Brevet FR2509079A1 — publié le 19830107

I Mécanisme à vérins pour superstructure interne de réacteur nucléaire à re- froidissement par métal liquide. La présente invention se rapporte d'une manière générale aux ré- acteurs nucléaires à refroidissement par métal liquide, et elle concerne plus précisément un mécanisme à vérins pour lever, abaisser et supporter la superstructure interne d'un réacteur nucléaire à refroidissement par mé- tal liquide. La conception du réacteur nucléaire à refroidissement par métal liquide, connu sous le nom de "Réacteur surrégénérateur de Clinch River", comprend une structure appelée "superstructure interne" La superstructure interne remplit plusieurs fonctions: support et alignement des barres de commande au-dessus des assemblages combustibles du coeur du réacteur, sup- port des instruments, maintien du coeur et mélange des écoulementsde fluide de refroidissement La superstructure interne est suspendue à des colonnes de support fixées à un "bouchon tournant intermédiaire" qui fait par- tie de la tête de la cuve du réacteur La superstructure interne est mise en place, à son extrémité inférieure, au moyen de clavettes radiales qui s'engagent dans des rainures formées dans une structure de l'enveloppe du coeur Les clavettes sont importantes du fait qu'elles permettent de régler l'alignement de la superstructure interne et qu'elle s'opposent aux vibra- tions provoquées par l'écoulement du fluide de refroidissement. Pendant le rechargement du réacteur, on doit faire subir une rota- tion au bouchon tournant intermédiaire afin que l'appareil de rechargement puisse accéder à tous les assemblages combustibles du coeur Cette opération impose de relever la superstructure interne sur une hauteur suffisante pour dégager les clavettes de la superstructure interne, des rainures formées dans l'enveloppe du coeur de sorte que la superstructure interne et le bou- chon intermédiaire puissent tourner librement Un mécanisme à vérins est uti- lisé pour effectuer le levage et l'abaissement nécessaires de la superstruc- ture interne pendant le rechargement du réacteur. Le système de support de la superstructure interne inclut les co- lonnes de support qui transmettent le poids mort et les autres charges de la superstructure interne, par l'intermédiaire des vérins, au bouchon inter- médiaire qui les transfère à la tête du réacteur, laquelle est supportée à son tour par les structures d'une construction d'enceinte. Pendant le levage de la superstructure interne permettant le re- chargement du réacteur, le système de support de la superstructure interne doit pouvoir supporter le poids mort (environ 50 000 kg) de cette super- structure interne ainsi que les charges dues à un défaut d'alignement des clavettes et des rainures (l'importance de ces charges dépend du défaut d'alignement). Pendant le fonctionnement du réacteur, le système de support de la superstructure interne doit pouvoir supporter le poids mort de cette superstructure interne, les charges sismiques ( 500 000 kg) et, en plus, d'éventuelles forces appliquées alternativement vers le haut et vers le bas à la superstructure interne en raison d'une détente rapide de la vapeur provenant du métal liquide de refroidissement du réacteur à la suite d'un accident Cette force pourrait atteindre 2 000 000 kg Comme on considère comme moins probable que l'accident en question se produise pendant le re- chargement, cette capacité à supporter une charge élevée peut ne pas être nécessaire pendant le rechargement. Pendant le levage et l'abaissement,de légers défauts d'aligne- ment entre la superstructure interne et les rainures formées dans l'en- veloppe du coeur, imposent des charges au mécanisme à vérins de manière à forcer l'engagement des clavettes dans les rainures ou leur dégagement de ces rainures La charge que le mécanisme à vérins devra supporter du fait du défaut d'alignement, est fonction de l'importance de ce défaut. La superstructure interne est utilisée pour le guidage et l'ali- gnement des barres de commande afin que celles-ci puissent plonger dans les tubes de guidage des barres de commande des assemblages combustibles lors- que le réacteur est à l'arrêt Le temps nécessaire à la plongée des barres de commande dans le coeur du réacteur, appelé "temps d'arrêt", est un fac- teur important de sécurité qui est influencé de manière défavorable par un défaut quelconque d'alignement entre la superstructure interne et le coeur du réacteur Par conséquent, le mécanisme à vérins doit permettre le levage et l'abaissement précis de la superstructure interne en vue des opérations de rechargement, de manière à éviter les défauts d'alignement, en particu- lier les défauts dans le sens vertical qui ne sont pas corrigés par l'in- troduction des clavettes dans les rainures On considère que la marge d'erreur limite pendant l'abaissement de la superstructure interne, est de 0,75 mm sur 7 m. En résumé, le mécanisme de verrouillage et le système de support de la superstructure interne d'un réacteur nucléaire à refroidissement par métal liquide du type "Clinch River", doivent pouvoir supporter des forces très importantes, tout en effectuant une mise en place précise de la super- structure interne. Les mécanismes à vérins classiques qui peuvent répondre aux exi- gences de charges indiquées, occupent un volume important etsont insuffi- samment précis Les vérins de précision ne sont pas suffisamment robustes. En outre, la région dans laquelle doivent être placés les vérins est encom- brée d'autres équipements nécessaires, de sorte qu'on ne peut y loger faci- lement des vérins massifs. L'objet principal de la présente invention est donc de fournir un mécanisme à vérins capable de supporter des efforts importants et de mettre en place avec précision la superstructure interne d'un réacteur nu- cléaire à refroidissement par métal liquide. Afin de réaliser cet objet, la présente invention consiste en un mécanisme à vérins pour lever et abaisser la superstructure interne d'un réacteur nucléaire à refroidissement par métal liquide Ce mécanisme à vé- rins comprend des moyens de support pour lever, supporter et abaisser des colonnes de support, plusieurs logements cylindriques supportés par le ré- acteur et percés de rainures axiales, des colonnes de support disposées chacune dans un des logements et fixées à une extrémité à la superstructure interne, et des moyens formant vérins associés à chaque logement afin de lever et abaisser la colonne de support par rapport au logement Le méca- nisme à vérins se caractérise en ce que chaque colonne de support est tra- versée, à son extrémité, par un axe qui passe également dans la rainure de manière à pouvoir se déplacer dans celle-ci pendant le mouvement de levée et d'abaissement de la colonne de support, et chaque logement comporte des sur- faces permettant de supporter la colonne de support dans des positions pré- déterminées; et en ce que des plaques de verrouillage sont montées de ma- nière à pouvoir pivoter sur les parties des axes qui traversent les rainu- res des logements, ces plaques de verrouillage présentant des surfaces de butée et de support de charges, disposées pour mettre la colonne de support en contact avec le logement, lorsque la colonne se trouve en position rele- vée ou abaissée. Les plaques de verrouillage sont en contact avec le logement et, de ce fait, dans l'une ou l'autre position, -elles reçoivent des vérins à vis et rotule toutes les charges de la superstructure interne. Le mécanisme à vérins pour superstructure interne comporte des vé- rins à fonctionnement précis qui sont en action pendant les opérations de rechargement (relèvement et abaissement), qui sont dimensionnés de manière à pouvoir supporter les charges dues à un défaut d'alignement et au poids mort, et qui sont accouplés à des plaques de verrouillage suffisamment ro- bustes pour résister également aux charges sismiques et accidentelles Ce mécanisme combiné est relativement petit. Pendant les intervalles de temps courts et peu fréquents au cours desquels s'effectuent les opérations de relèvement et d'abaisse- ment, les plaques de verrouillage ne sont pas mises en place mais on considère que la probabilité d'un accident ou d'une secousse sismique est relativement faible. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en élévation d'un réac- teur nucléaire à refroidissement par métal liquide comprenant une super- structure interne; la figure 2 est une vue en la figure 3 est une vue en à vis et rotule; la figure 4 est une vue en indiqué à la figure 3; la figure 5 est une vue en figure 3, la colonne étant représentée la figure 6 est une vue en figure 3, la colonne étant représentée la figure 7 est une vue en VII-VII de la figure 3; et plan du mécanisme à vérins; élévation d'une colonne de vérin plan suivant le plan de coupe IV-IV coupe détaillée partielle de la en position "basse"; coupe détaillée partielle de la en position "haute"; plan suivant le plan de coupe la figure 8 est une vue détaillée d'une plaque de verrouilla- ge. On se reportera maintenant à la figure 1 qui représente la dis- position générale de la superstructure interne 1, du mécanisme 2-à vérins pour cette superstructure interne, de l'enveloppe 3 du coeur, des clavet- tes 4 et des rainures 5 Le mécanisme 2 à vérins fournit à la superstruc- ture interne un support vertical et latéral sûr pendant le fonctionnement du réacteur, et relève suffisamment la superstructure interne pour libé- rer les rainures 5 avant la rotation du bouchon intermédiaire Il de la tête de fermeture du réacteur. Le mécanisme à vérins pour la superstructure interne se compo- se de quatre vérins identiques 6 à vis et rotule (voir figures 1, 2 et 3), reliés chacun à l'une des colonnes 7 de support de la superstructure in- terne et commandés mécaniquement par un moteur 8 monté sur l'une des pla- ques 12 de support des vérins à vis et rotule Un ensemble formé d'arbres 13 et de pignons de commande interconnectés transmet aux quatre vérins le couple de commande venant du seul moteur 8 Chaque vérin est monté sur un logement 9 de vérin qui est boulonné, à son tour, sur une tubulure 10 du mécanisme à vérins de la superstructure interne Ces quatre tubulures 10 font partie du bouchon tournant intermédiaire 11 de la tête du réacteur. Un mouvement vertical est communiqué à chaque colonne 7 de support de la superstructure interne par le vérin renversé à vis et rotule situé audessus de la colonne 7 de support Chaque vérin peut exercer une poussée de 50 000 kg sur sa colonne 7 de support correspondante, dans un sens ou dans l'autre, avec une vitesse maximum de déplacement de 1,2 cm/min Les organes de commande et le vérin à vis et rotule sont supportés par le lo- gement 9 de vérin. Comme le représente la figure 2, quatre colonnes 7 commandées par les vérins sont incorporées au mécanisme à vérins de la superstructure interne Trois colonnes suffiraient pour supporter toutes les charges mais on en a prévu quatre car elles sont utilisées également pour conduire les câbles des instruments hors du réacteur, et ces câbles sont tellement nom- breux que quatre colonnes de support sont nécessaires pour remplir cette fonction. On se reportera maintenant aux figures 3 et 4 La colonne 7 de support sur laquelle repose la superstructure interne, est un tube creux entouré, au niveau supérieur représenté à la figure 3, par la tubulure 10 du mécanisme à vérins et par le logement 9 de vérin Le vérin 6 à vis et rotule est fixé à la colonne 7 et il peut faire monter ou descendre cette dernière et, en conséquence, la superstructure interne Le raccorde- ment de la tête 20 du réacteur et de la tubulure 10, et le raccordement de la tubulure 10 et du logement 9 de vérin comportent des systèmes d'étanchéité comprenant des joints toriques et des circuits de purge à gaz inerte pour empêcher toute fuite du gaz depuis l'intérieur du réac- teur. La liaison mécanique entre chaque vérin 6 à vis et chaque co- lonne 7 de support de la superstructure interne, est constituée d'une chape 21 (figure 5), d'une cellule dynamométrique et d'un axe 23 de sup- port placés dans le logement du vérin La cellule dynamométrique contrôle les forces verticales (dirigées vers le haut ou vers le bas) transmises à la colonne 7 de support de la superstructure interne L'une quelconque des quatre cellules dynamométriques commandera l'arrêt du moteur d'entra Ine- ment en cas de dépassement des charges prédéterminées Le but du préchar- gement de la chape 21 est d'éliminer les imprécisions de positionnement provoquées par un jeu (tolérance ou espace libre) dans la chape Le pré- chargement de la chape 21 au moyen d'un ressort, limite également la va- leur des charges en fonctionnement qui peuvent être transmises aux orga- nes de commande Le préchargement de la chape permet également d'isoler les vis de vérins des charges verticales importantes pendant le fonction- nement du réacteur Ceci s'effectue par un préchargement du dispositif au moyen de gros -ressorts de Belleville 24 La compression de ces ressorts commencera lorsque la charge dirigée vers le haut atteindra une limite prédéterminée pour les organes de commande Lorsque la limite de charge sera atteinte, le déplacement des ressorts sera suffisant pour rattraper les jeux dans les dispositifs de verrouillage, sans surcharge des organes de commande En outre, dans le cas de charges extrêmes d'introduction de la superstructure interne,le chargement de la chape au moyen de ressorts assurera au système une "souplesse" qui empêchera la surcharge d'un vérin du fait de légères différences de déplacement des colonnes. Des paliers à garniture antifriction sont utilisés entre les colonnes de support de la superstructure interne et les logements des vé- rins du mécanisme à vérins afin de réduire au minimum les charges dans le mécanisme à vérins. On se reportera maintenant aux figures 5, 6, 7 et 8 Chaque en- semble de logement contient un mécanisme de verrouillage qui bloque les colonnes 7 de support de la superstructure interne en position haute (fi- gure 6) ou en position basse (figure 5) Ce mécanisme de verrouillage se compose de deux plaques 26 boulonnées à 1800 l'une de l'autre dans des rainures verticales 27 formées dans le logement 9 Une extrémité de cha- cune des plaques 26 est conçue pour pivoter autour d'un axe 23 de support de la superstructure interne et pour fournir une surface d'appui statique à cet axe 23 de support de la superstructure interne Les plaques 26 de verrouillage sont conçues pour être retirées avant et pendant le relève- ment ou l'abaissement de la superstructure interne, et pour être réintro- duites (remises en place) ensuite immédiatement et boulonnées sur place, ce qui permet de verrouiller la superstructure interne en position haute (rechargement du réacteur) ou en position basse (réacteur en fonctionne- ment). Lorsqu'elles soht mises en place, les plaques 26 sont soumises à toutes les charges de fonctionnement, sismiques, accidentelles et autres venant des colonnes 7 de support de la superstructure interne, et elles transmettent ces charges au logement 9 de vérin Des charges de 500 000 kg environ par colonne sont supportées par ces plaques 26 (au nombre de qua- tre) sans que les charges soient transmises aux vérins à vis et rotule re- lativement moins robustes Cette condition est critique, sinon des organes de commande beaucoup plus importants seraient nécessaires, ce qui présen- terait des difficultés très grandes en ce qui concerne l'encombrement et le support des organes de commande. Aucun outillage spécial n'est requis pour le dégagement des plaques 26 de verrouillage Pour accomplir cette opération, on fait por- ter le poids mort de la superstructure interne sur les axes 23 de support qui reposent sur le fond des rainures 27 formées dans les logements 9. Ceci permet d'éliminer les charges, qui sinon pourraient provoquer un serrage, des plaques 26 de verrouillage, de sorte que l'effort de dégage- ment se limite sensiblement à leur poids mort propre (environ 50 kg cha- cune) Après que les plaques 26 de verrouillage ont été dégagées, les axes peuvent monter et descendre librement dans les rainures (voir figure 3). Les plaques 26 de verrouillage montent avec les axes de support Elles assurent une remise en place extrêmement précise de la superstructure in- terne après le rechargement du réacteur En fait, après la mise en place des plaques de verrouillage, la partie supérieure des colonnes de support de la superstructure interne se trouve & moins de 1,5 mm de la position originale de mise en place, en supposant les données appropriées à un exemple préféré de réalisation (On considère que la position orginale de mise en place des colonnes de support ne comportait aucun défaut d'aligne- ment vertical de la superstructure interne avec le coeur du-réacteur ou les clavettes de l'enveloppe du coeur). Du fait que tout défaut d'alignement de la superstructure in- terne avec le coeur du réacteur et les rainures de clavettes de l'enve- loppe du coeur, doit être réduit au minimum, l'exemple préféré de réali- sation du mécanisme à vérins pour superstructure interne comprend une cellule dynamométrique qui coupe le moteur 8 lorsque le premier des qua- tre axes 23 de support entre en contact avec une butée dure pour une charge de 50 000 kg, indiquant que la première des quatre colonnes 7 de support a atteint sa position haute (ou basse) extrême L'incertitude de position de la colonne de support de cet axe arrivant le premier en con- tact avec la butée est due au fait que la tolérance (ou "jeu") des vis et l'intervalle entre le manchon 30 et la colonne 7 de support sont com- pensés par la compression des ressorts de Belleville qui commencent à fléchir à 42 000 kg. L'invention décrite ci-dessus a été conçue dans le cadre de l'exécution du contrat n O DE-AV 15-76-CL 02395, conclu avec le Gouverne- ment des Etats-Unis. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réali- sation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'home de l'art. R E Y E N D I C A T I 0 N S 1 Mécanisme à vérins pour lever et abaisser la superstructure interne ( 1) d'un réacteur nucléaire à refroidissement par métal liquide, comprenant des moyens de support pour lever, supporter et abaisser des colonnes de support, plusieurs logements cylindriques ( 9) supportés par le réacteur et percés de rainures axiales ( 27), des colonnes de support ( 7) disposées chacune dans un des logements ( 9) et fixées à une extrémité de la superstructure interne ( 1), et des moyens ( 2) formant vérins asso- ciés à chaque logement ( 9) afin de lever et abaisser la colonne de support ( 7) par rapport au logement ( 9), ce mécanisme étant caractérisé en ce que chaque colonne de support ( 7) est traversée, à son autre extrémité, par un axe ( 23) qui passe également dans la rainure ( 27) de manière à pouvoir se- déplacer dans celle-ci pendant le mouvement de levée et d'abaissement de la colonne de support ( 7); en ce que chaque logement ( 9) comporte des surfaces permettant de supporter la colonne de support ( 7) dans les posi- tions prédéterminées; et en ce que des plaques ( 26) de verrouillage sont montées de manière à pouvoir pivoter sur les parties des axes ( 23) qui traversent les rainures ( 27) des logements ( 9), ces plaques ( 26) de ver- rouillage présentant des surfaces de butées et de support des charges, disposées pour mettre la colonne de support ( 7) en contact avec le loge- ment ( 9) lorsque la colonne se trouve en position relevée ou abaissée. 2 Mécanisme à vérins suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre colonnes de support ( 7); quatre logements ( 9) associés; quatre moyens associés ( 2) formant vérins; et deux pla- ques ( 26) de verrouillage associées à chaque colonne de support ( 7). 3 Mécanisme à vérins suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens ( 2) formant vérins sont des systèmes de vérins à vis et rotule disposés pour transmettre aux colonnes de support les forces de levée et d'abaissement venant d'un seul moteur.