Brevet FR2517869A1 — publié le 19830610

L'invention concerne un dispositif d'arrêt complémentaire pour un réacteur nucléaire sous-modéré. Un tel réacteur comporte un coeur constitué par des assemblages combustibles disposés c 8 te à côte et de deux types différents, les uns appe- lés assemblages fissiles, renfermant principalement un matériau fissile alors que les autres, appelés assemblages fertiles renferment un matériau suscep- tible de produire de la matière fissile sous l'effet du bombardement neutro- nique Les assemblages fertiles sont généralement disposés à la périphérie du coeur o ils recueillent le rayonnement neutronique produit par les assem- blages fissiles. Le coeur du réacteur baigne dans un fluide modérateur tel que de l'eau qui, généralement, sert également de fluide caloporteur Ce fluide cir- cule en contact avec les éléments combustibles disposés à l'intérieur des assemblages. Par rapport aux réacteurs à eau sous pression de type classique qui ne comportentqoe des assemblages fissiles, les réacteurs sous-modérés présentent un rapport volume de modérateur sur volume du matériau fissile dans le coeur, ou rapport de modération VM/VU, très inférieur si bien que le spectre d'énergie des neutrons est très différent. Ce spectre est intermédiaire entre celui des réacteurs à eau sous pression classiques o les neutrons sont très lents et celui des réacteurs rapides o les neutrons ne sont pas ralentis Ce spectre est dit épithermi- que Un tel spectre permet de produire de la matière fissile à partir de ma- tière fertile disposée par exemple, à la périphérie du coeur. Dans les réacteurs sous-modérés, on obtient un rapport de modéra- tion faible, en prévoyant une répartition du matériau combustible dans les assemblages fissiles assurant à la fois un contact optimum avec le modéra- teur et un faible rapport volumique entre le modérateur et le matériau fissi- le. Les assemblages combustibles, qu'ils soient fissiles ou fertiles, sont constitués par un boitier de forme prismatique en un matériau absorbant faiblement les neutrons tel qu'un alliage de zirconium, à l'intérieur duquel des crayons tubulaires de grande longueur renfermant le matériau fissile ou le matériau fertile sont disposés parallèlement à la hauteur du boitier et suivant un réseau régulier dans les sections droites de ce boitier. L'écartement entre les crayons, à l'intérieur de l'assemblage, est généralement maintenu par des dispositifs d'espacement tels que des fils enroulés en spirales autour de la gaine des crayons Cette disposi- tion permet la circulation du fluide caloporteur et modérateur en contact avec toute la surface du crayon, tout en autorisant un très faible espacement entre les crayons, c'est-à-dire l'obtention d'un réseau très dense dans lequel les gaines des crayons ne sont cependant jamais jointives Un tel réseau à grande densité des crayons en matériau fissile permet d'obte- nir un facteur de modération faible. A l'intérieur des assemblages, certaines positions dans le fais- ceau sont réservées à des tubes-guides traversant l'assemblage sur pres- que toute sa hauteur et permettant l'introduction à l'intérieur de celui- ci des crayons de matériau absorbant fortement les neutrons réunis sous forme de grappes constituant les barres de commande du réacteur. Le déplacement contrôlé de ces barres de commande de façon à in- troduire plus ou moins profondément les crayons de matériau absorbant dans les tubes-guides de certains assemblages permet de régler la réactivité du coeur du réacteur. En cas d'arrêt d'urgence du réacteur, on laisse retomber toutes les barres de commande en position d'insertion maximum dans le coeur du réacteur, ce qui introduit une anti-réactivité maximum de l'ordre de 7000 pcm. Dans les réacteurs à eau sous pression classiques qui ne sont pas utilisés pour opérer la conversion de matériau fertile en matériau fissile, un second système permet d'assurer la sous-criticité du coeur, en cas d'in- cident Il s'agit du système de borication d'urgence En effet, dans ces ré- acteurs, la conduite du réacteur est assurée simultanément par les barres de commande et par l'introduction de bore sous forme d'acide borique dans l'eau de réfrigération du réacteur. Dans les réacteurs sous-modérés o l'on recherche un faible rap- port de modération, aucun système de borication de l'eau de réfrigération n'est réellement efficace. En cas de défaillance d'une partie des barres de commande, on ne possède donc pas de moyens pour assurer malgré tout la sous-criticité du coeur, dans tous les cas. Dans le cas des réacteurs nucléaires à neutrons rapides, on connaît un dispositif d'arrêt complémentaire du réacteur constitué par des éléments absorbants articulés qui peuvent être introduits dans certains assemblages, en cas de mauvais fonctionnement du système de commande principal du réac- teur. Un tel dispositif n'est cependant pas utilisable dans le cas des réacteurs sous-modérés dont la structure est pratiquement semblable à la structure des réacteurs à eau sous pression classiques. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'arrêt complémentaire pour un réacteur nucléaire sous-modéré comportant un coeur baignant dans un fluide modérateur, constitué par des assemblages combus- tibles disposés côte à côte, les uns renfermant principalement un matériau fissile et les autres un matériau fertile susceptible de produire de la ma- tière fissile, sous l'effet du bombardement neutronique, le matériau fissi- le ou fertile étant contenu à l'intérieur de tubes de grande longueur cons- tituant les crayons combustibles rassemblés sous forme d'un faisceau de crayons parallèles à l'intérieur du boitier de l'assemblage et un ensemble de barres de commande constituées par des crayons de matériau absorbant fortement les neutrons dont le déplacement à l'intérieur de tubes-guides se substituant à certains crayons combustibles dans les assemblages permet le réglage de la réactivité du réacteur, ce dispositif d'arrêt complémen- taire pouvant permettre d'introduire dans le coeur, en cas de défaillance de certaines barres de commande, des éléments absorbants créant une anti- réactivité suffisante pour pallier toute défaillance des barres de cormman- de, quel que soit l'état du coeur du réacteur au moment o apparalt cette défaillance. Dans ce but, le dispositif d'arrêt complémentaire comporte à l'in- térieur de certains assemblages du coeur, des tubes-guides dont la section est au moins égale à la somme des sections de trois crayons combustibles et se substituant à au moins trois crayons, entourés par au moins une ran- gée de crayons fertiles et un ensemble de barres d'arrêt de section adaptée à la section des tubes-guides,-constituées principalement par un matériau absorbant fortement les neutrons pour l'arrêt du réacteur par introduction des barres en position d'insertion maximum dans les tubesguides de grande section, en cas de défaillance des barres de commande. Afin de bien faire comprendre l'invention on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en an- nexe, plusieurs modes de réalisation d'un dispositif d'arrêt complémentaire, dans le cas d'un réacteur sous-modéré comportant des assemblages à section hexagonale. La figure 1 est une vue schématique en coupe par un plan horizontal, du coeur du réacteur. 1786 9 La figure 2 est une vue en coupe par un plan horizontal d'un as- semblage combustible comportant des tubes-guides de grande section de for- me cylindrique à section circulaire. La figure 3 est une vue en coupe par un plan horizontal d'un as- semblage combustible comportant des tubes-guides à section triangulaire. La figure 4 est une vue en coupe par un plan horizontal d'unbas- semblage combustible comportant des tubes-guides à section triangulaire de taille différente et disposés différemment des tubes-guides de l'assem- blage représenté à la figure 3. Sur la figure 1, on voit l'ensemble du coeur du réacteur consti- tué par des assemblages prismatiques à section hexagonale disposés côte à cote Ces assemblages occupent toute la hauteur du coeur et sont de trois types différents. Les assemblages 1 sont des assemblages fissiles comportant une pro- portion importante de crayons de matériau fissile. Les assemblages 2 disposés à la périphérie du coeur sont des assem- blages fertiles-renfermant une grande proportion d'uranium faiblement enri- chi, natrel ou appauvri en uranium 235, comme matériau fertile. Enfin, les assemblages 3 sont des assemblages comportant des tubes- guides de grande section faisant partie du dispositif d'arrêt complémentaire. Ces assemblages 3 seront décrits en se référant aux figures 2 à 4. Sur la figure 2, on-voit un premier mode de réalisation d'un assem- blage 3 comportant un boitier prismatique à section hexagonale 4 et des crayons fissiles 6 disposés à l'intérieur de ce boitier 4 suivant un réseau régulier dans un plan de section droite de l'assemblage Les crayons combus- tibles 6 ont un diamètre voisin de 9 mm et sont disposés les uns à côté des autres avec un très faible espacement ménagé grâce à un fil enroulé en héli- ce autour du crayon. Douze tubes 7 de grandes dimensions se substituent aux crayons com- bustibles dans certaines zones de l'assemblage. Chacun des tubes 7 occupe la position de sept crayons, si bien que le diamètre des tubes-guides est voisin de 23 mm - Chacun des tubes-guides est entouré par des crayons de matériau fertiles 8 renfermant principalement de l'uranium appauvri en uranium 235. Des crayons fertiles sont également disposés dans les angles de l'assembla- ge. La présence de tubes-guides de grande section permet l'introduction d'éléments absorbants de volume important à l'intérieur des assemblages 3, ce qui permet malgré un nombre relativement réduit d'assemblages compor- tant des tubes-guides du dispositif d'arrêt complémentaire (douze dans le cas du coeur représenté à la figure 1), de pallier toute défaillance du système de commande principal constitué par des barres de commande intro- duites dans des tubes-guides se substituant à un seul crayon dans les as- semblages 1. Cependant, la présence de tubes-guides de grande section dans les assemblages 3, remplis d'eau lorsque le dispositif d'arrêt complémentaire n'est pas en fonctionnement, est responsable de l'apparition de zones o le rapport de modération est très élevé Ceci crée des pics locaux de puis- sance d'une amplitude inacceptable, pour la tenue du crayon en cours de fonctionnement du réacteur, du fait de l'apparition du phénomène d'ébulli- tion nuclée On aplatit la distribution de puissance dans l'assemblage en introduisant autour de chacun des tubes-guides au moins une rangée de cra- yons fertiles 8 qui dans l'assemblage représenté à la figure 2 représentent a 56 7 du nombre total des crayons de l'assemblage Cette disposition/également l'avantage d'accroître la production de matériau fissile à partir de maté- riau fertile. Le dispositif d'arrêt complémentaire comporte en plus des tubes- guides de grande section 7 des grappes de tubes renfermant un matériau ab- sorbant constituant des barres de commande spéciales ou barres d'arrêt dis- posées au-dessus des assemblages 3 et maintenues en position haute, par un dispositif de sécurité, par exemple magnétique, qui se déclenche en cas de défaillance du système de barres de commande principal pour laisser retomber en position d'insertion maximum, les barres d'arrêt à l'intérieur des tubes- guides 7. L'anti-réactivité introduite par les douze grappes de matériau ab- sorbant disposées au-dessus des assemblages 3 est de l'ordre de 2500 à 3000 pcm, lorsque les grappes sont introduites en position d'insertion maximum dans les assemblages 3 du coeur. Cette anti-réactivité est suffisante pour pallier toute défaillance prévisible des barres de commande du système principal. Sur la figure 3, on voit un second mode de réalisation d'un assem- blage 3, o les tubes-guides 10 comportent des sections triangulaires à an- gles arrondis occupant la position de trois crayons 12 du réseau. Trente tubes-guides 10 à grande section pour chacun des assemblages 3 permettent l'introduction d'un volume suffisant de matériau absorbant dans les assemblages 3, en cas de défaillance du système de commande principal. Sur la figure 4, on voit un troisième mode de réalisation des tubesguides du dispositif d'arrêt complémentaire suivant l'invention, ces tubes-guides 14 ayant une section triangulaire à angles arrondis occupant la place de six crayons 16 du réseau de l'assemblage Dix-huit tubesguides sont nécessaires pour obtenir un effet absorbant suffisant dans chacun des assemblages 3. Les barreaux de matériau absorbant constitués par exemple par des tubes remplis de carbure de bore, ont évidemment des sections de forme cor- respondante aux sections des tubes-guides et une dimension légèrement in- férieure permettant l'introduction de ces barreaux absorbants, reliés sous forme de grappes associées à-chacun des assemblages à l'intérieur des tubes- guides de grande dimension. On voit que les principaux avantages du dispositif suivant l'inven- tion sont de permettre de réaliser simplement et avec une grande sûreté de réalisation l'arrêt du réacteur en cas de défaillance du système de commande principale. En effet, l'introduction des barreaux absorbants dans les tubes-gui- des de grande dimension peut être réalisée uniquement par l'interruption de l'alimentation d'un dispositif magnétique de retenue de la grappe de maté- riau absorbant disposée au-dessus de l'assemblage comportant les tubesguides de grande dimension. De plus, on peut utiliser des dispositifs de retenue et de guidage des grappes tout-à-fait semblables à ceux utilisés dans les réacteurs PWR pour les barres de commande, l'ensemble du dispositif étant cependant très simplifié, puisque les grappes de matériau absorbant sont soit en position complètement relevée au-dessus des assemblages soit en position d'insertion maximum et ne servent pas à la commande du réacteur par positionnement pré- cis à l'intérieur de l'assemblage. D'autre part, la présence de crayons fertiles autour des tubes-guides permet d'éviter les pics locaux de puissance et d'augmenter la quantité de matériau fissile produite à partir du matériau fertile. Un dispositif d'arrêt complémentaire de grande efficacité peut être obtenu avec un faible nombre d'assemblages équipés de tubes-guides de grandes sections et sans modification sensible du dispositif utilisé pour le dépla- cement des barres de commande. C'est ainsi que-le nombre et la position des assemblages comportant des tubes-guides de grande section peuvent être différents de ceux qui ont été indiqués, que la forme et la dimension des tubes-guides peuvent être va- riables, ces tubes-guides devant cependant occuper la position d'au moins trois crayons dans le réseau L'invention est applicable non seulement aux réacteurs comportant des assemblages à section hexagonale mais également aux réacteurs dont les assemblages ont une toute autre forme, par exemple aux réacteurs dont les assemblages ont une section carrée. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'arrêt complémentaire pour un réacteur nucléaire sous-modéré comportant un coeur baignant dans un fluide modérateur, consti- tué par des assemblages combustibles disposés côte à côte, les-uns renfer- mant principalement un matériau fissile et les autres un matériau fertile susceptible de produire de la matière fissile sous l'effet du bombardement neutronique, le matériau fissile ou fertile étant contenu à l'intérieur de- tubes de-grande longueur constituant des crayons combustibles rassemblés sous forme d'un faisceau de crayons parallèles à l'intérieur du boitier de l'assemblage et un ensemble-de barres de commande constitué par des cra- yons de matériau absorbant fortement les neutrons dont le déplacement à ltin- térieur des tubes-guides se substituant à certains crayons combustibles dans les assemblages permet le réglage de la réactivité du réacteur, caractérisé par le fait qu'il comporte,à l'intérieur de certains assemblages ( 3) du coeur,-des tubes-guides-( 7), dont la section est au moins égale à la somme des sections de trois crayons ( 6) et se substituant à au moins trois crayons, entourés par au moins une rangée de crayons fertiles ( 8) et un en- semble de barres d'arrêt de section adaptée à la section des tubes-guides ( 7) constituées principalement par un matériau absorbant fortement les neu- du réacteur trons, pour l'arrêt/par introduction des barres d'arrêt en position d'inser- tion maximum dans les tubes-guides ( 7), de grandes sections, en cas de dé- faillance des barres de commande. 2. Dispositif d'arrêt complémentaire suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les tubes-guides ( 7) de grandes sections sont de formes cylindriques à sections circulaires. 3. Dispositif d'arrêt complémentaire suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les tubes-guides ( 7) de grande section circulai- re occupent la position de sept crayons du réseau de l'assemblage. 4. Dispositif d'arrêt suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les tubes-guides ( 10, 14) ont des sections trian- gulaires à angles arrondis.