Brevet FR2570214A1 — publié le 19860314

AIGUILLE ABSORBANTE POUR ASSEMBLAGE ABSORBANT DE REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES La présente invention se rapporte à une aiguille absorbante destinée à être utilisée dans un assemblage absorbant de réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par un métal liquide. Dans Les réacteurs nucléaires, la réaction de fission qui se produit dans le coeur du réacteur peut être contrôlée ou stoppée au moyen d'assembLages absorbants aptes à être introduits sur une partie de leur longueur ou en totalité entre les assemblages contenant le combustible nucléaire. Ces assemblages absorbants peuvent servir à assurer les fonctions de pilotage du réacteur, de compensation et de sûreté. Pour les premières de ces fonctions, l'enfoncement des assemblages absorbants dans le coeur varie entre O et 50% de la hauteur du coeur. Seule la fonction de sûre- té impliquant l'arrêt du réacteur impose l'introduc- tion complète de ces assemblages dans le coeur. Dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, les assemblages absorbants comprennent un fourreau fixe à L'intérieur duquel peut se déplacer verticalement un ensemble mobiLe. Cet ensemble est constitué principalement d'un faisceau d'aiguilles absorbantes et d'une tête de préhension servant à commander le déplacement vertical de l'ensemble entre une position basse dans laquelle la partie absorbante se trouve dans le coeur du réacteur et une position haute dans laquelle elle se trouve au-dessus de ce dernier. Les aiguilles absorbantes constituant la partie absorbante de l'assemblage comprennent chacune une gaine métallique allongée, dans laquelle sont empilées des pastilles en un matériau absorbant les neutrons, tel que du carbure de bore. Généralement, les pastilles sent réalisées par frittage. Pour faire mieux comprendre l'objet de la présente invention, on a représenté sur la figure 1 un assemblage absorbant de reacteur nucléaire à neutrons rapides de conception classique. Sur cette figure 1, on reconnaît le fourreau de guidage fixe 10, qui est placé dans Le coeur 12 du réacteur, représenté schématiquement et de façon incomplète sur la figure. Le fourreau fixe 10 comporte un pied 14 apte à être reçu dans un sommier (non re presenté) assurant le supportage et l'alimentation en fluide de refroidissement (généralement du sodium) du coeur 12. Pour assurer le refroidissement des aiguilles absorbantes, une circulation du fluide de refroidissement est prévue de bas en haut à L'intérieur du fourreau 10. A cet effet, des trous 16 sont formes dans le pied du fourreau. A L'intérieur du fourreau vertical 10 de L'assemblage absorbant est reçu de façon coulissante un ensemble mobile comportant principalement une partie absorbante 18 et une tête de préhension 30. La partie absorbante 18 comporte un boîtier creux 20 dans lequel est disposé un faisceau d'aiguilles absorbantes 22. Chaque aiguille 22 comporte une gaine métallique allongée de forme générale cylindrique, dans laquelle est reçu avec un certain jeu radial un empilement de pastilles éLémentaires de carbure de bore B4C ou d'un matériau comparable absorbant les neutrons. Le jeu radial prévu entre les pastilles et la gaine permet de prendre en compte le gonflement sous irradiation du carbure de bore. Comme L'illustre la figure 1, chaque aiguille 22 comporte des bouchons 24 et 26 respectivement à ses extrémités supérieure et inférieure. La tête de préhension 30 constituant la partie supérieure de l'ensemble mobile est reliée au boi- tier 20 de la partie absorbante par une tige de eouplissement creuse 28. Le guidage du coulissement de la tige 28 à L'interieur du fourreau 10 est réalisé au moyen d'un disque 32 soudé à L'intérieur du fourreau 10 et percé en son centre pour permettre le passage de la tige. Ce disque 32 permet en outre de de;ndr la position basse de L'assemblage 18 dans le fourreau 10 par La venue en appui d'une coLlerette 34 solidaire de la tige 28 sur ce disque 32, comme on l'a représenté en traits mixtes sur la figure 1. A son extrémité inférieure, le boîtier 20 est obturé par une pièce en forme d'ogive 36 percée de trous 38. Comme l'indiquent les fleches sur la figure 1, les trous 38 permettent au fLuide de refroidissement penétrant par les orifices 16 dans le pied 14 du fourreau de circuler à l'intérieur du bottier 20 pour assurer en fonctionnement un refroidissement efficace des aiguilles absorbantes 22. Le fluide de refroidissement s'échappe ensuite vers te haut par des orifices 40 formés à la partie supérieure de la tige 28. Dans un assemblage absorbant de ce type, la réalisation des aiguilles absorbantes soulève de nombreuses difficultés liées à la nécessité de réaliser un compromis entre L'efficacité neutronique ou antiréactivité du matériau absorbant Les neutrons et la recherche d'un temps de séjour très élevé de ce maté- riau dans le coeur du réacteur. La recherche de L'efficacite neutronique maximum du matériau absorbant conduit le plus souvent à utiliser comme matériau du carbure de bore B4C enrichi en bore 10 (10B) dans des aiguilles présentant un diamètre aussi élevé que possible. En revanche, on sait que les propriétés mécaniques et thermiques du carbure de bore entraînent inéluctablement des fracturations des pastilles sou mises à u puissance linéique eeevéc, provenant de l'énergie gagée par les captures dans le bore 10. De plus, ces captures entrassent un gonflement du carbure de bore relativement important. Pour tenir compte du gonflement du carbure de bore sous irradiation, il est connu de menager entre les pastilles et la gaine un jeu radial d'autant plus élevé que l'on recherche un temps de séjour prolongé dans te coeur. Cet accroSssement du jeu est possible notamment dans la conception dite 'à joint sodium", dans laquelle le jeu radiaL est rempli de sodium, grâce à ta bonne conductivité thermique de ce iui-ci. Cependant, à cause de la fracturation du carbure de bore, il n'y a pas d'intérêt å aller au-delå d'un certain jeu, car rien n' empêche les mouvements et réarrangements des fragments. Pour remédier au problème posé par Les mouvements eventueLs des fragments résultant de La fracturation du carbure de bore, il est également connu de loger l'emp;tement de pastilles à t'intérieur d'une chemise laissant passer l'hélium relâché par le carbure de bore et le sodium servant de joint thermique. Cette chemise doit être conçue de façon à conserver sa fonction de maintien mécanique en se déformant sous la poussée du gonflement du carbure de bore (augmentation de diamètre ou écrasement). De nombreux types de chemises remplissant cette fonction sont connus, tels que des tubes perforés, des systemes poreux s'écrasant, etc. Si l'on tient compte du fait que ta plupart des assemblages absorbants assurent simuLtanément les trois fonctions de pilotage, compensation et sûreté, de telle sorte que seules les parties basses des aiguilles absorbantes sont pratiquement enfoncées en permanence dans le coeur, il est également connu de résoudre le problème posé par les risques de fracturation du carbure de bore en réduisant l'enrichissement de celui-ci en bore 10 dans la partie basse de l'aiguille. Chacune de ces solutions connues au problème pose par le gonflement et par la fracturation des pastilles de carbure de bore a toutefois, comme inconvénient de diminuer L'efficacité neutronique de l'ai- guille absorbante. La présente invention a précisément pour objet une aiguille absorbante pour assemblage absorbant de réacteur nucléaire à neutrons rapides permettant de concilier à la fois la recherche d'une grande efficacité neutronique et d'une grande durée de vie. A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé une aiguille absorbante pour assemblage absorbant de réacteur nucléaire à neutrons rapides, comportant une gaine métallique dans laquelle est disposé, avec un jeu radial par rapport à la gaine, un empilement de pastilles en un matériau absorbant les neutrons, caractérisée en ce que ledit empilement comprend une partie supérieure et une partie inférieure, les pastilles de la partie inférieure étant logées dans une chemise formant avec la gaine un jeu radial supérieur au jeu radial formé entre les pastilles de la partie supérieure et la gaine. Selon un mode de réalisation préféré de L'invention, au moins les pastilles de la partie basse de ladite partie inférieure présentent une concentration en isotope à forte section efficace d'absorption des neutrons inférieure à la concentration présentée par les autres pastilles de L'aiguille. Afin d'assurer un supportage efficace de la partie supérieure de l'empilement, les parties inférieure et supérieure sont de préférence séparées par un disque n métal réfractaire tel que du tantale ou du tungstd e. Pour tenir compte du fait que, dans les conditions genérales de fonctionnement des assemblages absorbants, l'enfoncement de L'assemblage dans Le coeur varie entre 0 et 50Z de la hauteur de celui-ci, les parties inférieure et supérieure de L'empilement sont approximativement de même Longueur. Afin de prendre en compte l'allongement des pastilles sous irradiation et d'assurer l'efficacité du chemisage de la partie basse de L'empilement, la chemise comprend de préférence à son extremite supérieure une collerette externe évitant la chute de fragments de carbure de bore entre la gaine et la chemise. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'inven- tion en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe verticale dont les parties gauche et droite représentent respectivement les parties haute et basse d'un assemblage absorbant pouvant recevoir des aiguilles absorbantes réalisées conformément à la présente invention, et - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale représentant une partie d'une aiguille absorbante réalisée conformément à la présente invention. L'aiguille absorbante 22 représentée sur la figure 2 comprend de façon connue une gaine métallique allongée 40, de forme générale cylindrique, et un empilement de pastilles élémentaires 41 de carbure de bore B4C monté avec un certain jeu radial 42 dans la gaine 40. Le jeu radial 42 est de préférence rempli de sodium afin d'assurer un échange thermique efficace entre les pastilles 41 et La gaine 40 Conformément à l'invention, lXempilement de pastilles 41 est divisé dans te sens de la hauteur en une partie supérieure 44 et une partie inférieure 46, approximativement de même Longueur. Comme on l'a mentionné précédemment, la partie supérieure 44 de l'empilement n'est pratiquement introdu,te dans le coeur du réacteur que lors de l'arrêt de celui-ci. Il est donc souhaitable que cette partie de l'aiguille, peu sollicitee, présente une réactivité maximale. Pour cette raison, la partie supérieure 44 de l'empilement est constituée de pastilles 41a de carbure de bore présentant un fort enrichissement en 10B (par exemple 90%) et un jeu radial réduit avec la gaine 40 (de l'ordre de 0,5 mm) A l'inverse, on a vu que la partie inférieure 46 de l'empilement est la pLus solticitée, de sorte qu'il est souhaitable qu'elle permette un temps de séjour maximum dans le coeur du réacteur. A cet effet, on voit sur la figure 2 que la partie inférieure 46 de l'empilement est constituée de pastilles 41b et 41c de carbure de bore logées dans une chemise 48 formant avec la gaine 40 un jeu radial de L'ordre de 2 mm. La chemise 48 dans laquelle sont Logées les pastilles 41b et 41c peut être réalisée selon peu- sieurs méthodes. Ainsi, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2 à titre d'exempte, la chemise 48 est constituée par un tube perforé dont Le diamètre augmente sous l'effet du gonflement des pastilles et dont les perforations assurent à la fois le passage du sodium servant de joint thermique et le passage de L'hélium relaché par Les pastilles. De préférence, la chemise 48 se termine à son extrémité supérieure par une collerette 50 de plus grand diamètre faisant saillie jusqu'à proximité de la gaine 40. Cette collerette est prévue pour tenir compte de l'allongement de la partie inférieure 46 de L'empilement sous irradiation, qui peut amener les pastilles en haut de La partie inférieure 46 â débor- der de ta chemise 48. ELLe est destinée 3 éviter. la chute de fragments de carbure de bore entre la gaine et La chemise. De plus, pour tenir compte du fait que L'extrémité inférieure de L'aiguiLLe est particulié- rement soLlicitée, on peut combiner à ce niveau la présence de la chemise 48 avec une réduction de lse-n- richissement des pastilles de l'empilement~ A titr-e d'exemple, les pastilles 41c situées à la partie bosse de ta partie 46 de L'empilement peuvent être c-onst tuées de carbure de bore enrichi à 45X de bore 10 alors que Les pastilles 41b situées à ta partie haute de cette partie 46 peuvent entre enrichies ra 90%, conne Les pastiLles 41a. Afin d'assurer Le supportage mécanique de la partie supérieure 44 de L'empiLement, formée de pastilles 41a de gros diamètre, un disque 52 est interpo- sé entre Les parties 44 et-46. Ce disque 52 est réali- sé en un métal réfractaire tel que Le tantale ou le tungstène ayant une température de fusion largement supérieure à ceLLe du B4C (qui est voisine de 2500 C) Dans ces conditions, Les pastilles 41a, le disque 52, les pastilles 41b et 41c, peuvent -occuper respective- ment une hauteur de 500 mm, 10 mm, 240 mm et 250 mm. min. La configuration selon L'invention permet, dans La partie haute 44 de l'empilement, de limiter le jeu radial à une valeur très faible tout en utilisant du carbure de bore enrichi à 90%, assurant ainsi une bonne efficace de L'antiréactivité dans cette partie de l'empilement, et, dans la partie inférieure 46, d'obtenir un temps de séjour élevé pour une antiréac- tivité satisfaisante. Par rapport à la conception classique selon laquelle le diamètre et l'enrichissement des pastilles est homogène sur toute La hauteur de l'empilement on augmente ainsi la durée de vie d'environ 50% à 100X, sans perte d'efficacite neutronique. Bien entendu, différentes modifications peuvent être apportees au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple sans sortir du cadre de L'invention. Ainsi, on peut substituer au B4C d'autres matériaux absorbants de neutrons, tels que les composés d'europium. Dans le cas de l'utilisation du B4C,on peut envisager de réaliser la partie inférieure 46 de L'empilement à L'aide de pastilles présentant plus de deux enrichissements différents. De même, l'enrichissement des pastilles situées à l'ex trémité supérieure de la partie 46 peut être différent de celui des pastilles constituant la partie 44 de l'empilement. a partie supérieure 44 de L'empilement peut aussi etre constituée de pastilles présentant des enrichissements différents sur toute sa hauteur. REVENDICATIONS 1. Aiguille absorbante pour assemblage absorbant de réacteur nucléaire à neutrons rapides, comportant une gaine métallique (40) dans laquelle est disposé, avec un jeu radial (42) par rapport à la gaine, un empilement des pastilles (41) en un matériau absorbant les neutrons, caractérisé en ce que ledit empilement comprend une partie superieure (44) et une partie inférieure (46), les pastilles (41b, 41c) de la partie inférieure (46) entant Logées dans une chemise (48) formant avec la gaine (40) un jeu radial supérieur au jeu radial formé entre les pastilles (41a) de la partie supérieure (44) et la gaine. 2. Aiguille absorbante selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins les pastilles (41c) de la partie basse de ladite partie inférieure (46) présentent une concentration en isotope à forte section efficace d'absorption des neutrons inférieure à La concentration présentée par les autres pastilles (41a, 41b) de l'aiguille. 3. Aiguille absorbante selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les parties inférieure (44) et supérieure (46) de L'empilement sont séparées par un disque (52) en métal réfractaire. 4. Aiguille absorbante selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les parties inférieure (46) et supérieure (44) de l'empilement sont approximativement de même Longueur. 5. Aiguille absorbante selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la chemise (48) comprend à son extrémité supérieure une collerette externe (50). 6. Aiguille absorbante selon L'une queLconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit matériau absorbant Les neutrons est Le carbure de bore.