Brevet FR2570864A1 — publié le 19860328

BARRE POUR REACTEUR NUCLEAIRE REMPLIE DE MODERATEUR CONSTITUE D'EAU LEGERE L'invention est relative d'une manière générale aux réacteurs nucléaires et, plus particulièrement, à une barre remplie de modérateur destinée à servir dans un assemblage combustible nucléaire. Dans un réacteur nucléaire classique, par exemple du type à eau sous pression (PWR), une quantité excessive de réactivité est induite dans le coeur du réacteur au démarrage si bien que, à mesure que la réactivité s'épuise pendant la durée de vie du coeur, il reste suf- fisamment de réactivité pour entretenir le fonctionne- ment du coeur pendant longtemps. Couramment, des crayons de poison consommable ou d'absorbeur de neutrons sont utilisés dans le coeur du réacteur pendant le premier cycle ou le début de vie (DV) du coeur de réacteur afin de réduire l'excédent de réactivité. La matière du poison a une section efficace très absorbante qui absorbe des neutrons de manière improductive pour réduire la réac- tivité du réacteur. Après l'épuisement de l'excédent de réactivité, pendant le deuxième cycle de fonctionnement du réacteur, aucun dispositif n'est ajouté pour modifier le niveau de réactivité. Lorsque la réactivité a encore diminué, on réintroduit alors finalement, lors du troi- sième cycle ou à la fin (CFF) du fonctionnement du réac- teur, un modérateur pour accroître la réactivité du coeur. Le matériau modérateur ralentit les neutrons à partir des hautes énergies auxquelles ils ont été émis. Les neutrons perdent de l'énergie par collisions avec les noyaux du modérateur provoquant leur diffusion. Les neu- trons lents, c'est-à-dire ceux dont l'énergie a été réduite au domaine de l'énergie thermique, ont de meil- leures chances que les neutrons rapides de provoquer des réactions nucléaires. Ainsi, le ralentissement des neu- trons rapides sert à accroître la réactiyité. 2570864 - Ainsi, dans les assemblages combustibles de PWR irra- diés vers la FF, par exemple les assemblages combustibles de troisième cycle, il est souhaitable d'exclure le calo- porteur borate - c'est-à-dire le caloporteur qui contient le poison ou l'absorbeur de neutrons - des assemblages, et d'augmenter la quantité de modérateur dans les assem- blages combustibles. Un procédé-antérieur qui accomplit partiellement cette opération consiste à retirer simple- ment plusieurs barres de combustible au début du troi- sième cycle. Ensuite, l'espace vide permet d'introduire dans le coeur de nouvelles quantités demélange modérateur/ liquide caloporteur. Cependant, bien que ceci fasse aug- menter la quantité de modérateur dans les assemblages combustibles, la quantité de poison (caloporteur borate) dans les assemblages ne se trouve pas amoindrie; en fait, ce procédé accroît la quantité de poison, puisqu'une augmentation proportionnelle de la quantité de calopor- teur boraté dans les assemblages combustibles accompagne l'augmentation de la quantité du modérateur. Par conséquent, il existe un besoin d'une manière plus efficace d'introduire du modérateur dans le coeur du réacteur au début de sa FF ou troisième cycle et l'invention vise principalement à répondre à ce besoin. Ainsi, l'invention réalise une barre remplie de modérateur conçue, dans une forme de réalisation, pour s'ajuster dans des tubes-guides et, dans une seconde forme de réalisation, pour remplacer des barres de com- bustible. Contrairement au procédé antérieur o la quan- tité de modérateur comme celle de caloporteur boraté (poison) sont accrnes au début du troisième cycle ou FF du coeur du réacteur, les barres remplies de modérateur selon l'invention déplacent le caloporteur boraté et, en même temps, font augmenter la quantité de modérateurs, Les barres sont ré-utilisables et peuvent servir séparément dans des assemblages combustibles dif- férents ou combinées entre elles dans les mêmes assem- blages combustibles. Ainsi, selon la première forme de réalisation, la barre remplie de modérateur est intro- duite dans un tube-guide de la même manière que les crayons de poison consommable. Selon l'autre forme de réalisation, certaines des barres de combustible sont retirées et remplacées par des barres remplies de modé- rateur. Il est également possible de combiner ces deux façons de procéder dansle même assemblage combustible. L'eau légère, à section efficace très propice à la dif- fusion et faible masse atomique, est le modérateur pré- féré dans les barres réalisant l'invention. Il est prévu que l'utilisation de ces barres à modérateur réduise de un à trois pour cent le coût du cycle du combustible, suivant le nombre de barres utilisé. Ainsi, l'invention réside dans une barre à modéra- teur comprenant: (a) un élément tubulaire creux allongé dans lequel est définie une chambre hermétique; (b) un modérateur sans bore contenu dans la chambre hermétique; (c) un moyen formant un puits pour hydrures disposé à une extrémité de l'élément tubulaire et en communication avec la chambre hermétique; et (d) un moyen formant un absorbeur d'hydrogène disposé à l'extrémité opposée de l'élément tubulaire et en communication avec la chambre hermétique. Plus particulièrement, le modérateur est de préfé- rence de l'eau légère, bien que l'eau lourde ou l'hydrure de zirconium puisse aussi être utilisé si ses caractéristiques nucléaires correspondent aux besoins du coeur du réacteur. L'utilisation d'eau comme modéra- teur nécessite la mise sous pression préalable de la chambre avec de l'hélium, de façon à ce que les pressions partielles de la vapeur d'eau et de l'hélium à l'intérieur de la barre se combinent pour égaler approximativement la pression de fonctionnement du coeur du réacteur à l'exté- rieur de la barre. En outre, l'élément tubulaire est formé par un corps tubulaire à paroi mince et de deux bouchons terminaux, fixes aux extrémités opposées du corps afin d'obturer hermétiquement celles-ci. Le corps tubulaire et les bouchons terminaux sont de préférence en Zircaloy4. Afin de réduire.la corrosion à l'inté- rieur de l'élément tubulaire, la matière subit une trempe bêta. Le bouchon plein à l'extrémité inférieure fournit le moyen servant de puits d'hydrures pour l'hydrogène libre dégagé par la corrosion ou oxydation de l'intérieur de l'élément tubulaire. Contre le bouchon de l'extrémité supérieure est placé le moyen formant l'absorbeur d'hy- drogène. Cet absorbeur se présente sous la forme d'une éponge de Zircaloy conçue pour retirer l'hydrogène de la chambre de l'élément tubulaire. L'éponge est retenue à l'extrémité supérieure contre le bouchon par un disque ou une rondelle pourvu d'une ouverture centrale pour laisser passer l'hydrogène gazeux vers l'éponge et maintenue contre l'éponge par une saillie périphérique formée dans le corps de l'élément tubulaire. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexes à titre d'exemples nullement limi- tatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'un assemblage combustible nucléaire repré- senté verticalement en perspective avec des parties supprimées pour plus de clarté; la figure 2 est une vue en coupe agrandie, verticalement raccourcie, d'une barre à modérateur conçue pour être in- troduite dans un tube-guide de l'assemblage combustible et représentant une première forme de réalisation de l'invention; la figure 3 est une vue en coupe agrandie, verticalement en raccourcie, d'une barre à modérateur conque pour rem- placer une barre de combustible dans l'assemblage com- bustible et représentant une deuxième forme de réali- sation de l'invention. Dans la description qui suit, les références semblables désignent des pièces identiques ou correspondantes sur l'ensemble des différentes vues des dessins et des ter- mes tels que "antérieur", "postérieur", "gauche", "droit", "vers le haut'", "vers le bas" et autres sont des mots utilisés par convenance et ne doivent pas être pris pour des termes limitatifs. Considérant maintenant les dessins, et en particulier la figure 1, l'assemblage combustible représenté sur celle-ci et désigné globalement par la référence 10 est d'un type utilisé dans un réacteur à eau sous pression (PWR). Il comporte fondamentalement une structure terminale inférieure ou embout inférieur 12 pour sup- porter l'assemblage sur la plaque inférieure du coeur (non représentée) dans la région du coeur d'un réacteur (non représenté); plusieurs tubesguides ou fourreaux 14 dépassant vers le haut depuis l'embout inférieur 12; plusieurs grilles transversales 16 axialement espacées le long des tubes-guides 14; des barres 18 de combustible allongées espacées transversalement et supportées par la grille 16 en un ensemble organisé; un tube de mesure 20 situé au centre de l'assemblage combustible; et une structure terminale supérieure ou embout supérieur 22 fixée aux extrémités supérieures des tubes-guides 14. L'assemblage combustible 10 forme un ensemble monobloc pouvant être commodément manié sans endommager les pièces de 1' assemblage. Chacune des barres de combustible 18 contient des pastilles 24 de combustible nucléaire et ses extrémités opposées sont fermées au moyen des bouchons terminaux supérieur et inférieur 26, 28. Les pastilles 24 de combustible composées de matière fissile sont la source d'énergie réactive du PWR. Un modérateur/caloporteur liquide tel que de l'eau ou de l'eau borée est pompé vers le haut à travers les assemblages combustibles du coeur afin d'en extraire de la chaleur en vue de produire un travail utile. Lors du fonctionnement d'un PWR, il est souhaitable de prolonger autant que possible la durée de vie du coeur du réacteur afin de mieux utiliser le combustible uranium et de réduire ainsi le prix de revient du combustible. A cette fin, une pratique courante a consisté à prévoir des moyens pour faire passer le spectre neutronique à des énergies moindres, à mesure que:le coeur vieillit, afin d'accroître la réactivité. Jusqu'à présent, ceci s'est fait en retirant des barres introduites au début pour déplacer pendant le premier cycle une partie de l'eau servant de modérateur. Par contre, la présente invention prévoit une barre remplie de modérateur conque pour être introduite dans l'assemblage combustible au début du troisième cycle pour augmenter le nombre de neu- trons thermiques et, de ce fait, la réactivité du coeur. Dans une première forme de réalisation représentée à la figure 2, la barre 30 à modérateur est conçue pour être introduite dans un tube-guide 14 (figure 1) alors que la barre 32 à modérateur de la deuxième forme de réalisation représentée à la figure 3 est conçue pour être substituée à une des barres 18 de combustible de l'assemblage 10 (figure 1). Au moins une, et de préférence plusieurs, des barres 30 à modérateur sont supportées fixement, au moyen d'une araignée 34, dans les tubes-guides 14 de certains des assemblages combustibles 10, tansis qu'une ou plusieurs des barres 32 à modérateur sont substituées à une ou plusieurs des barres de combustible 18 dans le même assemblage combustible 10 ou dans différents assem- blages combustibles 10. Considérant maintenant la figure 2, la barre 30 à modérateur comporte un élément tubulaire creux allongé 36 ayant des extrémités supérieure et inférieure 38, 40 opposées et un plenum ou chambre de pression 42 herméti- quement obturé défini à l'intérieur de l'élément tubulaire et contenant un liqcruide modérateur 44 sans bore tel que de l'eau légère. A l'extrémité supérieure 38 de l'élément tubulaire 36 se trouve un moyen 46 formant un absorbeur d'hydrogène disposé en communication avec la chambre her- métique 42. A l'autre extrémité 40, inférieure, de l'élé- ment tubulaire 36 se trouve un moyen 48 formant puits pour hydrures disposé en communication avec la chambre hermé- tique 42. L'élément tubulaire 36 est formé par un corps tubu- laire 50 et des bouchons terminaux 52, 54 en matière ap- propriée et, de préférence, en alliage à base de zirconium tel que le Zircaloy-4. Les bouchons 52, 54 sont fixés rigi- dement, par exemple par des joints circulaires 56, 58, aux extrémités opposées du corps tubulaire 50 afin d'ob- turer hermétiquement celui-ci. Pour obtenir une quantité maximale de modérateur 44 dans la barre 30, il est sou- haitable de limiter l'épaisseur de la paroi du corps 50. De préférence, le modérateur liquide 44 est de l'eau légère, quoiqu'on puisse aussi utiliser de l'eau lourde ou de l'hydrure de zirconium si leurs caractéristiques nucléaires correspondent aux besoins du coeur du réacteur. L'utilisation d'eau comme modérateur implique la mise sous pression préalable de la chambre 42 avec de l'hélium de manière à ce que les pressions partielles de la vapeur d'eau et de l'hélium dans la chambre 42 se combinent pour égaler approximativement la pression de fonctionnement du coeur du réacteur à l'extérieur de la chambre 42. Par exemple, si la température de fonctionnement est de 315 C, la pression partielle de la vapeur est d'environ 105 bars. Comme la pression du coeur du réacteur est de 150 bars, il est nécessaire de mettre sous une pres- sion préalable le plenum ou chambre 42 avec de l'hélium jusqu 'à environ 48 bars. Cette mise sous pression préa- lable minimise la pression différentielle dans le corps tubulaire (gaine) 50 et minimise de ce fait les con- traintes dans la gaine pour, à son tour, minimiser la tendance du Zircaloy à subir un fluage induit par la chaleur et l'irradiation. Il faut signaler que, pendant les temps de repos, le modérateur liquide 44 ne remplit pas entièrement la chambre 42 mais seulement jusqu'à un niveau indiqué au repère 60. Ceci est dû au fait que le volume spécifique du liquide change en fonction de la température. Lors- cu'elle passe de 38 C à 315 C, l'eau augmente de volume de 45%, raison pour laquelle un espace 62 pour vapeur a été prévu dans la chambre 42. L'utilisation d'eau comme modérateur 44 dans la chambre hermétique 42 amène à se préoccuper du risque de corrosion et d'hydruration de la matière de l'élé- ment tubulaire 36. La corrosion (ou l'oxydation) des surfaces internes produit de l'hydrogène dont une partie pénètre dans le Zircaloy pour former un hydrure de zirconium. Les fortes teneurs d'hydrure de zirconium provoquent la fragilisation du Zircaloy et peuvent aussi aboutir à une rupture traversant toute la paroi du tube par suite de la formation de boursouflures d'hydrure. Afin de minimiser la corrosion de l'intérieur de l'élément tubulaire 36, sa matière est soumise à une trempe bêta et préoxydée. Ceci limite l'oxydation et la formation d'hydrures lors du fonctionnement du ré- acteur. Par ailleurs, afin de limiter l'accumulation d'hydrures, le bouchon terminal inférieur 54 contient un grand volume de Zircaloy solide servant de moyen 48 formant le puits pour hydrures. Comme cette extrémité inférieure de l'élément 36 est la plus froide, l'hydro- gène tend à émigrer vers elle. Comme la chambre 42 de la barre 30 est dans la région faiblement irradiée du coeur du réacteur, il est souhaitable d'avoir un autre moyen pour éliminer l'excédent d'hydrogène. Ce moyen est l'absorbeur d'hydrogène 46. Le bouchon terminal su- périeur 52 est une fixation pour relier la barre 30 à l'araignée 34 (figure 1) et contre lui se trouve l'ab- sorbeur d'hydrogène 46. La forme préférée du moyen 46 est une éponge 64 en Zircaloy qui est poreuse et présente un rapport surface/volume élevé. Elle est conçue-pour retirer l'hydrogène de l'espace 62 pour vapeur dans la chambre 42 de l'élément 36. L'éponge 64 est retenue contre le bouchon terminal supérieur 52 au moyen d'une rondelle ou d'un disque 66 annulaire en Zircaloy qui a une ouverture centrale 68 pour laisser passer l'hydro- gène gazeux vers l'éponge 64. Le disque 66-est maintenu contre l'éponge 64 par une saillie périphérique 70 dépas- sant vers l'intérieur et formée sur le corps 50 de l'élé- ment tubulaire 36. Comme il est souhaitable de faire en sorte que la barre 30 soit aussi grande que possible tout en gardant la possibilité de l'introduire dans le tube-guide 14 et de l'en retirer, la barre est réalisée avec deux dia- mètres en ce sens que la partie inférieure 72 du bouchon terminal inférieur 54 a un diamètre plus petit quecelui de la partie supérieure 74 de celui-ci et la partie prin- cipale de la barre, à savoir le corps tubulaire 50. Ainsi, la partie inférieure 72 de bouchon terminal s'emboîte dans l'amortisseur (non représenté) au bas du tube-guide 14. Cette conception permet un volume supérieur d'environ % à celui obtenu avec une barre à diamètre unique. Dans le bouchon 54 est formé un passage 76 de remplissage d'entrée à utiliser pour la mise sous pression préalable de la barre 30. Après la mise sous pression, l'embouchure de ce passage est fermée par une soudure 78. Une barre 32 à modérateur semblable, conque pour être disposée dans un espace de barre de combustible, est représentée à la figure 3. Elle est sensiblement iden- tique à la barre 30 de la figure 2, sauf en ce qui con- cerne ses bouchons terminaux supérieur et inférieur 80, 82. Les parties de la barre 32 identiques à celles de la barre 30 portent lesmêmes références et ne seront pas décrites de nouveau. La barre 32 a le même diamètre extérieur qu'une barre de combustible 18. Son bouchon terminal inférieur 82 qui forme le puits pour hydrures 48 est en forme de grand cône, tandis que son bouchon terminal supérieur 80 est conçu en vue du montage d'un outil de manipulation (non représenté). Un passage de remplissage 84 à utiliser pour la mise sous pression préalable de la barre 32 avec de l'hélium puis à fermer pour une soudure 86 est formé dans le bouchon terminal supérieur 80. il REVENDICATIONS: 1. Barre remplie de modérateur, destinée à un assemblage combustible de réacteur, comprenant: (a) un élément tubulaire creux allongé (36) dans lequel est définie une chambre (42) obturée herméti- quement; (b) un modérateur sans bore (44) sous une forme liquide, contenu dans la chambre hermétique; (c) un moyen (48) formant un puits pour hydrures, disposé à une extrémité de l'élément tubulaire et en communication avec la chambre hermétique; et (d) un moyen (46) formant un absorbeur d'hydrogène, disposé à l'autre extrémité de l'élément tubulaire et en communication avec la chambre hermétique. 2. Barre remplie de modérateur selon la revendication 1, caractérisée en ce que le modérateur sans bore (44) est de l'eau légère. 3. Barre remplie de modérateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément tubulaire (36) comporte un corps tubulaire (50) et deux bouchons termi- naux (52, 54) fixés sur les extrémités opposées du corps du tubulaire et les obturant hermétiquement pour définir dans celui-ci la chambre (42). 4. Barre remplie de modérateur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le corps tubulaire (50) est construit avec une paroi mince. 5. Barre remplie de modérateur selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le moyen (48) formant un puits pour hydrures forme le bouchon terminal (54) obturant ladite première extrémité de l'élément tubu- laire. 6. Barre remplie de modérateur selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que le moyen (46) formant un absorbeur est une éponge (64) en matière absorbante disposée entre ladite autre extrémité de l'élément tubulaire et une pièce de retenue (66) supportée dans l'élément tubulaire et supportant l'éponge. 7. Barre remplie de modérateur selon la revendication 6, caractérisée en ce que la pièce de retenue (66) est un disque annulaire traversé par un passage (68) commu- niquant avec la chambre (42), et supporté sur une sail- lie périphérique (70) formée sur la paroi interne de l'élément tubulaire (36). 8. Barre remplie de modérateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément tubulaire (36) a une configuration permettant à la barre d'être introduite dans un tube-guide (14) de l'assemblage combustible. 9. Barre remplie de modérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'élé- ment tubulaire (36) a une configuration permettant à la barre d'être substituée à une barre de combustible de l'assemblage combustible.