Brevet FR2501892A1 — publié le 19820917

L'invention concerne la réalisation du guidage des grappes de contrôle dans un réacteur nucléaire lorsque la conception du réacteur dans son ensemble est telle que le réglage de la réactivité s'effectue par dépla- cement de grappes de contrôle constituées chacune de plusieurs crayons ab- sorbants commandés par une même tige commune et mobiles dans des tubes as- surant l'ossature des éléments combustibles formant le coeur du réacteur. Cette disposition se rencontre en particulier dans les réacteurs à eau lé- gère dans lesquels les éléments combustibles sont eux-mêmes des assemblages formés d'un grand nombre de crayons parallèles entre eux, de faible diamè- tre, supportés latéralement par des grilles liées à des tubes assurant l'ossature de l'élément combustible et permettant d'introduire les crayons absorbants, par déplacement de la grappe de contrôle. Pour clarifier le vo- cabulaire qui sera utilisé par la suite, il convient de rappeler en outre que dans ce genre de réacteur, on appelle "araignée" la pièce qui à l'extré- mité supérieure de la grappe de contrôle, toujours extérieure à l'assembla- ge combustible correspondant, réunit les différents crayons absorbants, par des bras radiaux, à la tige de commande commune. Le fonctionnement des grappes de contrôle implique que les crayons absorbants puissent être sortis entièrement à l'extérieur du coeur, alors qu'ils sont très longs, d'une longueur sensiblement égale à celle des assem- blages combustibles, et sans autre liaison entre eux qu'à leur extrémité su- périeure o se trouve l'araignée. C'est ce qui rend indispensable le guidage des grappes, et même de chaque crayon absorbant individuellement, sur toute la longueur de leur déplacement au-dessus du coeur. Pour assurer ce guidage, on utilise de manière classique des boi- tiers tubulaires, aussi appelés "tubes de guidage", qui sont d'une longueur suffisante pour couvrir toute la longueur depuis une plaque de coeur définis- sant la limite supérieure du coeur, que seuls les crayons absorbants de la grappe de contrôle traversent pour pénétxmr dans les assemblages combustibles, jusqu'à une plaque support supérieure qui porte le poids des tubes de guida- ge. Faisant ainsi partie de ce que l'on appelle les équipements inter- nes supérieurs du réacteur, les boitiers de guidage se trouvent soumis au fluide de refroidissement primaire qui sort verticalement c&s assemblages combustibles à l'extrémité supérieure du coeur pour se diriger ensuite vers les sorties latérales par o il quitte la cuve qui contient le coeur. Ils sont donc situés dans une zone de grande turbulence. De ce fait, non seu- lement les boitiers doivent assurer un guidage efficace des crayons absor- bants de façon que ces derniers puissent être introduits, lors d'un arrêt d'urgence par exemple, le plus rapidement possible entre les crayons combustibles, mais en outre ils doivent satisfaire à des exigences sévères de résistance mécanique. Ils doivent en particulierêtre résistants en torsion et en flexion; en effet, ils doivent résister aux forces radiales et vi- bratoires importantes qui résultent de la turbulence du fluide de refroi- dissement primaire, ainsi d'ailleurs qu'à d'éventuelles forces dues à des secousses sismiques. Ils doivent aussi pouvoir résister à des variations brusques de pression sans déformation, notamment en cas de rupture d'une tuyauterie du circuit primaire. De plus, ils participent à l'évacuation et à la déviation du fluide primaire qui pénètre à l'intérieur par les orifi- ces de passage des crayons absorbants de la grappe de contrôle, et ils doi- vent le faire en occasionnant le mains de perte de charge possible. En fonction de ces impératifs, on a déjà proposé de rerbrcer le guidage individuel des crayons absorbants près de l'extrémité inférieure des boitiers. Dans une réalisation connue, décrite notamment dans le brevet français publié nO 2.397.043, on utilise à cette fin un dispositif de guida- ge comprenant, en plus des boîtiers eux-mêmes et à l'intérieur de chacun d'eux, des entretoises horizontales régulièrement réparties sur la hauteur du boitier, avec en outre, dans la zone inférieure du boitier, un ensemble de tubes verticaux fendus et de plaques verticales orieritees radialement qui réunit entre elles des entretoises horizontales de ipanière à assurer un gui- dage longitudinal qui soit continu dans cette zone, mais tout en laissant librement passer les crayons absorbants et méme l'araignée. Les fentes lon- gitudinales qui permettent le passage de l'araignée affaiblissent considéra- blement la résistance mécanique des tubes. En outre, leur performance est limitée par l'existence d'un gradient de pression dans un plan horizontal qui, du fait que les tubes sont ouverts, tend à appliquer le crayon absor- bant contre la paroi du tube, provoquant ainsi une OEure par frottement. Pour limiter ce phénomène, il est prévu, sur les plaques radiales disposées en- tre les tubes, des ouvertures d'évacuation du fluide. Selon une autre solution (brevet français 73-23490, publié sous le numéro 2.202,339), la plaque supérieure du coeur est doublée d'une plaque intermédiaire située à un niveau supérieur à la région de plus forte turbu- lence du fluide primaire, en pratique au-dessus du plan des tubulures de la 250 1892 cuve contenant le coeur, qui assurent l'entrée et la sortie du fluide de refroidissement. La plaque intermédiaire n'est pas traversée par les boi- tiers, mais seulement par des tubes qui assurent le guidage individuel des crayons absorbants en même temps qu'ils jouent le rôle d'entretoises main- tenant les deux plaques (la plaque de coeur et la plaque intermédiaire) so- lidaires entre elles. Dans ce cas, les boitiers eux-mêmes restent donc en dehors de la zone de plus forte turbulence, de même que la partie araignée- tige de commande des barres de contrôle. Cependant, cette solution n'est guère possible que lorsqu'on peut utiliser des tubes de diamètre relative- ment important, capables de présenter la résistance mécanique indispensable pour leur rôle d'entretoises. Elle ne s'applique donc pas au guidage de barres de contrôle à crayons absorbants de faible diamètre. Cet inconvé- nient n'est pas complètement évité dans une variante de cette soltion, dé- crite dans la demande de brevet français 73-44815, publiée sous le numéro 2.254.859, o la plaque intermédiaire est abaissée et munie d'orifices de passage du fluide de refroidissement, de sorte que la circulation reste sensiblement ascendante à ce niveau. Pour pallier les inconvénients des divers dispositifs de guidage connus rappelés ci-dessus, l'invention propose un nouveau dispositif qui a sur eux comme avantage de permettre de combiner notamment une grande robus- tesse, une moindre participation à l'usure des crayons absorbants et une fa- brication moins onéreuse. L'invention a ainsi pour objet un réacteur nucléaire comportant des grappes de contrôle de la réactivité, chacune formée d'une pluralité de crayons absorbants mobiles verticalement à travers une plaque de coeur cons- tituant la limite supérieure du coeur du réacteur et reliés ensemble par une araignée à bras radiaux à une tige axiale de commande commune, et des moyens de guidage des grappes de contrôle dans leurs déplacements, hors du coeur, lesdits moyens comportant des boitiers de guidage respectivement associés aux différentes grappes de contrôle, et à l'intérieur de chaque boîtier, des plaques assurant un guidage discontinu à des niveaux intermédiaires pour les crayons individuels et l'araignée, caractérisé en ce que chaque boîtier comporte des tubes de guidage continu des crayons individuels reliant deux plaques tubulaires de passage des crayons qui sont propres au boîtier, l'une le terminant et l'autre constituant une bride de positionnement sur ladite plaque de coeur. Les tubes à l'extrémité inférieure des boîtiers sont de préférence dépourvus d'ouverture latérale sur toute leur longueur entre les deux plaques tubulaires. Ils sont de ce fait plus résistants pour une moindre épaisseur. D'autre part, on évite ainsi de faire intervenir sur les crayons à ce ni- veau un gradient de pression horizontal qui favoriserait leur frottement contre la face interne des tubes et leur usure. Et cependant, le fluide de refroidissement primaire quittant le coeur à travers la plaque de coeur circule librement dans le volume inoccupé par les tubes et entre les boi- tiers, beaucoup plus librement que dans les dispositifs utilisés antérieu- rement. Les boitiers eux-mêmes n'ont donc pas à être traversés par un débit notable de fluide primaire, de sorte qu'ils sont avantageusement percés seulement d'ouvertures d'équipression qui ne détruisent pas leur robustesse. Globalement, les pertes de charge dues au dispositif de guidage des grappes de contrôle sont relativement faibles. Pour éviter de favoriser une circulation ascendante dans les boi- tiers, il est avantageux que les plaques tubulires terminant les boitiers ne comportent pratiquement pas d'autres ouvertures que celles qui permettent le passage des crayons absorbants dans les tubes de guidage. A l'inverse des plaques intermédiaires de guidage discontinu situées à l'intérieur de chaque boitier, la plaque terminale ne laisse pas passer l'araignée. Par contre, les brides de positionnement sur la plaque de coeur sont percées avantageusement de larges ouvertures en dehors des tubes. On décrira maintenant plus en détail un mode de réalisation parti- culier d'un réacteur à guidage de grappes de contrôle suivant l'invention, choisi à titre d'exemple. Cette description, nullement limitative, fait ré- férence aux figures 1 à 6 dans lesquelles: La figure 1 représente une coupe verticale générale de la partie supérieure du réacteur; La figure 2 représente d'une manière plus détaillée le dispositif de guidage des grappes de contrôle, en coupe longitudinale, donc verticale; La figure 3 est une coupe transversale de ce dispositif selon III- III de la figure 2; La figure 4 est une autre coupe transversale du mime dispositif, selon IV-IV de la figure 2; La figure 5 est encore une autre coupe transversale du même dis- positif, selon V-V de la figure 2; et La figure 6 représente une variante du dispositif de guidage. Le réacteur considéré est un réacteur du type à eau légère, dans lequel le coeur du réacteur est enfermé dans une cuve contenant la pression et traversé par de l'eau de refroidissement le parcourant dans le sens as- 250 18 9 2 cendant. Comme l'invention concerne la réalisation du guidage des grappes de contrôle de la réactivité, au-dessus du coeur, on n'a représenté sur la figure 1 que la partie supérieure du réacteur. On y voit cependant, en partie, le coeur 4 et la cuve 1, avec son couvercle 2 et, latéralement, l'une des tubulures de sortie de l'eau 3. Le coeur est constitué comme il est usuel d'un ensemble d'assem- blages combustibles 5 juxtaposés, chacun formé d'un nombre important de crayons verticaux de matériau combustible. La limite supérieure du coeur, juste au-dessus des assemblages combustibles, est définie par une plaque de coeur 6. Le réglage de la réactivité en fonctionnement est assuré en in- troduisant plus ou moins des grappes de contrôle dans certains des assem- blages du coeur. Ces grappes de contrôle 7 sont constituées chacune de plu- sieurs crayons 8, en matériau absorbant, reliés ensemble à leur extrémité supérieure par une araignée 9 à bras radiaux, solidaire d'une tige de com- mande 10. Les grappes sont manoeuvrés depuis l'extérieur de la cuve de ma- nière à déplacer les crayons absorbants longitudinalement entre les crayons combustibles de l'assemblage correspondant. La plaque de coeur 6 est percée d'ouvertures permettant d'une part le passage des crayons absorbants péné- trant dans le coeur, d'autre part la sortie de l'eau de refroidissement qui quitte le coeur pour se diriger ensuite vers les tubulures 3, qui sont si- tuées à un niveau supérieur à celui de la plaque de coeur 6. Au-dessus du coeur, les déplacements des grappes de contrôle sont guidés par des boitiers parallélépipédiques 12, suspendus en position verti- cale à une plaque support supérieure 13 qui reporte le poids de l'ensemble du dispositif de guidage des grappes de contrôle sur la cuve 1. En dehors des boitiers 12, la plaque de coeur 6 et la plaque support supérieure 13 sont reliées entre elles par des colonnes 14. Chaque boitier 12 entoure l'ensemble des crayons de la grappe de contrôle dont il assure le guidage. Il traverse la plaque support supérieure 13 dans un alésage ménagé à cet effet et il est fixé sur elle par une bride boulonnée 16. Il est percé latéralement de trous 17 répartis sur toute sa hauteur, qui ont pour rôle d'assurer un équilibrage de pression entre l'inté- rieur et l'extérieur du boitier. A différents niveaux à intervalles réguliers, des plaques de guidage intermédiaires 18 sont montées en travers du boitier. Chacune s'engage sur les quatre faces du boitier à travers des lumières 20 pratiquées dans la paroi du boitier; elle est soudée au boitier le long de ces lumières. Les plaques intermédiaires 18 assurent à l'intérieur du boitier un guidage des différents éléments de la grappe de contrôle, qui est discon- tinu sur la hauteur du dispositif. Elles comportenrt à cet effet (figure 3) des trous circulaires 21 pour le passage des crayons absorbants indivi- duels, et d'autre part des fentes radiales 22 reliant les trous 21 entre eux et à une large ouverture centrale 23, ce qui permet aussi le passage et le guidage de l'araignée et de la tige de commande. Il n'en est pas de même de la plaque terminale 25 soudée à l'ex- trémité inférieure du boitier. Celle-ci est une plaque tubulaire comportant seulement des trous pour le passage des crayons absorbants (figure 4). L'a- raignée ne peut donc pas descendre au-delà de la plaque terminale 25, la- quelle se situe à une distance de l'ordre, par exemple, de 200 mm audessus de la plaque de coeur 6. Sur cette distance, le guidage des crayons absor- bants est encore assuré individuellement, mais, en outre, de manière conti- nue. A cette fin, il est prévu à l'extrémité inférieure du boitier un groupe de tubes 26 qui couvrent cette distance. Les tubes 26 présentent un diamètre interne qui correspond au jeu près au diamètre extérieur des crayons et ils sont disposés pour être tra- versés longitudinalement par les différents crayons absorbants respective- ment. Ils sont soudés et dudgeonnés, à leur extrémité supérieure, à la pla- que terminale 25, et à leur extrémité inférieure à une autre plaque tubulai- re 27. Cette dernière est en fait une bride de positionnement de l'ensemble du boitier avec son groupe de tubes sur la plaque de coeur 6. Le position- nement est assuré, sans fixation rigide, par des pions centreurs 27 qui sont enfichés dans la plaque de coeur et entre lesquels se place le boitier. La bride 27 (figure 5) ne comporte pas seulement les trous 29 qui correspon- dent aux tubes de guidage des crayons individuels. En outre, des ouvertures 31 sont menagées en vis-à-vis/es ouvertures de la plaque de coeur, de maniè- re à laisser passer l1%u de refroidissement qui sort du coeur. Dans toute la zone occupée par les tubes 26, l'eau circule ensui- te librement entre les tubeso Il n'y a pas de communication transversale en- tre l'intérieur et l'extérieur des tubes. C'est dans cette zone que se pro- duit le changement de direction de l'écoulement, vers les tubulures 3 de sortie de la cuve. Mais la perte de charge introduite par le dispositif de guidage des grappes de contrôle est minime et, d'autre part, la conception de ce dispositif permet sans difficulté une construction de grande résistan- ce mécanique, supportant les efforts dus à la turbulence. La figure 6 représente une variante de réalisation de la plaque tubulaire supérieure du dispositif de guidage ou plaque terminale. Dans le but de favoriser une meilleure distribution au changement de direction de l'écoulement, la plaque 25' peut être constituée d'une pièce monolithique dont la surface intérieure 32 présente un profil ogival. Ce profil peut être du type conique ou conique divergent. La plaque 25' n'est pas spéciale- ment monolithique mais peut gre constituée au contraire par un ensemble plaque plane, plaque en forme. Pour le reste, la réalisation est identique à celle de la figure 2. Naturellement, l'invention n'est nullement limitée aux détails de construction décrits dans le cadre de l'exemple de réalisation ci-des- sus. Elle en englobe au contraire toutes les variantes. Ainsi, en particu- lier, des ensembles analogues de boîtiers à tubes pourraient être adaptés pour guider les crayons d'une grappe de contr8le recouvrant à elle seule plusieurs assemblages combustibles du coeur. -2S01892 REVENDICATIONS 1.- Réacteur nucléaire comportant des grappes de contrôle de la réactivité, chacune formée d'une pluralité de crayons absorbants (8) mobi- les verticalement à travers une plaque-de coeur (6) constituant la limite supérieure du coeur du réacteur et reliés ensemble par une araignée (7) à bras radiaux à une tige axiale de commande commune (10), et des moyens de guidage des grappes de contrôle dans leurs déplacements, hors du coeur, lesdits moyens comportant des boitiers de guidage (12) respectivement as- sociés aux différentes grappes de contrôle et, à l'intérieur de chaque boi- tier, des plaques (20) assurant un guidage discontinu à des niveaux inter- médiaires pour les crayons individuels et l'araignée, caractérisé en ce que chaque boitier (12) comporte des tubes (26) de gui- dage continu des crayons individuels reliant deux plaques tubulaires de pas- sage des crayons qui sont propres au boitier, l'une (25) le terminant et l'autre constituant une bride de positionnedât (27) sur ladite plaque de coeur. 2.- Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tubes (26) sont dépourvus d'ouvertures latérales. 3.- Réacteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite plaque tubulaire (25) terminant le boitier ne comporte pas dtau- tres ouvertures que celles qui permettent le passage des crayons absorbants (8) eux-mêmes dans lesdits tubes de guidage continu (26). 4.- Réacteur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite bride de positionnement (27) comporte en dehors des tubes des ouvertures (31) de pesage d'un fluide de refroidissement quittant le coeur du réacteur à travers ladite plaque de coeur. 5.- Réacteur selon la revendication 1, 2, 3, ou 4, caractérisé en ce que ladite laque tubulaire (25) terminant le boitier présente sur sa fa- ce inférieure/dispositif déflecteur profilé (32) favorisant la distribution du fluide de refroidissement lors de son changement de direction d'un écou- lement vertical ascendant à un écoulement transversal.