Brevet FR2552920A1 — publié le 19850405

Coeur pour un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau sous pression L'invention concerne un coeur pour un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau sous pression. Les réacteurs nucléaires à eau sous pression comportent un coeur constitué par des assemblages prismatiques disposés verticalement et côte à côte et plongés dans l'eau de refroidissement qui circule à l'intérieur de la cuve du réacteur renfermant le coeur. Chacun des assemblages est constitué par un faisceau de crayons combustibles parallèles disposés dans la direction longitudinale de l'assemblage et espacés dans la direction transversale pour constituer un réseau 10 régulier dans chacune des sections droites Chaque crayon du faisceau est constitué par un tube de gainage renfermant des pastilles en matériau combustible qui est généralement de l'oxyde d'uranium enrichi en uranium fissile L'ensemble du coeur est constitué par des assemblages identiques et la concentration de matière fissile est suffisante pour permettre l'émis15 sion de neutrons et l'entretien de la réaction neutronique à l'intérieur du coeur Celui-ci est alors dit critique. L'espace entre les crayons à l'intérieur du coeur est tel qu'une couche d'eau de refroidissement d'une certaine épaisseur entoure chaque crayon pendant le fonctionnement du réacteur Cette couche d'eau permet la 20 modération des neutrons émis et leur spectre d'énergie reste dans un domaine appelé domaine thermique. Les réacteurs fonctionnant avec un coeur constitué comme il vient d'être décrit consomment de grandes quantités d'uranium naturel qui capte une certaine fraction des neutrons émis pour donner du plutonium En outre, 25 dans les réacteurs à eau sous pression connus actuellement, on n'utilise qu'une faible partie de l'uranium naturel introduit dans le coeur. Le plutonium formé est récupéré lors du retraitement en usine des assemblages combustibles irradiés mais ce plutonium qui peut être utilisé pour constituer une partie de la charge dans les réacteurs nucléaires du 30 type convertisseurs reste actuellement en grande partie inutilisé puisque les réacteurs du type convertisseurs n'ont pas encore connu un développement industriel suffisant. On a donc pensé à utiliser ce plutonium pour réduire la consommation d'uranium dans les réacteurs refroidis à l'eau Pour celà, on incorpo35 re du plutonium sous forme d'oxyde dans la poudre d'oxyde d'uranium, lors de la fabrication des pastilles de combustible dont on remplit les tubes de gainage des assemblages Il n'est pas possible cependant d'introduire de grandes quantités de plutonium dans le combustible nucléaire et de plus ce plutonium se dégrade rapidement par production préférentielle d'isotope non 5 fissile sous l'effet des neutrons thermiques à basse énergie présents dans le coeur du réacteur. En effet, le plutonium issu du retraitement renferme 70 Z de matière fissile constituée par les isotopes impairs PU 239 et PU 241 et 30 % de matière fertile constituée par les isotopes pairs non fissiles PU 240 et 10 PU 242 Or, les neutrons dans leur domaine thermique ne permettent ni une utilisation optimum des isotopes fissiles ni d'obtenir une conversion notable des isotopes fertiles. De ce fait, le plutonium ne peut être utilisé de façon économique dans les réacteurs nucléaires refroidis à l'eau tels qu'ils sont conçus ac15 tuellement, à cause de l'énergie des neutrons relativement basse dans le coeur de ces réacteurs Le plutonium ne peut être recyclé dans ces réacteurs qu'un nombre de fois très limité car il se dégrade par augmentation de la proportion des isotopes pairs non fissiles qui ne peuvent être transformés en matière fertile de façon notable dans le réacteur. On a proposé, pour améliorer le rendement du combustible nucléaire dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression, d'augmenter l'énergie des neutrons dans la première partie de la vie du coeur du réacteur, en réduisant la quantité d'eau de modération à l'intérieur des assemblages et en introduisant une matière absorbant les neutrons dans certains tubesguides 25 de celui-ci Cette méthode qui fait l'objet des demandes de brevet français 82-18011 et 82-18012 de la Société FRAMATOME permet d'obtenir une production accrue de plutonium fissile qui participe à l'entretien de la réaction de fission et permet d'économiser une partie de l'uranium Cependant, le plutonium fissile produit n'est pas utilisé de façon optimum, en particu30 lier lorsque le réacteur est ramené dans un spectre de neutrons à basse énergie, pendant la seconde partie du cycle. Le but de l'invention est donc de proposer un coeur pour un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau sous pression constitué par des assemblages prismatiques disposés verticalement et côte à côte, plongés dans 35 l'eau de refroidissement et formés chacun d'un faisceau de crayons combustibles parallèles espacés de façon à permettre la circulation de l'eau de refroidissement et la constitution autour de ces crayons d'une couche d'eau de modération des neutrons émis, ce coeur permettant d'utiliser du pluto- nium de recyclage dans de très bonnes conditions, tout en étant d'une structure ne nécessitant pas de modifications importantes des réacteurs nucléaires refroidis à l'eau tels qu'ils sont construits actuellement. Dans ce but, le coeur comporte: un premier ensemble de zones s'étendant sur toute sa hauteur et sur une fraction de sa section transversale o les crayons combustibles contiennent principalement de l'oxyde d'uranium enrichi de façon à émettre des neutrons et à entretenir la réaction neutronique et sont espacés d'une distance permettant la constitution d'une couche d'eau de modération autour de ces 10 crayons suffisante pour amener le spectre d'énergie des neutrons dans le domaine thermique, et un second ensemble de zones intercalées entre les zones du premier ensemble o les crayons combustibles contiennent principalement du plutonium et sont espacés d'une distance sensiblement inférieure à la distance sépa15 rant les crayons du premier ensemble. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, en se référant à la figure jointe en annexe, un mode de réalisation d'un coeur de réacteur nucléaire refroidi à l'eau sous pression du type à variation de spectre et de composition hétéro20 gène, suivant l'invention. La figure unique est une coupe transversale du coeur du réacteur nucléaire à eau sous pression et à variation de spectre. Sur la figure unique on voit un coeur de réacteur nucléaire à eau sous pression comportant des assemblages prismatiques à sections hexagona25 les juxtaposées et occupant toute la hauteur du coeur. Contrairement au coeur de réacteurs nucléaires à eau pressurisée de l'art antérieur, ces assemblages ne sont pas tous identiques. Les assemblages 1 et 2 sont constitués par des faisceaux de crayons renfermant de l'oxyde d'uranium enrichi disposés suivant un réseau 30 ménageant des interstices entre les crayons pour la constitution de lames d'eau d'une épaisseur suffisante pour la modération des neutrons jusque dans le domaine thermique Certains crayons du réseau de l'assemblage sont remplacés par des tubes-guides et dans ces tubes-guides peuvent être introduites des barres en uranium appauvri comme il a été décrit dans le brevet 35 82-18012 du 27 Octobre 1982 de la Société FRAMATOME. L'introduction de barres en uranium appauvri dans les tubes-guides des assemblages du type 1 et 2 pendant la première partie du cycle du combustible permet de chasser l'eau de ces tubes-guides, de durcir le spec- tre des neutrons et d'augmenter ainsi la production de plutonium dans le combustible Un durcissement supplémentaire vient du fait que les barres en uranium appauvri absorbent les neutrons de basse énergie La production de plutonium est également accrue par le fait qu'une partie de l'uranium 238 contenu dans les barres d'uranium appauvri se transforme en plutonium. Dans les assemblages du type 1, seules des barres d'uranium permettant d'obtenir une variation de spectre sont introduites dans les tubes guides alors que dans les assemblages du type 2, certains tubes-guides sont réservés au déplacement des barres de commande de la réactivité du coeur du 10 réacteur au cours de son fonctionnement Les tubes-guides de ces assemblages 2 reçoivent donc d'une part les barres d'uranium appauvri du dispositif de variation de spectre et d'autre part les barres de commande du réacteur. Les assemblages 1 et 2 constituent un ensemble de zones qui s'étendent sur toute la hauteur du coeur du réacteur o les crayons combusti15 bles en oxyde d'uranium présentent des interstices d'une dimension relativement importante. Entre les zones constituées par les assemblages 1 et 2, le coeur comporte des assemblages 3 d'une composition et d'une structure tout-àfait différente des assemblages 1 et 2 Les assemblages 3 sont disposés en da20 mier entre les assemblages 1 et 2. Les assemblages 3 sont constitués par des crayons renfermant principalement du plutonium de récupération contenant, pour 70 Z des isotopes fissiles et pour 30 Z des isotopes non fissiles. Ces crayons sont disposés suivant un réseau régulier dont les in25 terstices ont une dimension très inférieure à la dimension des interstices dans les assemblages 1 et 2 Les interstices ont une dimension moyenne qui est environ trois fois plus faible que la dimension des interstices des assemblages 1 et 2 Ce faible interstice entre les crayons de plutonium peut être obtenu en enroulant en hélice sur ces tubes des fils d'écartement com30 me dans les assemblages des réacteurs du type sous-modéré dont le spectre est intermédiaire entre un spectre à neutrons thermiques et un spectre à neutrons rapides. Dans les assemblages 3 on n'introduit ni barres de commande ni barres de variation de spectre et l'ensemble du réseau est constitué par 35 des crayons de plutonium de récupération, indépendamment des éléments de l'assemblage nécessaires pour assurer sa rigidité. L'ensemble du coeur visible sur la figure 1 est donc constitué par une juxtaposition de zones constituées chacune par un assemblage du 55292 O type 1 ou 2 ou du type 3 Une disposition en damier telle que représentée présente l'avantage que chacun des assemblages 3 se trouve entouré par des assemblages du type 1 et 2 qui produisent les neutrons nécessaires pour l'entretien des réactions nucléaires. Les assemblages 3 peuvent être réalisés sous forme d'assemblages souscritiques c'est-à-dire dont l'activité neutronique serait insuffisante pour entretenir la réaction neutronique. A l'intérieur des assemblages 3, les neutrons provoquent la fission d'une partie des noyaux des isotopes impairs du plutonium, ce qui pro10 duit des neutrons qui ne sont que très peu ralentis par la faible lame d'eau existant entre les crayons de l'assemblage 3 Ces neutrons à haute énergie transforment une partie du plutonium non fissile en plutonium fissile, si bien que celui-ci ne se dégrade pas pendant l'utilisation du réacteur Un recyclage de ce plutonium peut donc être prévu comme pour les as15 semblages contenant de l'oxyde d'uranium. Le coeur présenté sur la figure 1 comporte 236 assemblages des types 1 et 2, à savoir 163 assemblages du type à variation de spectre recevant uniquement des barres d'uranium enrichi et 73 assemblages recevant à la fois des barres d'uranium enrichi et des grappes de commande du réac20 teur Ce coeur comporte, intercalés entre ces 236 assemblages 1 et 2, 90 assemblages du type 3 sous-modérés et renfermant du plutonium. Ces 90 assemblages 3 renferment une quantité de matériau fissile insuffisante pour produire la divergence neutronique à eux seuls, il sont donc dits sous-critiques. Les assemblages 1 et 2 qui jouent le r 81 e de source neutronique pour les assemblages 3 ne nécessitent pas un enrichissement initial élevé puisque les barres de variation de spectre permettent de faire fonctionner le réacteur avec des neutrons d'une énergie accrue, pendant la première partie de la vie du coeur du réacteur. Le coeur de réacteur nucléaire à eau sous pression tel qu'il est représenté sur la figure 1 permet de réaliser une économie de matière fissile de 30 % par rapport à une charge fissile contenant uniquement de l'uranium grâce aux 90 assemblages renfermant des crayons en plutonium recyclé. Le fait de disposer les assemblages renfermant du plutonium en da35 mier entre les zones constituées par les assemblages à variation de spectre permet une durcissement supplémentaire du spectre de neutrons par rapport à ce qui est obtenu uniquement par la sous-modération dans les assemblages 3 et donc une production accrue de matière fissile qui permet un gain supplé- 255292 O mentaire de l'ordre de 20 %. Mais l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi que les assemblages constituant le premier ensemble 5 de zones du coeur réalisés sous forme hétérogène peuvent être constitués par des assemblages classiques de réacteur nucléaire à eau sous pression qui ne sont pas destinés à recevoir des barres de variation de spectre Cependant, dans ce cas, il est nécessaire d'utiliser des assemblages ayant un enrichissement initial élevé pour qu'ils puissent accomplir leur fonction 10 de source à l'égard des assemblages renfermant le plutonium Ceci présente des inconvénients si l'on veut utiliser le combustible avec des taux de combustion élevés. Les assemblages constituant le coeur peuvent avoir une section différente d'une section hexagonale, par exemple une section carrée comme 15 il est de pratique courante pour les assemblages constituant les coeurs des réacteurs nucléaires à eau sous pression. Les zones du premier ensemble contenant l'uranium peuvent être constituées par un seul assemblage, par plusieurs assemblages ou même par une partie d'un assemblage renfermant à la fois des crayons en oxyde d'ura20 nium et des crayons de plutonium Dans tous les cas cependant, les zones du second ensemble renfermant le plutonium doivent être réparties entre les zones du premier ensemble renfermant l'oxyde d'uranium, pour permettre un fonctionnement neutronique satisfaisant du coeur Ces zones doivent avoir également des dimensions transversales suffisamment faibles pour assurer un 25 bon fonctionnement neutronique. Enfin, l'invention s'applique à tous les réacteurs nucléaires refroidis à l'eau dont le coeur est constitué par une juxtaposition de faisceaux d'éléments combustibles parallèles. REVENDICATIONS 1. Coeur pour un réacteur nucléaire refroidi par de l'eau sous pression constitué par des assemblages prismatiques disposés verticalement et côte à côte, plongés dans l'eau de refroidissement et formes chacun d'un faisceau de crayons combustibles parallèles espacés de façon à permettre la circulation de l'eau de refroidissement et la constitution, autour de ces crayons, d'une couche d'eau de modération des neutrons émis, caractérisé par le fait qu'il comporte: un premier ensemble de zones ( 1, 2) s'étendant sur toute sa hauteur et 10 sur une fraction de sa section transversale o les crayons combustibles contiennent principalement de l'oxyde d'uranium enrichi de façon à émettre des neutrons et à entretenir la réaction neutronique et o ces crayons sont espacés d'une distance permettant la constitution d'une couche d'eau de modération suffisante pour amener le spectre d'énergie des neutrons dans le 15 domaine thermique, et un second ensemble de zones ( 3) intercalées entre les zones ( 1, 2) du premier ensemble o les crayons combustibles contiennent principalement du plutonium et sont espacés d'une distance sensiblement inférieure à la distance séparant les crayons du premier ensemble. 2 Coeur pour réacteur nucléaire suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la distance séparant les crayons du second ensemble de zones ( 3) définit une lame d'eau d'épaisseur suffisamment faible pour que les neutrons produits se situent dans le domaine des hautes énergies. 3 Coeur pour un réacteur nucléaire suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chacune des zones ( 1, 2) du premier ensemble et chacune des zones ( 3) du second ensemble est constituée par un assemblage combustible. 4 Coeur pour un réacteur nucléaire selon la revendication 3,caractérisé par le fait que les assemblages ( 3) du second ensemble sont disposés en damier par rapport aux assemblages ( 1, 2) du premier ensemble. 5. Coeur pour un réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que les assemblages(l, 2) du premier ensemble comportent des tubes-guides destinés à recevoir des barres de variation de spectre. 2552 ? 920 6. Coeur pour un réacteur nucléaire suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'une partie des assemblages à variation de spectre du premier ensemble ( 1, 2) comporte des tubes-guides destinés à recevoir des barres de commande de la réactivité du réacteur. 7 Coeur pour un réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la distance entre les crayons combustibles du second ensemble de zones ( 3) est sensiblement égale au tiers de la distance entre les crayons dans les zones ( 1, 2) du premier ensemble. 8 Coeur pour un réacteur nucléaire suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chacune des zones ( 1, 2) du premier ensemble et chacune des zones ( 3) du second ensemble est constituée par une pluralité d'assemblages juxtaposés. 9 Coeur pour un réacteur nucléaire suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chacune des zones ( 1, 2) du premier ensemble et chacune des zones ( 3) du second ensemble est constituée par une partie d'un assemblage combustible. HUIT PAGES FRAMATOME & Cie