Brevet FR2547100A1 — publié le 19841207

Dispositif de guidage des grappes de contrôle de réacteurs nucléaires L'invention se rapporte à un dispositif de guidage continu des grappes de contrôle dans un réacteur nucléaire. Dans les réacteurs à eau pressurisée, le réglage de la réactivité s'effectue par déplacement de grappes de contrôle constituées chacune d'une 5 série de crayons absorbants commandée par une même tige commune et mobile dans des tubes constituant l'ossature des éléments combustibles formant le coeur du réacteur Les éléments combustibles sont eux-mêmes des assemblages formés d'un grand nombre de crayons parallèles entre-eux, de faible diamètre, supportés latéralement par des grilles liées aux tubes assurant l'ossa10 ture de l'élément combustible et permettant d'introduire les crayons absorbants, par déplacement de la grappe de contr 81 e Les extrémités supérieures des crayons absorbants sont reliées à l'extrémité inférieure de la tige de commande, par l'intermédiaire d'un support multibranches étoilé appelé "araignée". 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 Iongueur sensiblement égale à celle des assemblages combustibles, et sans autre liaison entre eux qu'à leur extrémité supérieure o se trouve "l'araignée" C'est ce qui rend indispensable le 20 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 boitiers tubulaires ou tubes de guidage, qui sont d'une longueur suffisante pour couvrir toute la longueur depuis la plaque de coeur définissant la li25 mite supérieure du coeur, que seuls les crayons absorbants de la grappe de contrôfe traversent pour pénétrer dans les assemblages combustibles, jusqu'à une plaque support supérieure qui porte le poids des tubes de guidage. Les boitiers de guidage, faisant ainsi partie des équipements internes supérieurs du réacteur, se trouvent soumis au fluide de refroidisse30 ment primaire qui sort verticalement des 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 seulement Ies boitiers doivent assurer un guidage efficace des crayons absorbants de façon que ces 35 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 particulier être résistants en torsion et en flexion; en effet, ils doivent résister aux forces radiales et vibratoires importantes qui ré5 sultent de la turbulence du fluide de refroidissement 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 10 qui pénètre à l'intérieur par les orifices de passage des crayons absorbants de la grappe de contrôle, et ils doivent le faire en occasionnant le moins de perte de charge possible. En fonction de ces impératifs, on connaît un dispositif de guidage d'une grappe de contrôle qui comporte un boitier tubulaire s'étendant 15 entre une plaque supérieure de coeur et une plaque support Des plaques horizontales qui permettent l'évacuation vers le haut du liquide primaire de refroidissement sont placées à l'intérieur du boitier de guidage pour assurer un guidage discontinu des crayons Au niveau inférieur, le boitier contient un jeu de fourreaux de guidage pourvus de glissières qui assurent le 20 guidage continu des crayons Chaque fourreau de guidage présente une fente longitudinale permettant le passage de "l'araignée" Le boitier est muni, sur une hauteur correspondant au guidage continu ou plus, d'ouvertures d'évacuation et de déviation du fluide primaire de refroidissement Le boitier de guidage reçoit le flux ascendant de liquide qui sort verticalement des 25 assemblages combustibles, à l'extrémité supérieure du coeur, pour être ensuite détourné horizontalement vers les sorties latérales de la cuve I 1 est donc situé dans une zone de grande turbulence Au niveau du guidage continu il existe un gradient de pression dans un plan horizontal Du fait que chaque fourreau de guidage est ouvert, ce gradient de pression tend à 30 appliquer le crayon absorbant contre les lèvres de la fente ce qui provoque une usure par frottement Pour limiter ce phénomène, on prévoit des ouvertures d'équilibrage des pressions dans les faces des fourreaux de guidage, mais ceci risque d'affaiblir la résistance mécanique. Selon une autre solution, chaque boitier de guidage comporte à sa 35 partie inférieure des tubes de guidage continu individuels des crayons, ces tubes étant solidaires à chacune de leurs extrémités d'une part avec une première plaque tubulaire formant l'extrémité inférieure du boitier proprement dit, d'autre part avec une deuxième plaque tubulaire de positionnement 2547 q 00 destinée simplement à venir bloquer les éléments combustibles du coeur. Mais ces tubes de guidage continu ne permettent pas le passage de "l'araignée" ce qui limite la course des grappes de contr 8 ôle Il est donc nécessaire d'augmenter la longueur des crayons absorbants et par conséquent la hau5 teur de la cuve. Pour pallier Ies inconvénients des divers dispositifs de guidage connus rappelés ci-dessus, l'invention a pour but de réaliser un guidage continu de chaque crayon absorbant d'une grappe de contr Mle afin que les déséquilibres de pression autour du crayon soient réduits au minimum ou élimi10 nés; ce guidage ne remettant pas en cause la conception des boitiers de guidage, des équipements internes ou de la cuveo De plus, l'invention permet de réduire les effets de la poussée hydraulique à l'intérieur du guidage continu en équilibrant les pressions autour du crayon absorbant, tout en ayant comme avantage, une grande robustesse et une fabrication moins onéreu15 se. L'invention a ainsi pour objet un dispositif de guidage des grappes de contrôle de réacteur nucléaire, chaque grappe étant formée d'une pluralité de crayons absorbants mobiles verticalement et reliés ensemble par une araignée à bras radiaux à une tige axiale de commande commune, et des 20 moyens de guidage des grappes de contrôle dans leurs déplacements, hors du coeur, lesdits moyens comportant des boitiers de guidage à l'intérieur desquels des plaques horizontales assurent, dans la partie haute des boitiers, un guidage discontinu des différents éléments de la grappe de contr 8 ôle, caractérisé par le fait qu'à la partie inférieure des boitiers, dans la zone 25 dite de guidage en continu, le guidage des crayons absorbants positionnés par couples sur un rayon est réalisé par l'association des plaques horizontales assurant le guidage mécanique des crayons avec des carters qui minimisent les effets hydrauliques par la tranquilisation du fluide de refroidissement dans le sens radial autour desdits crayons absorbants. Selon une caractéristique, les carters hydrauliques sont disposés entre les plaques horizontales à la façon d'entretoises discontinues. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple de réalisation en référence aux dessins annexés qui représentent: figure 1: une vue en coupe verticale générale de la partie supérieure du réacteur; figure 2: une vue en coupe verticale, passant par les fourreaux de guidage doubles, d'un dispositif de guidage; figure 3: une vue en coupe transversale selon III-III de la figure 2 figure 4: une vue en coupe transversale selon IV-IV de la figure 2; figure 5: une vue en perspective partielle du dispositif de guidage continu; figure 6: une vue en coupe transversale selon V-V de la figure 5, montrant deux variantes du trou de guidage des crayons absorbants. figure 7: une vue en perspective partielle d'une variante du dispositif de guidage. Le réacteur considéré est un réacteur du type à eau pressurisée, dans lequel le coeur du réacteur est enfermé dans une cuve sous pression et traversé par de l'eau de refroidissement le parcourant dans le sens ascendant 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 fi15 gure 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 d'un ensemble d'assemblages combustibles 5 juxtaposés, chacun formé d'un nombre important de crayons verticaux de maté20 riau 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 introduisant plus ou moins des grappes de contrôle dans certains des assemblages du coeur Ces grappes de contrôle 7 sont constituées chacune de plusieurs crayons 8, en matériau 25 absorbant, reliés ensemble à leur extrémité supérieure par une araignée 9 à bras radiaux, solidaire d'une tige de commande 10 Les grappes sont manoeuvrées depuis l'extérieur de la cuve de manière 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 30 part le passage des crayons absorbants pénétrant 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 situées à un niveau supérieur à celui de la plaque de coeur 6. Au-dessus du coeur, les déplacements des grappes de contrô 181 e sont 35 guidés par des boitiers parallélépipédiques 11, suspendus en position verticale à une plaque support supérieure 12 qui reporte le poids de l'ensemble du dispositif de guidage des grappes de contrôle sur la cuve 1 En dehors des boitiers 11, la plaque de coeur 6 et la plaque support supérieure 12 sont reliées entre elles par des colonnes 13. Chaque boitier 11 entoure l'ensemble des crayons de la grappe de contrôle dont il assure le guidage Il traverse la plaque support supérieure 12 à laquelle il est suspendu par une bride boulonnée A différents ni5 veaux à intervalles réguliers, des plaques de guidage intermédiaires 14 sont montées en travers du boitier Chacune s'engage sur les quatre faces du boitier à travers des lumières 15 pratiquées dans la paroi du boitier; elle est soudée au boitier le long de ces lumières. La plaque de guidage 14, au-dessus de la zone de guidage continu, 10 a pour fonction d'assurer le guidage précis de l'araignée 9 au moment o l'ensemble de la grappe de contrôle chute. Les plaques de guidage intermédiaires 14 assurent, dans la partie haute de chaque boitier 11, un guidage discontinu des différents éléments de la grappe de contr 8 ôle, et dans la partie basses un guidage continu par 15 l'intermédiaire de fourreaux de guidage comme on le verra ultérieuement. Elles comportent à cet effet (figures 3 et 4) des trous circulaires 16 pour le guidage des crayons absorbants individuels, et d'autre part des fentes radiales 17 reliant les trous 16 entre eux et à une large ouverture centrale 18, ce qui permet aussi le passage et le guidage de l'araignée 9 et de 20 la tige de commande 10 L'araignée 9 peut descendre au-delà de la plaque 19 (figure 2) qui constitue une bride de positionnement du dispositif de guidage sur la plaque de coeur 6. Le positionnement est assuré par des pions centreurs qui sont fixés dans la plaque supérieure de coeur La bride 19 comporte des ouvertu25 res ménagées en face de ladite plaque supérieure de coeur 6 pour laisser passer le liquide de refroidissement sortant du coeurs Le boitier ll est muni, sur une hauteur correspondant au guidage continu ou plus, d'ouvertures , permettant l'évacuation latérale du flux de liquide ascendant. A la partie inférieure des boitiers 11, dans la zone dite de gui30 dage en continu, le guidage des différents éléments de la grappe de contr 8le 7 est assuré par des plaques de guidage 14 et des fourreaux verticaux qui se composent (figures 4 et 5) d'une part de tubes fendus 21 pour les crayons absorbants les plus éloignés du centre et non alignés avec d'autres sur un rayon et de plus, situés prés des coins et d'autre part de carters 35 hydrauliques 22 pour tous les autres crayons absorbants positionnés par couples sur un rayon et soumis au flux hydraulique maximum. Les tubes fendus 21 (figure 5) dont le diamère intérieur est ajusté au diamètre des crayons 8, traversent les plaques de guidage 14 et assu- rent alors seul le guidage continu des crayons périphériques individuels et le guidage de l'araignée 9 pendant la chute de la grappe de contrôle. Les carters hydrauliques 22 ont une section en U à épaisseur constante et sont disposés entre les plaques de guidage 14 Ils sont, par ail5 leurs, reliés auxdites plaques par soudure à la façon d'entretoises discontinues et peuvent être réalisés par formage de tôle Leur assise se fait sur la plaque 14 par des parties rayonnantes, chaque plaque gardant les deux trous 16 de guidage à faible jeu pour les crayons absorbants 8 ou l'araignée 9 Le fond des carters hydrauliques 22 est droit ou arrondi D'au10 tre part, les trous 16 pour le guidage mécanique des crayons absorbants positionnés par couples sont, soit de forme évasée 23 dans le sens axial vers les faces des plaques 14, soit munis de chanfreins 24 (figure 6). Le flux ascendant du liquide de refroidissement qui sort des éléments combustibles 5 remplit les boitiers 11 et les intervalles entre les 15 crayons et les fourreaux de guidage Les courants de circulation indiqués par les flèches 30 (figure 4) établissent, dans un plan horizontal, quatre zones de grande vitesse en regard des ouvertures 20 du boitier, et quatre zones de plus faible vitesse en correspondance avec les coins du boitier. Ces quatre flux hydrauliques radiaux et opposés entretiennent à l'intérieur 20 des carters hydrauliques 22, une surpression dans un fluide o il n'existe aucun courant de sens radial, mais par contre un faible courant axial du fait des larges sections de passage d'eau entre les crayons 8 et les carters 22 La répartition de la pression se fait donc uniformément dans un plan radial pour tout le fluide interne Par conséquent, les crayons absor25 bants des grappes ne sont pas sollicités par des efforts hydrauliques différentiels sur leur section radiale et restent maintenus dans un fluide tranquilisé Les carters hydrauliques jouent le rôle de tranquilisateurs hydrauliques autour des crayons absorbants des grappes de contrôle. Pour les carters hydrauliques situés dans les coins du boitier de 30 guidage, le rôle est identique vis à vis du flux hydraulique radial sortant par les deux faces adjacentes Par contre, si un déséquilibre se produit, entre les débits sortant radialement des deux faces adjacentes pour des raisons de configuration géométriques en aval du boitier de guidage, les carters protègent aussi les crayons des efforts transversaux initiés par ces 35 variations de débit Les trous des plaques de guidage intermédiaires jouent toujours leur rôle de guidage mécanique des crayons absorbants. Dans la variante selon la figure 7, les carters hydrauliques 22 sont identiques à ceux de l'exemple précédent, mais dans ce cas, les tubes fendus 30 pour les crayons périphériques individuels ont un diamètre intérieur supérieur avec jeu au diamètre desdits-crayons et sont disposés entre les plaques de guidage 14 Ils sont reliés auxdites plaques par soudure à la façon d'entretoises discontinues, chaque plaque gardant les trous 16 de 5 guidage à faible jeu pour les crayons absorbants 8 ou de l'araignée 9 Ces trous 16 sont également, soit de forme évasée dans le sens axial vers les faces des plaques de guidage, soit munis de chanfreins. Les tubes fendus 30 permettent donc de minimiser, autour des crayons périphériques individuels, Ies effets hydrauliques par la tranquili10 sation du fluide de refroidissement dans le sens radial, et de réduire lors de la chute de la grappe de contrôle les effets de surpression hydraulique. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et des perfectionnements de détails et de même envisager l'emploi de moyens équivalents Le dispositif de l'invention est 15 utilisable sur toutes les zones dites de guidages continus de crayons élancés montés sur des supports multibranches, que l'on veut protéger des effets des courants hydrauliques radiaux et transversaux D'autre part, le guidage étant assuré par des éléments sur des longueurs réduites, on est assuré de minimiser l'usure des crayons de grappe lors des déplacements, re20 poussant ainsi plus loin la fréquence admissible de ces déplacements et acceptant ainsi des modes de fonctionnement modernes par téléréglage ou suivi de charge. REVENDICATIONS 1. Dispositif de guidage des grappes de contrôle de réacteur nucléaire, chaque grappe étant formée d'une pluralité de crayons absorbants mobiles verticalement et reliés ensemble par une araignée à bras radiaux h 5 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 à l'intérieur desquels des plaques horizontales assurent, à la partie supérieure des boitiers, un guidage discontinu des crayons absorbants positionnés par couples sur un rayon et des crayons 10 absorbants périphériques individuels de la grappe de contrôle, caractérisé par le fait qu'à la partie inférieure des boitiers ( 11), dans la zone dite de guidage en continu, le guidage des crayons absorbants ( 8) positionnés par couples sur un rayon est-réalisé par l'association des plaques horizontales ( 14) assurant le guidage mécanique des crayons avec des 15 carters( 22) qui minimisent les effets hydrauliques par la tranquilisation du fluide de refroidissement dans le sens radial autour desdits crayons absorbants 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'à la partie inférieure des boîtiers ( 11), dans 20 la zone dite de guidage en continu, le guidage des crayons absorbants ( 8) périphériques individuels est réalisé par l'association des plaques horizontales ( 14) assurant le guidage mécanique des crayons avec des tubes fendus ( 30) dont le diamètre intérieur est supérieur avec jeu au diamètre des crayons absorbants pour minimiser les effets hydrauliques par la tranquili25 sation du fluide de refroidissement dans le sens radial autour desdits crayons absorbants. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les carters hydrauliques ( 22) sont disposés entre les plaques horizontales ( 14) h la façon d'entretoises discontinues. 30 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les tubes fendus ( 30) sont disposés entre les plaques horizontales ( 14) à la façon d'entretoises discontinues. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les plaques horizontales ( 14) comportent des 35 trous ( 16) pour le guidage mécanique des crayons absorbants ( 8), qui sont, soit de forme évasée ( 23) dans le sens axial vers les faces des plaques ( 14), soit munis de chanfreins ( 24). 6. Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que les carters hydrauliques ( 22) ont une section en U à épaisseur constante, obtenus par formage de tôle. 7. Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que les carters hydrauliques ( 22) et les tubes fendus ( 30) sont reliés aux plaques horizontales ( 14) par soudure. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le fond des carters hydrauliques ( 22) est droit ou arrondi.