Brevet FR2526988A1 — publié le 19831118

manteau à capacité de puissance maximale pour des réac- teurs nucléaires a,présente invention concerne un manteau radial perfectionné pour des coeurs de réacteurs nucléaires, en particulier des réacteurs à eau sous pression. Les réacteurs nucléaires comportent ung roupe- ment d'éléments combustibles en un réseau appelé le coeur. oes éléments coibustibles comprennent chacun un réseau de- barreaux cylindriques contenant du combustible fissile. De l'énergie est produite dans le réacteur par des réac- tions de fission dans le combustible, provoquées par des neutrons. Le réseau des ensembles combustibles forme une structure qui est à peu près un cylindre circulaire droit. Les éléments combustibles situés au périmètre du coeur peuvent avoir des caractéristiques qui, dans l'industrie, ' font que ces éléments sont appelés des éléments de "manteau radial". L'application des manteaux radiaux de matière fertile à la périphérie des coeurs de réacteurs à eau sous pression a été étudiée en détail Le but principal des manteaux traditionnels était de capturer des neutrons qui autrement se seraient échappés du coeur combustible en matière fertile, en produisant ainsi de la matière fis- sible L'obstacte à cette stratégie qui a prohibé jusqu'à présent l'utilisation de ces nanteaux dans les réacteurs à eau sous pression est la chute de puissance quien résul- te à l'intérieur du coeur Cette chute de puissance résulte du remplacement des éléments combustibles périphériques en combustible enrichi par de la matière fertile, de faible réactivité La conclusion qui a été tirée répétitivenient dans l'Industrie est que la chute de puissance résultante est inacceptable D'autres tentatives pour installer avec succès des manteaux radiaux dans des réacteurs à eau sous pression ont nis en oeuvre un changement radical de concep- tion ou de structure du coeur, par exemple en installant de la matière fertile dans la zone entre undéflecteur de 2 2526988 coeur et la cuve ou en réduisant les dimensions des éléments combustibles dans un facteur de quatre pour permettre la lise en place de plus petits élém;ents fer- tiles suivant la périphérie Ces variantes entraînent des différences par rapport aux conceptions actuelles du coeur, qui ne sont pas justifiées par une améliora- tion résultante d'utilisation des neutrons L'applica- tion de manteaux radiaux dans des réacteurs à eau bouil- Lante a donné satisfaction, principalement en raison des dimensions déjà réduites des éléments combustibles de réacteurs à eau bouillante (environ Le quart de la dimen- sion pour les réacteurs àAeau sous pression). Par conséquent, l'objet principal del'invention est de proposer une disposition d'ensemble de manteau qui peut Stre utilisée pour capturer des neutrons au péri- mètre du coeur, de mianière à réduire les fuites du coeur avec un facteur acceptable de réduction de puissance. Compte tenu de cet objet, l'invention concerne donc un ensemble de manteau pour la région périphérique d'un coeur de réacteur nucléaire, comprenant un ensemble de barreaux, supportésc 8 te à côte dans un chassie supports caractérisé en ce que cet ensemble comporte une première région de petits barreaux d'un premier diamètre nettement inférieur à leur distance centre à centre de manière à former un intervalle entre des barreaux voisines destinés à être remplis d'eau pour obtenir un rapport hydrogène- uranium prédéterminé dans la première région, ces petits barreaux de la première région contenant du combustible d'un premier enrichissement et une seconde région de grands barreaux d'un second diamètre, supérieur au premier dia- l Tère, ces grands barreaux contenant du combustible d'un second enrichissementinférieur au premier, cette seconde région ayant un rapport hydrogène-uranium inférieur à celui de la première région, l'ensemble étant agencé pour être disposé dans la région périphérique de manière que la première région soit dirigées vers le centre du coeur et la seconde région adjacente à la circonférence de ce coeur. 3 2526988 D'autre caractéristiques et avantages de I'inven- tion apparattront au cours de la description qui va sui- vre de plusieurs exemples de réalisation et en se réfé- rant aux dessins annexés sur lesquels La Figure 1 est un schéma d'un réacteur à eau sous pression, la Figure 2 est un schéma dl'un élément combustible antérieur de réacteur à eau sous pression, la Figure 3 nontre le profil d'un coeur de réac- teur à eau sous pression, la Figure 4 est un profil schématique d'un éLé- mnentcombustible antérieur de réacteur à eau sous pression, la Figure 5 est un profil schématique d'un premier mnode de réalisation dtun ensemble de manteau selon l'in- vention et, la Figure 6 est un profil schématique d'un second mode de réalisation d'un ense-ible de manteau selon l'in- vention. La Figure 1 représente donc une cuve 10 renfer- mnant un noyau de réacteur nucléaire 12 Le noyau 12 com- porte des éléments combustibles 14 sous forme de barreaux en faisceau parallèles et de nmême longueur, supportés ver- ticalement par une ossature dans la cuve 10 La cuve 10 est fermée en haut par une calotte 16 qui supporte un mé- canisme 18 d'entratnelient d'éléments de commande, destinés à positionner sélectivement des éléments de commande 20 au-dessus et à l'intérieur de certains des éléments com- bustibles 14 Pendant le fonctionnement d'un réacteur, un fluide caloporteur comie de l'eau est généralement pompé dans la cuve par plusieurs tubulures d'entrée 22, descend par une région annulaire 24 entre la cuve et la chemlise 23 du coeur et l'écran thermique 25, passe dans la chambre inférieure 26 de la cuve, s'élève dans le coeur 12 et sort par plusieurs tubulures de sortie 28 L'énergie ther:mique que le coeur transfère au caloporteur est transférée dans un appareil de transfert thermique (non représenté) en gé- néral pour le but final de production d'énergie électrique. 4 2526988 La Figure 2 représente plus en détaits un éLé- ment combustible 14 du type à barreaux en faisceau il comporte des barreaux combustibles 30 parallèles et de "ie longueur dont chacun contient des pastilles 32 de combustible nucléaire e-pilés dans une gaine métallique étanche 34 Les barreaux combustibles 30 sont principale- ment supportés par des buses supérieure et inférieure 36 et 38 et par des grilles 40 espacées suivant la longueur de l'élément L'élément comporte un élément de commande 20 du type à croisillons comprenant plusieurs tiges cy- lindriques de commande 21, bien que des plaques, des bar- reaux, de simples tiges, etc puissent convenir avec di- verses configurations d'éléments L'élément de cornmiande est fait d'une matière avec une forte section d'ab- sorption des neutrons, comr e du carbure de bore, du tan- tale, d'une combinaison d'argent-indium et de cadmium ou de nombreuses autres matières bien connues dans la techni- que Il est bien entendu qu'un élément combustible du type à grille ou réseau ouvert est représenté mais que l'inven- tion peut aussi s'appliquer à d'autres structures d'élé- ments combustibles, y compris celles appelées des éléments en canaux utilisés dans de nombreux types de réacteurs comme des réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liqui- de. La Figure 3 montre que les éléments combustibles 14 sont disposés dans des positions du coeur suivant un réseau de configuration régulière Les lettres A à O et les chiffres 1 à 15 sont utilisés ici pour désigner une po- sition donnée dans le coeur Le coeur 12 est entouré par une plaque de déflecteur 15 qui sert de canal pour la cir- culation du caloporteur. La Figure 4 est un schéma d'un ensemble combus- tible antérieur comprenant un réseau de 17 x 17 Parreaux combustibles 30. L'invention a pour but de réaliser un mianteau de capacité de puissance maximale (m PC) pour des positions périmétriques du coeur L'exaiien de la Fig 3 montre qu'il 2526988 y a des ensembles qui présentent une face à la plaque de déflecteur 15 (voir par exemple les positions A-8, B-6, F-2 sur la Figure 3)et des ensembles qui présentent deux ohases à la plaque de déflecteur 15 (voir par exem- ple Les positions A-7 B-5, E-2 sur la Figure 3). Le manteau à capacité de puissance maximale a pour but de réduire substantiellement la perte des neu- trons avec une perte minimale de puissance Ce résultat est obtenu par une meilleure réflexion des neutrons dans du combustible enrichi voisin à l'intérieur d'un ensemble de manteau de la dimension d'un réacteur à eau sous pres- sion courant, comportant à la fois des zones fertiles et des zones enrichies L'ensemble de manteau est placé à la périphérie et il y reste pendant toute sa longévité. Pour améliorer l'utilisation du combustible enrichi dans cette région périphérique, la zone enrichiecomporte un réseau de rapport H-U élevé, ce symbole H/U définissant le rapport entre l'hydrogène et l'uranium, caractéristi- que du réseau de barreaux. La meilleure réflexion est produite par les zones de manteau fertile de faible rapport H/U La ré- duction de l'eau (H) dans les zones fertiles augmente au maximum le flux des neutrons réfléchis dans le combustible enrichi voisin La matière fertile remplit également le rôle d'un manteau traditionnel, c'est-à-dire la capture des neutrons qui s'échappent avec les captures fertiles et ensuite, la production de puissance dans la zone fer- tile. Une raison probable pour que de multiples con- cepts d'enrichissement de zone n'ont pas été appliqués comme des manteaux radiaux dans le passé est que ces der- niers immobilisent inévitablement du combustible enrichi dans une zone de faible utilisation Le manteau à capacité de puissance maximale améliore l'utilisation du combusti- ble par des zones appropriées de rapport H/U Cette même amélioration d'utilisation apporte également une uniformi- sation générale de puissance dans le coeur, tendant à 6 2526988 coim:penser la perte radiale habituelle de puissance as- sociée avec Les manteaux radiaux. Les figures 5 et 6 représentent des premier et second modes spécifiques de réalisation, qui convien- nent pour l'utilisation avec du combustible sans manteau du type de La Figure 4 La Figure 5 nontre le mode de réalisation pour des positions "une face vers le déflec- teur" tandis que la Figure o montre le mode de réalisa- tion pour "deux faces vers le déf Lecteur". Ces;iodes de réalisation ne comprennent que deux enrichissements et deux dimensions de barreaux com- bustibles Le plus petit barreau combustible 34 est le rnge que le barreau co lbustible 30 utilisé dtans le res- te du coeur et la présence de ces plus petits barreaux combustibles 30 définit la "zone enrichie" avec un rap- port H/U élevé Un faible rapport H/U dans la zone fer- tile est obtenu par des barreaux combustibles fertiles 31 surdimensionnée dont la présence définit la zone fer- tile. Le rapport H/U de la zone enrichie est obte- nu en supprimant des barreaux combustibles 33 près des limites de la zone fertile L'importance de la réflexion des neutrons par la zone fertile peut être déterminée en comparant les résultats de coeurs utilisant cette confi- guration avec et sans réglage du rapport H/U dans la zone fertile Les barreaux surdiiensionnés en eux- mmes repré- sentent une réduction de réactivité de cellules d'environ pour cent Lp comparativement à la plus petite cel- lule de barreaux combustibles Le résultat d'un tel chan- geinent en lỉ-m ie serait une plus faible réactivité du coeur d'environ 0,5 pour cent È? et un décalage de la puissance, nettement vers le nilieu du coeur Les avanta- ges en réflexion de la zone de faible rapport H/U sbp- prinent non seulement cet inconvénient notable mais élè- vent la réactivité du coeur d'environ 0,1 pour cent p et déplacent la puissance du centre du coeur vers la zone voisine du combustible enrichi. 7 2 Z 526988 il faut éga Lemrnent noter que les configurations des Figures 5 et 6 incorporent un enrichisse ment varia- bile et des zones H/U Codification majeure de struc- ture de la disposition de référence représentée sur la Figure 4 Il n'y a aucune modification des ensemib Les hors du ianteau et aucune uodification de la structure ou de la disposition interne du coeur Ln autre avantage de la configuration représentée est une réduction de la É. igration vers la cuve du coeur d'environ 50 pour cent par rapport auxréalisations courantes car les fuites de neutrons sont réduites d'environ cette valeur. Sur les Figures 4, 5 et 6, les cercles 37 re- présentent des positions de brides de guidage des bar- reaux de contrble. 8 2526988 JIEVEND 1 CATlO NS 1 Ense ible de manteau pour une région péri- phérique du coeur d'un réacteur nucléaire comprenant un réseau de barreaux supportéscôte à côte dans un chassis support, caractérisé en ce que ledit ense-u Ie U 14) compor- te une première région de petits barreaux ( O o) d'un pre- mier dianètre nettemnent inférieur à leur distance centre à centre de lanière à laisser un intervalle entre des barreaux voisins ( 30) destiné à être rempli avec de L'eau de,uanière à obtenir un rapport hydrozene-uraniurn prédé- terminé dans la premnière région, lesdits petits barreaux ( 30) de ladite première région contenant du combustible d'un prenier enrichisse-ment et une seconide région de gros barreaux ( 31) d'un second dia être supérieur audit premier diamètre, lesdits gros barreaux ( 31) contenant du combustible d'un second enrichisseient en conbustible in- férieur audit premier enrichissement et ladite seconde région ( 31) ayant un rapport hydrogène-uraniu,, qui est inférieur à celui de la première région, ledit ensemble étant agencé pour être disposé dans ladite région périphé- rique de manière que ladite première région soit dirigée vers le centre dudit coeur et que ladite seconde région soit disposée au voisinage de la circonférence dudit coeur. 2 Ensemble de manteau selon la revendication 1, dans lequel ledit ensem, ble a une section transversale carrée, caractérisé en ce que ladite seconde région est disposée dans ledit ense ible le long de deux de ses côtés voisins, pour l'agencement dudit ensemble dans des posi- tions d'angle du coeur voisines des plaques de déftecteur du coeur 3 Ensemble de, anteau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des petits barreaux sont absents dans plusieurs positions du réseau dans Ladite pre iière région, c'est-à-dire qu'i L existe des positions vides destinées à tre remplies avec de l'eau afin d'aug- 3 _ 5 'nenter le rapport hydrogène-uranium dans ladite première région. 9 2526988 4 Ensemb Le de manteau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Les barreaux combustibles dans ladite première région sont identiques aux barreaux combustibles dans d'autres été- aents combustibles dudit coeur situésà l'intérieur de ce dernier.