Brevet FR2570213A1 — publié le 19860314

AIGUILLES ABSORBANTES POUR ASSEMBLAGE ABSORBANT DE REACTEUR NUCLEAIRE A NEURTRONS RAPIDES. La présente invention se rapporte à une aiguille d'un assemblage absorbant pour réacteur nu cléaire et notamment pour 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. Selon la fonction à remplir, ces assemblages absorbants peuvent notamment être des assemblages de contrôle-commande, de pilotage ou encore constituer les assemblages d'un système d'arret complémentaire.Dans tous les cas, les assemblages absorbants comprennent un fourreau fixe, une partie absorbante constituée par un faisceau d'aiguilLes gainées contenant un matériau absorbeur de neutrons et une tête de préhension permettant de saisir l'assemblage et de le déplacer verticalement à l'intérieur du fourreau fixe entre une position basse où la partie absorbante se trouve dans le coeur du réacteur et une position haute ou elle se trouve au-dessus de ce dernier. Les aiguilles absorbantes sont constituées chacune par une gaine métallique allongée dans laquelle sont empilées des pastilles en un matériau absorbant, tel que du carbure de bore. Généralement, les pastilles sont réalisées par frittage. Pour mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, on a représenté sur la figure 1 cijointe un tel assemblage absorbant pour réacteur nu cléaire d'un type en soi connu. Sur cette fig. 1, on voit un fourreau de guidage fixe 10 placé en permanence dans le coeur, représenté schématiquement et de façon incomplète en 12, d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Comme les autres assemblages du coeur 12, le fourreau 10 comporte un pied 14 apte à être reçu dans le sommier (non représenté) assurant le supportage et lialimentation en fluide de refroidissement du coeur 12. Pour assurer un refroidissement des éléments absorbants, une circuLation du fluide de refroidissement (généralement du sodium) est prévue de bas en haut à L'intérieur du fourreau 10. A cet effet, des trous 16 sont formés dans Le pied du fourreau. De façon connue, le fourreau 10 de l'assemblage reçoit de façon coulissante une partie absorbante désignée dans son ensemble par La référence 18, et qui comporte principalement un boitier creux 20 dans lequel est disposé un faisceau d'aiguilles absorbantes 22, dont La structure sera décrite en détail sur ta Fig.-2. On notera simplement ici que chaque aiguille 22 compor- te à son extrémité supérieure un bouchon 24 et, à son extrémité inférieure, un bouchon 26. A sa partie supérieure, le boîtier 20 se prolonge par une tige de coulissement creuse 28 terminée par une tête de préhension 30. Le guidage du coulissement de la tige 28 à l'intérieur 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 définir 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 boitier 20 est obturé par une pièce en forme d'ogive 36 percée de trous 38.Comme l'indiquent les flèches sur La figure 1, les trous 38 permettent au fluide de refroidissement pénétrant par les orifices 16 dans le pied 14 du fourreau, de circu ler en majeure partie à l'intérieur du boîtier 20 pour assurer en fonctionnement un refroidissement efficace des aiguilles absorbantes 22. Le fluide de refroidissement s'échappe ensuite vers le haut par des orifices 40 formés à la partie supérieure de la tige 28. Sur la fig.2 ci-jointe on a représenté plus en détail et en coupe selon l'axe, une portion d'une aiguille absorbante 22 de la fig. 1. Sur cette fig. 2, on voit que l'aiguille est constituée, dans une gaine métallique aLlongée 40 de forme générale cylindrique, d'un empilement de pastilles élémentaires 41 de carbure de bore B4C montées avec un certain jeu radial dans la gaine 40 permettantd'accommoder le gonflement sous irradiation du carbure de bore. Le choix du carbure de bore comme matériau absorbant constituant les pastilles résulte des consi dérations suivantes. Pour ce type de réacteur rapide, le bore dispose d'une section efficace de capture neutronique très élevée mais le bore naturel ne contient que 19,8 % 10 de 10B. Il présente, par ailleurs, l'avantage de pou- voir être enrichi jusqu'à 90 % en 1OBT isotope ayant une section de capture très grande. Le bore ainsi enrichi peut donc, de ce fait, offrir une antiréactivité importante par rapport à tous Les autres éléments. Parmi les composés du bore, un de ceux dont la concentration en bore est la plus grande est le carbure de bore B4C (78,3 % en bore) qui par ailleurs a des propriétés réfractaires excellentes. Dans ces conditions, on comprend que le choix, en général, se soit porté sur ce matériau et que les spécialistes n'aient pas hésité à l'enrichir à 90 % de 10B. En effet, avec un carbure de bore enrichi en 10B, il est possible de con centrer dans un voLume minimum une antiréactivité maximum et, du même coup, de minimiser le nombre d'aiguil les nécessaires au contrôle des réacteurs. Matheureusement, des résultats d'irradiation récents montrent aujourd'hui que ces avantages indéniables sont largement compenses par un comportement en réacteur qui limite les performances de ce matériau. En effet, la grande concentration en 10B entraîne : - le développement par absorption neutronique d'une puissance calorique spécifique très importante dans les pastilles d'où des contraintes thermiques élevées entraînant leur dégradation relativement rapide. Ce phénomène est accentué par la mauvaise conductibilité thermique de B4C. - Un nombre de captures de neutrons très élevé, d'ou une production d'hélium importante, chaque neutron îQ capturé par un atome de 10B donnant naissance à un atome d'hélium selon la réaction Le carbure de bore ne l aissant échapper qu'une faible partie de l'hélium formé, ce matériau gonfle sous irradiation et les pastilles de B4C se dilatent. Les conséquences de ce mauvais comportement sous irradiation peuvent provoquer une fissuration allant de la rupture en quelques morceaux pour les pastilles les moins irradiées de L'aiguille à ta désagrégation totale en petits fragments tels que 42, (Fig. 2) de quelques mm seulement pour les pastilles les plus exposées. Le jeu entre les pastilles 41 et la gaine 40, laissé au départ pour accommoder le gonflement, est rapidement comblé de morceaux, d'éclats de B 4C pouvant conduire à une rupture prématurée de La gaine 40. Cette situation est aggravée par Le fait que des fragments venant de toute la hauteur de la colonne de pastiLles 41 de B4C peuvent se rassembLer à un même niveau 43 et combler le jeu dès le débout de l'irradiation. Compte tenu de la très grande dureté des fragments de carbure de bore, la rupture de la gaine 40 par poinçonnement devient un risque très probable. Le gonflement du carbure de bore, indépendamment de toute fissuration des pastilles 41, est proportionnel au temps de séjour des aiguilles en pile. La durée de vie de celles-ci est donc limitée au rattrapage du jeu entre les pastilles 41 et la gaine 40, ce qui, dans les conditions actuelles de fonctionnement des réacteurs à neutrons rapides, conduit à les remplacer au moins aussi souvent que les éléments combustibles eux-mêmes. La présente invention a précisément pour objet une aiguille absorbante pour assemblage absorbant de réacteur nucléaire à neutrons rapides qui pallie, de façon simple, les inconvénients précédents, inhérents à l'utilisation du carbure de bore pour constituer les pastilles de l'empilement absorbant de chaque aiguille. Cette aiguille absorbante pour assemblage absorbant de réacteur nucléaire à neutrons rapides du genre de ceux qui comportent de façon connue dans un fourreau une série d'aiguilles verticales composées chacune d'un empilement de pastilles de carbure de bore dans une gaine métallique de forme allongée avec un certain jeu radial par rapport à cette gaine, se carac térise en ce qu'elle comporte des moyens de retenue des éclats de matériau absorbant, susceptibles d'apparaî- tre en cours de fonctionnement, au niveau d'une partie au moins des plans horizontaux de jonction entre deux pastilles consécutives. Dans des réalisations courantes de l'invention, lesdits moyens de retenue sont mis en oeuvre dans la partie inférieure desdites aiguilles verticales, et, notamment, au niveau de chaque plan horizontal de jonction entre deux pastilles consécutives de La partie inférieure desdites aiguilles verticales. Dans ce dernier cas, lesdits moyens de retenue sont espacés par des intervalles supérieurs à la hauteur d'une pastille à la partie supérieure desdites aiguilles verticales. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, lesdits moyens de retenue comportent des chambres annulaires obtenues en chanfreinant le pourtour des surfaces de l'une au moins des extrémités, supérieure et inférieure, de chaque pastille. Les chanfreins réalisés selon l'invention sur le pourtour des surfaces de jonction entre chaque pastille de carbure de bore réalisent ainsi, lors de l'assemblage, une chambre annulaire de quelques mil limettes de rayon au niveau de chaque plan horizontal de jonction entre deux pastilles consécutives. Cette chambre annulaire offre ainsi un espace supplémentaire aux éclats de carbure de bore qui ont pu tomber et s'insérer entre la gaine 40 et la colonne de pastilles 41 en réduisant ainsi le risque d'interaction mécanique avec La gaine 40 et par là même celui d'un poinçonnement de cette gaine lorsque sous les effets conjugués de la chaleur de l'irradiation, les pastilles de carbure de bore se dilatent radialement. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, les moyens de retenue comportent des disques minces de diamètre légèrement inférieur au diamètre interne de la gaine. Les disques minces d'un matériau de conductibilité thermique élevée et de diamètre Légèrement in férieur au diamètre interne de La gaine, sont insérés entre deux pastilles adjacentes selon un plan horizontal de jonction. Selon cette caractéristique, on diminue les effets nocifs dûs aux contraintes thermiques élevées qui se développent dans les aiguilles et qui sont liées à la mauvaise conductibilité thermique du carbure de bore. En l'absence de tels disques conducteurs de la chaleur, La puissance calorifique dégagée dans chaque aiguille ne peut être évacuée en effet qu'au travers de la surface Latérale externe des pastilles. Grâce à la présence de ces disques minces conducteurs de la chaleur, une partie de cette puissance calorifique peut ainsi être évacuée par les extrémités horizontales adjacentes de deux pastilles consécutives, d'où il résulte une réduction des gradients de température et donc des contraintes thermiques entre le centre des pastilles et leur périphérie.Cet effet est surtout très intéressant lorsque le rapport hI de la hauteur au diamètre des pastilles de carbure de bore est inférieur à 1. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les disques minces précédents sont réalisés en tungstène qui est un matériau réfractaire, très bon conducteur de la chaleur et dont la tenue sous irradiation est également remarquable. De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la.description qui suit de deux exemples de réalisation qui seront décrits en se référant aux figures 3 et 4 sur lesquelles : - la fig. 3 représente un premier mode de mise en oeu vre de l'invention dans lequel les extrémités périt phériques des surfaces supérieure et inférieure de chaque pastille sont chanfreinées ; - la fig. 4 représente un deuxième mode de mise en oeu vre utilisant la technique de chanfreinage de La fig. 3 complétée par la présence de disques métal liques conducteurs entre chaque pastille. Sur les figures 3 et 4, on retrouve tous les éléments de la fig. 2 ainsi que le bouchon 24 d'une aiguille absorbante et l'amortisseur 45 servant à la stabilisation mécanique de la colonne de pastilles 41 dans la gaine d'acier inoxydabLe 40. Sur la fig. 3, on a réaliste, conformément à l'invention, des chanfreins 46 sur le pourtour des surfaces d'extrémités supérieure et inférieure de chaque pastille 41. Ces chanfreins constituent ainsi une sorte de chambre annulaire entourant La colonne de pastilles 41 et pouvant servir comme on le voit nettement en 42 de logement à des éclats de carbure de bore provenant des pastilles supérieures. On a également représenté en 43 une série d'éclats provisoirement bloqués entre une pastille 41 et La gaine 40 mais dont l'évolution ultérieure probable consistera à descendre plus bas et à se loger petit à petit dans les chambres annulaires inferieures définies par les chanfreins 46.Cette disposition de l'invention permet de reduire de façon très importante le risque de coincement et d'interaction métallique entre les éclats 42 et La gaine 40 et par Là même les risques très élevés de poinçonnement et de déchirure de cette dernière. Sur la fig. 4 qui reprend les mêmes dispositions que celles de l'exemple de la fig. 3, on a simplement ajouté selon chacun des plans horizontaux de jonction entre deux pastilles adjacentes 41 des disques 47 en tungstène qui assurent une double fonction. Leur diamètre n'est que très légèrement inférieur au diame- tre intérieur de la gaine 40 et leur épaisseur est de 0,5 mm par exemple. Ils constituent, ainsi, dans l'espace intermédiaire entre la colonne de pastilles 41 et la gaine 40, des zones annulaires en forme de plateaux horizontaux susceptibles de retenir les éclats 42 qui ont tendance à glisser entre la colonne de pastilles 41 et La gaine 40. De cette façon, les éclats de carbure de bore qui naissent à partir d'une pastille 41 déterminée ne peuvent descendre au-delå de ladite pastille et le risque d'une accumulation de fragments à un niveau inférieur détermine devient très réduit puisque tous les éclats qui apparaissent le long de la colonne de pastilles 41 sont empêchés de se rassembler à un meme niveau, minimisant ainsi le risque de rupture de la gaine 40. D'autre part, en intercalant entre les pastilles 41 des disques minces 47 de conductibilité thermique élevée, on réduit les gradients de température et donc les contraintes thermiques entre le centre et la périphérie de chaque pastille 41. Cet effet est surtout très sensible et intéressant lorsque le rapport de la hauteur de chaque pastille à son diamètre est inférieur à 1. Dans le cas de la fig. 4, on a choisi pour le rapport précédent la valeur h/t = 0,88 pour obtenir une répartition équilibrée entre la puissance thermique qui s'évacue par la surface latérale des pastilles 41 et celle qui s'évacue par leur face en présence, au moyen des disques minces 47. Des calculs thermomécaniques faits sur un exemple précis ont montré qu'en passant du mode de réalisation de la fig. 2 à celui de la fig. 4, on di mi- nue la contrainte tangentielle critique à la périphérie des pastilles 41 dans le plan médian de celle-ci de 30 X environ diminuant ainsi les risques de fissuration existants dans le cas de l'exemple de la fig. 2. Cet avantage vient s'ajouter à celui qui résulte de l'effet des disques intercalaires 47 pour stopper la chute vers le bas des fragments éventuels de carbure de bore en Les empêchant de se rassembler à la partie inférieure des aiguilles. Conformément à l'invention, c'est le plus souvent dans la partie inférieure de chaque aiguille absorbante, c'est-à-dire dans La zone où les problèmes de tenue sous irradiation sont les plus aigus, que l'on concentre les moyens de retenue des éclats absorbants. En particulier, leur mise en oeuvre peut être plus es pacée dans la partie supérieure de chaque aiguille, notamment selon un pas d'espacement supérieur à la hauteur d'une pastille. Enfin, on peut également, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser d'autres matériaux absorbants connus, comme par exemple les composés d'eu opium. REVENDICATIONS 1. Aiguille absorbante pour assemblage absorbant de réacteur nucléaire à neutrons rapides, du genre de ceux qui comportent de façon connue, dans un fo-urreau (10) une série d'aiguilles verticales (22), composées chacune d'un empilement de pastilles (41) en matériau absorbant dans une gaine métallique (40) de forme allongée avec un certain jeu radial par rapport à cette gaine, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de retenue (46, 47) des éclats de matériau absorbant, (susceptibles d'apparaître en cours de fonctionnement), au niveau d'une partie au moins des plans horizontaux de jonction entre deux pastilles (41) consécutives. 2. Aiguille absorbantes selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de retenue (46, 47) sont mis en oeuvre dans la partie inférieure desdites aiguilles verticales. 3. Aiguille absorbante selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de retenue (46, 47) sont mis en oeuvre au niveau de chaque plan horizontal de jonction entre deux pastilles consécutives de la partie inférieure desdites aiguilles ver ticals. 4. Aiguille absorbante selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans la partie supérieure desdites aiguilles verticales, Lesdits moyens de retenue sont espacés par-des intervalles supérieurs à la hauteur d'une pastille. S. Aiguille absorbante selon l'une au moins des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de retenue comportent des chambres annu lai rets (46) obtenues en chanfreinant le pourtour des surfaces de l'une au moins des extrémités, supérieure et inférieure, de chaque pastille. 6. Aiguille absorbante selon l'une au moins des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les dits moyens de retenue comportent des disques minces (47) de diamètre légèrement inférieur au diamètre interne de La gaine, insérés entre deux pastilles adjacentes selon leur plan horizontal de jonction. 7. Aiguille absorbante selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits disques minces sont en matériau de conductivité thermique élevée. 8. Aiguille absorbante selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits disques minces (47) sont en tungstène. 9. Aiguille absorbante selon l'une au moins des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le matériau absorbant est le carbure de bore.