaire comprend une colonne, disposée à l'intérieur du coeur du réacteur nuclé- aire, ayant un canal creux de section droite variable et con- tenant des billes sphériques dont l'emplacement vertical est déterminé par le courant du caloporteur du réacteur traversant cette colonne de commande. Cette colonne est divisée en trois parties principales o chacune des parties possède une sur- face de section droite différente. La partie la plus élevée de cette colonne de commande possède la surface de section droite la plus grande, la partie intermédiaire de cette -5 colonne de commande possède la surface de section droite la plus faible, et la partie la plus basse de cette colonne de commande présente une surface de section droite intermédiaire. De cette façon, la surface de section droite de la partie la plus élevée peut être établie telle, que lorsque le calopor- teur du réacteur traverse ce dernier dans les conditions nor- mrales, les billes d'absorbeur soient suspendues en couche flui- difiée dans la partie supérieure. Cependant, lorsque le débit du caloporteur de réacteur tombe au-dessous d'une valeur pré- déterminée, les billes d'absorbeur tombent dans la partie intermédiaire, la traversent et arrivent dans la partie la plus basse, réduisant de ce fait la réactivité du coeur de réacteur et arrêtant ce dernier. Les surfaces de section droite des trois parties peuvent être choisies de telle sorte que dans les conditions normales de débit, les billes d'absorbeur soient maintenues dans la partie supérieure à la façon d'une couche fluidifiée, mais que lorsque le débit de ce caloporteur tombe au-dessous d'une valeur prédéterminée, les billes d'ab- sorbeur tombent dans la partie inferieure de la colonne de commandeo Des modes de réalisation préférentiels de l'invention vont 9tre décrits, au moyen d'un exemple unique, avec référence aux dessins d'accompagnement dans lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale d'un réacteur nucléaire ayant une colonne de commande avec les billes d'absorbeur en couche fluidifiée situées dans la partie supérieure - la figure 2 est une coupe verticale d'un réacteur nucléaire dans lequel le débit de caloporteur du réacteur a eté diminué et les billes d'absorbeur sont tombées dans la partie inf6- rieure de la colonne de commande; et, - la figure 3 est une coupe vericale d'un réacteur nucléaire ayant une réalisation en variante de la colonne de commandeo -6- Bien que les systèrmes actuels à barres de commande se soient prouvés être extrêmement fiables dans la commande des réacteurs nucléaires des systèmes de commande additionnels, redondants, sont maintenant proposés pour emploi en conjonction avec ces systèmes et d'autres de commande des réacteurs nucléaires. L'invention décrite ici crée un dispositif par lequel un réac- teur nucléaire peut 9tre commandé automatiquement et de façon sfre, en réponse aux modifications de débit du caloporteur du réacteur, En se reportant à la figure 1, un générateur nucléaire est désigné de façon générale par 10 et comprend une cuve de réacteur 12 ayant une entrée 14 et une sortie 16 disposées sur elle. Un coeur 18 est disposé dans cette cuve de réacteur 12 et est entouré par du caloporteur de réacteur 20 qui peut être un métal solide tel que du sodium liquide. Le coeur 18 possède une région centrale 22 dans laquelle se produit la plus grande réactivité du coeur. Ce coeur de réacteur 18 com- prend une pluralité d'assemblages combustibles 24 qui peuvent 9tre choisis parmi ceux bien connus de l'homme de l'art. Ces assemblages combustibles 24 sont supportés par un support in- férieur de coeur qui peut erre fixé au bas de la cuve de réac- teur 12 au moyen de supports 28. Le support inférieur de coeur 26 définit en son intérieur une cavité d'entrée 30. Un dispo- sitif directeur de courant tel qu'une conduite 32 peut 9tre fixé à l'entrée 14 et au support inférieur de coeur 26 pour conduire le caloporteur de réacteur à travers l'entrée 40 et le faire pénétrer dans la cavité d'entrée 30. Les assemblages combustibles 24 possèdent des premières ouvertures 34 disposées dans leur partie inférieure et en communication pour fluides avec la cavité d'entrée 30 de telle sorte que le courant de caloporteur du réacteur 20 traversant la cavité d'entrée 30 puisse pénétrer dans les assemblages combustibles 24. Une fois que le caloporteur du réacteur a pénétré dans les assemblages combustibles 24, ce caloporteur s'écoule vers le haut à tra- vers les assemblages combustibles 24 et en sort par leur sommet. De cette façon la chaleur est transférée des assemblages com- bustibles 24 au caloporteur de réacteur 20 d'une manière bien connue de l'homme de l'art. En se reportant toujours k la figure 1, une pluralité de colon- nes de commande 36 sont aussi disposées à l'intérieur de la cuve de réacteur 12 et à l'intérieur du coeur 18. Ces colonnes de commande 36 comprennent une enveloppe, généralement cylin- drique, 38 ayant une buse d'entrée 40 fixée à leur partie in- férieure. Cette buse d'entrée 40 possède une pluralité de pre- mières ouvertures 42 disposées sur elle et est agencée de telle sorte que la buse d'entrée 40 soit disposée à l'intérieur de la cavité d'entrée 30. L'enveloppe 38 possède aussi une pluralité de secondes ouvertures 44 disposées à l'extrémité supérieure de cette enveloppe 38. Une première plaque 46 est disposée à l'in- térieur de l'enveloppe 38 et possède une pluralité d'orifices 48 permettant au caloporteur de réacteur de les traverser, mais suffisamment étroits pour empêcher les matériaux absorbeurs de neutrons de passer à travers. Une seconde plaque 50 traversée par un canal 52 est aussi située dans l'enveloppe 38 et au- dessus de la première plaque 460 Une première partîe 54 est définie entre la première plaque 46 et la seconde plaque 50a La surface de section droite de la première partie 54 est dési- gnée par A1. Une seconde partie, 56, de la colonne de commande 36 est définie entre la partie-supérieure de l'enveloppe 38 et la seconde plaque 50. La surface de section droite du canal 52 est désignée par A2 et la surface de section droite de la se- conde partie 56 est désignée par A3. Une pluralité de billes absorbant les neutrons 58 qui peuvent être des billes de tan- tale sont disposées à l'intérieur de l'enveloppe 38o Le caloporteur de réacteur pénètre dans le réacteur nucléaire 12 par l'entrée 14 et s'écoule par la conduits 32 dans la cavité d'entrée 30, De cette cavité d'entrée 30, ce caloporteur 248 1505 _8_ pénètre par les premières ouvertures 34 dans les asserrb1ages combustibles 24 et s'écoule à travers ces assemblages combus- tibles 24. Le caloporteur pénètre aussi par les premières ouvertures 42 dans la buse d'entrée 40 de la colonne de cora- mande 36 et circule dans l'enveloppe 38. Ce caloporteur de reacteur dans l'enveloppe 38 passe par les premiers orifices 48 de la première plaque 46 et pénètre dans la première partie 54 de la colonne de commande 36o Ce caloporteur s'écoule de la première partie 54 dans la seconde partie 56 de la colonne de commande 36 en passant par le canal 52 de la plaque 50. De la seconde partie 56 de la colonne de commande 36, le caloporteur quitte l'enveloppe 38 à travers les secondes ouvertures 44. Ce caloporteur de réacteur sort ensuite de la cuve de réacteur 12 par l'intermédiaire de la sortie 16. Lorsque le débit de calo- porteur de réacteur traversant l'enveloppe 38 est d'une valeur suffisante, les billes 58 sont élevées et demeurent dans une configuration de couche fluidifiée dans la seconde partie 56. Cependant, lorsque le-débit du caloporteur de réacteur tombe au-dessous d'une valeur prédéterminée, les billes 58 tombent de la seconde partie 56, par le canal 52, dans la première partie 54 comme figuré sur la figure 2. Une fois dans la con- figuration telle que représentée sur la figure 2, les billes 58 reposent sur la première plaque 46 et remplissent la pre- mière partie 54 de façon X grandement réduire la réactivité du coeur 18. De cette manières lorsque le courant de calo- porteur du réacteur, b travers la cuve du réacteur, descend au-dessous d'une valeur prédéterminée, les billes 58 tombent à un emplacement dans le coeur 1-8 o la réactivité du coeur se réduit grandement arrétant ainsi automatiquement le réacteur nucléaire. Selon l'invention décrite ici, le choix de valeurs relatives appropriées pour les surfaces des sections droites 1i, A2 et A3 est très important. Dans le concept selon l'invention, il est important que la surface de la section droite de A3 soit plus grande que la surface de la section droite de AL 9 et que celle-ci à son tour soit supérieure à la surface de la section droite de 2. Dépendant de la valeur choisie pour la vitesse normale du courant de caloporteur du réacteur, la surface de section droite A3 doit être choisie telle que la vitesse du fluide caloporteur du réacteur n'excède pas la vitesse limite des billes 58 dans la seconde partie 56 de façon que ces billes 58 demeurent dans la seconde partie 569 en situation de couche fluidifiée, dilatée. Par l'établissement d'une couche fluidi- fiée dilatée de billes 58 dans la seconde partie 56, par le choix d'une surface de section droite A3 sufissament grandes le système empêche le coincement des billes 58 dans la seconde partie 56 et élimine les diffieultés associées au coincement des billes 58 dans la partie supérieure d'une colonne de com- mande. La surface de section droite A2 du canal 52 doit 9tre choisie de telle sorte que la vitesse linéaire du fluide dans cette partie soit sensiblement supérieure à la vitesse maximale permettant le dépÈt des billes 58 pendant la marche normale du réacteur de telle sorte que les billes 58 ne puissent revenir dans la première partie sous ces conditions, La surface de sec- tieon roite A2 du canal 52 doit être choisie pour que la vi tesse à laquelle se produit la chute soit une fraction de 1a vitesse aseendantet totale du caloporteur du réacteur. Selon tl'invention, la chute de la matière de ltabsorbeur peut 8tro établie, pour qu'elle débute à un taux de débit dtenviron 50 % --du débit de plein régime du caloporteur de réacteur, par un choix approprié de la surface de la section droite 2o Ceci procure le grand avantage d'obtenir automatiquement l'arrêt total du réacteur lorsque le débit de caloporteur du réacteur atteint approximativement 50 % du plein débit plut i qu' un moment oh le caloporteur du réacteur est à un taux de débit bien inférieuro En comparaison du point de chute similaire de l'art antérieur, le système fluidifié décrit ici montre une durée de chute plus favorable comparée à celle du système m billes empilées pour une courbe de descente donnée du calo- - 10 - porteur de réacteur. Le présent système possède l'avantage additionnel qu'il élimine le besoin d'un tube de court-circuit (ou by-pass) qui empêche un comportement prématuré ou incom- plet d'empilage. De plus, la nature doucement agitée du système de couche fluidifiée par liquide rend la probabilité d'un coincement permanent des billes 58 plus faible que dans les systèmes à empilement coincé de l'art antérieur0 Bien plus, la chute de pression expérimentée dans le présent système est limitée au poids des billes d'absorbeur parce que ces billes ne sont pas immobilisées contre la grille supérieure. Le présent système possède des avantages additionnels en ce que les formes des zones des sections droites Ajr A2 et A3 ne dépendent pas de la marche du système. De plus, les centres de ces trois zones des sections droites n'ont pas besoin d'être alignés. Les conditions de base du système sont que les trois zones de section droite A1, A2 et A3 doivent être agencées avec 3 situé au-dessus de A2 et avec 12 situe au-dessus de Ai. De plus, toutes les zones de section droite Ai, 2 et A3 doivent constituer un canal à débit commun0 De préférence, À3 devrait être approximativement de deux fois la surface de sec- tion droite de AI et la surface de section droite 2 devrait ttre approximativement 0,90 fois la surface de section droite de Al pour obtenir l'insertion, à 50 % du plein débit du calo- porteur du réacteur. De préférence A3 doit être choisi par la formule suivante a 2,5 Ai x Hl 13 11 3 o z Hi est la hauteur de la première partie 54; et H3 est la hauteur de la seconde partie 56, Dans la présente conception, la vitesse superficielle du calo- porteur de réacteur à travers la première partie 54 devrait être (au plein débit du caloporteur) supérieure à la vitesse il - Iii.,ite des billes d'absorbeur 58. Il est important aussi que la zone de section droite A3 soit choisie suffisamment grande pour qu'à plein régime du caloporteur s 11 La vitesse limite d'une bille individuelle dalbsorbeur na soit pas dépassée par la vitesse superficielle du fluide dans cette partie; et queo 2o La couche ftluidifiée ne se dilate pas suffisamment pour que sa surface supérieure Tienne au contact de la partie supérieure de la colonne de commande 36o La surface de section droite du canal 52, 2s doit %tre choisie de telle sorte que la vitesse superficielle du fluide dans le canal 52, au régime minimal de marche souhaitable pors le calo poroeur soit jusie équivalente à la vitesse de chute libro des billes 58o Le débit auquel cette équivalence se produit est le débit d'insertion du système. Lorsque le débit du caloporteur est reduit légèrement au-dessous de cette valeur les billes 58 tombent dans la première partie 54 et arrgtent automatiqueo ment le réacteure Comme représenté sur la figure 3, le canal 52 peut 8tre établi pour n'avoir qu'une hauteur négligeable du moment que sa sur- face de section droite A2 est choisie correctement% En consequence, on voit que l'invention crée une colonne de commande pour arrgter automatiquement un réacteur nucléaire on réponse à un débit réduit de caloporteuro - 12 - REVENDICATIONS 1. Agencement d'arrêt de réacteur nucléaire comprenant s une structure de maintien des éléments absorbeurs de neutrons, cette structure étant disposée au-dessus d'un coeur de réac- teur nucléaire, et étant adaptée à admettre un courant de calo- porteur de réacteur pour maintenir ces éléments absorbeurs au- dessus du coeur de réacteur pendant le débit normal du calo- porteur du réacteur et permettant à ces éléments de tomber dans ce coeur de réacteur pour arrêter ce réacteur sous un débit inférieur anormal du caloporteur de réacteur, agencement caractérisé en ce que cette structure (54, 56, 52) est adaptée de telle sorte que le courant de caloporteur du réacteur mette en suspension les éléments absorbeurs sous forme de couche fluidifiée lorsque le débit de caloporteur se tient au-dessus d'une valeur donnée et qu'il permette à ces éléments absorbeurs de descendre dans le coeur du réacteur pour arrêter ce réacteur lorsque le débit de caloporteur descend au-dessous de la valeur donnée. 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments absorbant les neutrons (58) ont la forme de billes. 3. Agencement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure comporte une première partie inférieure (54) et une seconde partie supérieure (56) pour maintenir les élé- ments à la façon d'une couche fluidifiée, et un canal (52) entre ces première et seconde parties. 4. Agencement selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le volume de la seconde partie (56) est approximati- vement de 295 fois le volume de la première partie (54). 13 - o Agencement selon l'une quelconque des précédentes revendi- cations, caractérisé en ce que la surface de section droite du canal (52) est approximativement de 90 pourcent de la sur- face de section droite de la première partie (54). 6. Agencement selon l'une quelconque des précédentes revendi- cations, caractérisé en ce que la limite supérieure du débit est supérieure de 25 pourcent à la valeur de plein débit du caloporteur du réacteur. 7o Agencement selon la revendicatlion 6 caractérisé en ce que la limite inf6rieure de débit est approximativement de 50 pourcent du plein débit du caloporteur du réacteure 8. Agencement selon l'une quelconque des revendications 2 h 7? caractérisé en ce que les billes absorbant les neutrons sont des billes de tantale,