Brevet FR2584226A1 — publié le 19870102

éacteur nucléaire muni de qrappes de commande à mise en action hydraulique L'invention concerne les réacteurs nucléaires refroidis et modérés à l'eau légère et en particulier les réacteurs nucléaires à eau sous pression. Elle concerne plus particulièrement les réacteurs nucléaires du type comprenant une cuve de résistance à la pression munie d'un couvercle de fermeture, un coeur constitué d'assemblages combustibles verticaux placés côte à côte dans la cuve, des grappes de commande munies de méca- nismes permettant de les déplacer verticalement entre une position basse o elles sont insérées dans le coeur et une position haute o elles sont hors du coeur, et une structure interne fixée à la cuve, placée au-dessus du coeur et comportant des moyens de guidage des grappes. Certaines au moins des grappes de commande sont constituées de crayons contenant un matériau absorbant les neutrons, permettant de piloter le réacteur et/ou d'assurer des fonctions de sécurité. Ces grappes sont généralement commandées chacune par un mécanisme élec- tromécanique contenu dans un fourreau placé au-dessus du couvercle et muni d'un prolongement traversant ce der- nier de façon étanche. On connait également des réac- teurs comportant, en plus des grappes de crayons absor- bants, des grappes de crayons d'autre nature, utilisées par exemple pour modifier le spectre d'énergie des neutrons dans le coeur. Ces dernières grappes peuvent notamment être constituées de crayons contenant un matériau fertile. Un même assemblage peut être muni d'une grappe du premier type et d'une grappe du second type. Les grappes du second type sont généralement prévues pour occuper, lors du fonctionnement du réac- teur, l'une ou l'autre de leurs deux positions extrêmes, On a proposé d'utiliser le même mécanisme pour commander les deux grappes (FR-A-2 537 564). Un inconvénient de cette solution est qu'il y a interférence entre les mouvements des deux grappes. On a également proposé d'affecter une commande hydraulique indépendante au se- cond type de grappes en utilisant comme pression motrice celle qui règne à l'intérieur de la cuve. Mais si l'on utilise un montage coaxial (FR-A-2 537 764), on arrive à un dispositif complexe. Si on utilise un montage côte à côte des deux mécanismes, on n'arrive pas à obtenir une symétrie parfaite et on double le nombre nécessaire de pénétrations à travers le couvercle. Aucune des solu- tions connues n'est donc pleinement satisfaisantes, sur- tout lorsqu'on veut prévoir des grappes sur une fraction élevée des assemblages. Le grand nombre des pénétrations se traduit au surplus par des pertes thermiques impor- tantes. L'invention vise à fournir un réacteur nucléaire du type cidessus défini, utilisant des mécanismes de commande hydraulique pour celles des grappes qui doivent simplement être déplacées d'une de leurs positions ex- trémes à l'autre, en réduisant les pénétrations requises à de simples passages d'une canalisation. Elle vise au surplus à réduire les pertes thermiques, à simplifier les mécanismes et à en faciliter le montage. Dans ce but, l'invention propose notamment un réacteur nucléaire du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que les mécanismes associés aux grappes à déplacer entre deux positions extrêmes comprennent chacun un cylindre ver- tical appartenant à la structure interne du réacteur, délimitant, avec un piston auquel est suspendu un groupe de crayons appartenant à une grappe ou la constituant, une chambre de travail reliée par une conduite traver- sant le couvercle à une vanne de liaison avec un espace à pression inférieure à celle qui règne dans la cuve. Grâce à cette disposition, aucun élément actif du mécanisme hydraulique de commande ne se trouve hors de la cuve. Chaque grappe associée à un assemblage peut être fractionnée en plusieurs groupes, ou sous-grappes, les groupes étant répartis à intervalles angulaires régu- liers autour de l'axe de l'assemblage et munis chacun d'un cylindre qui délimite une chambre de travail qui lui est propre et qui assure le centrage de cartes de guidage des crayons du groupe. Dans le cas d'un assem- blage de forme carrée, on utilisera avantageusement des grappes constituées de quatre groupes. Les chambres de travail des quatre cylindres associés peuvent être re- liées à une même vanne, ce qui provoque une mise en action commune de l'ensemble des groupes, mais réduit à un le nombre des conduites qui doivent traverser le cou- vercle pour chaque assemblage. On peut également prévoir une conduite et une vanne pour chaque cylindre. Chaque cylindre et le piston qu'il contient com- porteront généralement des moyens coopérants de ver- rouillage mécanique du piston, et donc du groupe de crayons qu'il porte, en position haute. Ces moyens de verrouillage seront généralement à accrochage automa- tique en fin de course. Les moyens de verrouillage peuvent être désarmables par une commande distincte, par exemple électromagnétique, ou simplement calibres de façon à céder Fous l'action sous l'action d'une force s'ajoutant au poids du groupe de crayons et exercée par mise er, surpression de la chambre de travail. L invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une mode particulier de réa- lisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La des- cription se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'une fraction d'un réacteur nucléaire suivant un mode de réalisation de l'invention, dont certains assemblages au moins comportent une grappe de commande déplacée par voie électromécanique et une seconde grappe manoeuvrée par voie hydraulique, la disposition relative des deux grappes étant représentée de façon déformée pour plus de clarté. - la Figure 2 montre une disposition réelle pos- sible des deux grappes, en coupe au niveau Il-II sur la Figure 1, - la Figure 3 est une vue en coupe à grande échelle suivant la ligne III-III de la Figure 2. Le réacteur nucléaire dont une fraction est mon- trée en Figure 1 comporte une cuve 10 de résistance à la pression fermée par un couvercle 12 et munie de tubu- lures (non représentées) d'entrée et de sortie d'eau légère constituant modérateur et réfrigérant. Une enve- loppe 14, constituant également support de coeur, est Fixée à la cuve 10. Elle délimite avec la cuve un trajet descendant pour l'eau provenant de la tubulure d'entrée. La cuve porte également une structure support des équi- pements internes supérieurs du réacteur. Cette structure 16 est constituée par deux plaques 18 et 20 assemblées par leur bord et par des éléments d'entretoisement qui seront décrits plus loin. Le coeur du réacteur est surmonté d'une plaque supérieure de coeur 22. Il est constitué par juxta- position d'assemblages combustibles verticaux 24 placés côte a côte. Or supposera par la suite que ces assem- blages présentent une section droite carrée et compor- tent un faisceau de crayons de combustible disposés aux noeuds d'un réseau également carré., certains des noeuds du réseau étant occupés par des tubes-guides ou même simplement démunis de tubes-guides et de crayons combus- tibles. L'assemblage 24 montré en Figure 1 est muni, d'une part, d'une grappe de commande d'un premier type, équipée d'un mécanisme de déplacement progressif élec- tromécanique à cliquets, de type bien connu, d'autre part, d'une grappe d'un second type à commande hydrau- lique. Les deux grappes se déplacent dans un guide cons- titué de deux fourreaux 26 et 28. Le fourreau 26, placé entre les plaques 18 et 20, constitue une entretoise qui les relie et renforce la rigidité de la structure sup- port 16. Le fourreau 28 est suspendu à la plaque 20. Il se termine à proximité immédiate de la plaque supérieure du coeur 22 dans lequel il est centré par des pions non représentés. La barre du premier type sera habituellement constituée de crayons contenant un matériau absorbant les neutrons sans provoquer de nouvelles fissions (crayons fréquemment appelés "noirs" ou "gris", selon leur degré d'absorption), suspendus à un pommeau 30 solidarisable. par des moyens non représentés, à une tige de commande 32 reliée au mécanisme électromécanique 34, située au-dessus du couvercle 12. La tige traverse le couvercle dans un fourreau d'étanchéité 36. La disposition décrite jusqu'ici est entièrement classique et, en conséquence, il n'est pas nécessaire de la décrire en détail. La grappe montrée à titre d'exem- ple en Figures 2 et 3 comporte douze crayons 38 reliés au pommeau 30 par une structure cruciforme ou araignée 40. Les crayons absorbants 38 sont guidés, à l'intérieur du fourreau 26 et de la partie supérieure du fourreau 28, par des goussets 42 répartis le long des fourreaux. Dans la partie basse du fourreau 28. au-dessous d'une cloison 44, les crayons absorbants 38 sont guidés indi- viduellement par des tubes 46 fixés à la cloison 44. Au- dessous de la cloison 44, le fourreau 28 comporte de larges ouvertures latérales permettant à l'eau qui sort de l'assemblage de s'échapper dans l'espace de collec- tion prévu au-dessus de la plaque supérieure du coeur 22 et fréquemment appelé "volume de sortie". L'eau circule ainsi suivant le trajet indiqué par les flèches f vers la tubulure de sortie (non représentée). On pourra trou- ver une description plus complète de ce montage dans le document FR-A-2 168 564 (page 8, lignes 13 à 16). La grappe du second type est fractionnée en quatre groupes ou sousgrappes identiques, réparties régulièrement autour de l'axe du fourreau 26. Toutes ces sous-grappes et leurs mécanismes de déplacement étant identiques, une seule, 48, sera décrite. Elle comprend un pommeau 50 auquel sont fixés des crayons 52. Ces crayons peuvent notamment contenir un matériau fertile ou un matériau inerte, à faible absorption neutronique, permettant de modifier le spectre d'énergie des neutrons dans le coeur. Ils peuvent également être constitués d'un matériau absorbant différent de celui de la grappe du premier type ou d'un matériau fissile présentant un enrichissement différent de celui contenu dans les crayons des assemblages 24. Les crayons des sous-grappes 48 sont guidés, au- dessous de la cloison 44, par des tubes 53 similaires aux tubes 46. Le mécanisme de déplacement de chaque sous- grappe comporte un cylindre 54. Ce cylindre présente une tête fixée à la plaque 18 et un corps tubulaire s'éten- dant jusqu'à la cloison 44 à laquelle il est fixé. La cloison 44 comporte des ouvertures mettant en commu- nication l'intérieur du corps tubulaire avec le volume du coeur. Dans le cylindre 54 est monté un piston 56 étagé, muni de segments d'étanchéité 58 et qui délimite, avec le cylindre 54, une chambre de travail 60. Le pommeau 50 est suspendu, par une articulation 62, au piston 56. La chambre de travail 60 est reliée à l'exté- rieur de la cuve par une conduite en deux tronçons 64 et 66. Le tronçon 64 est solidaire de la plaque 18 et fait saillie vers le haut à partir de cette dernière. Le tronçon 66 traverse le couvercle 12. Les tronçons 64 et 66 portent les éléments d'un raccord à emmanchement coulissant 68 permettant d'assurer une étanchéité, au moins relative. Dans la pratique, il suffit de prévoir des cannelures étagées pour assurer une étanchéité suf- fisante. Chaque tronçon de conduite 66 est relié à une vanne 70 permettant d'isoler le tronçon ou de le relier à une enceinte 72 à pression inférieure à la pression qui règne dans le réacteur. La tête de cylindre et le piston 56 portent des moyens coopérants de verrouillage de la sous-grappe en position haute. Les moyens montrés en Figures 1 et 3 comportent plusieurs doigts élastiques 74 munis chacun d'un ergot de verrouillage susceptible de venir s'accro- cher sur une douille 76 tournante à deux positions, prévue sur le cylindre. L'engagement de la partie ter- minale de faible diamètre du piston dans un alésage de la tète du cylindre garantit, en fin de course du pis- ton, un centrage permettant au verrouillage de s'effec- tuer dans de bonnes conditions. Un jeu de deux clapets 78 et 80, portés l'un par le piston et l'autre par la tête de cylindre, permettent de mettre en communication la partie basse du cylindre, la chambre de travail 60 et la zone située au-dessus de la plaque 18 lorsque la sous-grappe est en position haute. Les deux clapets sont l'un et l'autre repoussés par des ressorts en position de fermeture. Le clapet 78 est prolongé par un poussoir 82 qui, en fin de course haute du piston, vient en contact avec la partie mobile du clapet 80 et provoque l'ouverture forcée des deux clapets. Les crayons des sous- grappes 48 sont munis de moyens de guidage qui comprennent, en plus des tubes 53 qui assurent un guidage continu à la partie basse du fourreau 28, des moyens de guidage discontinu. Ces moyens de guidage peuvent avoir diverses constitutions. Ils devront en général être télescopiques de façon à ne pas limiter la course du piston 56 vers le bas dans le cylindre. Les moyens de guidage montrés à titre d'exem- ple en Figure 3 comprennent un premier jeu de tiges 84 fixées au pommeau 50 en forme de croisillon et coulis- sant dans une carte 86. Cette carte est elle-même montée coulissante dans le cylindre 54. Elle comporte des pas- sages dans lesquels glissent les crayons des sous- grappes 48. La carte 86 reçoit la fixation du deuxième jeu de tiges-guides 88 qui coulissent dans une carte 90. Les deux jeux, des tiges 84 fixées au pommeau 50 et des tiges 88 fixées à la carte 90, se retrouvent tous deux à la même altitude lorsque le pommeau 50 de la grappe, entraîné vers le bas, a superposé les deux cartes 90 et 86 au-dessus de la cloison 4S du guidage continu. Les deux jeux de tiges 84 et 8a sont alors logés dans certains des tubes du guidage continu qui sont prévus à cet effet. La perméabilité des cartes 85 et 90 vis-à-vis du flux ascensionnel lent est telle que seuls les embouts d'arrêt des tiges assurent leur mon- tée. Le fonctionnement ressortant directerent de la description qui précède, il suffit de l'indiquer briève- ment en ce qui concerne la levée et la descente d'une sous-grappe. Lorsqu'une sous-grappe est en position basse, il suffit de relier la chambre de travail corres- pondante 60 à l'enceinte 72. La différence de pression qui s'établit de part et d'autre du piston 5S provoque la remontée de la sous-grappe. Les ouvertures dans la cloison 44 peuvent être dimensionnées de façon à limiter la vitesse de remontée. Lorsque le piston arrive à pro- ximité de sa position de verrouillage, les clapets 78 et s'ouvrent, ce qui réduit encore la différence de pression. Une fois l'accrochage réalisé, il suffit de refermer la vanne 70. Plusieurs solutions peuvent être mises en oeuvre pour provoquer le décrochage de la sous-grappe et sa descente. En particulier, la vanne 70 peut comporter une troisième voie permettant de relier le troncon de con- duite 66 à une enceinte en surpression par rapport à la cuve 10, de manière à créer une force qui surmonte l'effort de verrouillage élastique des doigts 74. La sous-grappe descend alors sous l'effet de son propre poids. REVENDICATIONS 1. Réacteur comprenant une cuve (10) de résis- tance à la pression munie d'un couvercle (12) de ferme- ture, un coeur constitué d'assemblages combustibles verticaux (24) placés côte à côte dans la cuve, des grappes de commande munies de mécanismes permettant de les déplacer verticalement entre une position basse o elles sont insérées dans le coeur et une position haute o elles sont hors du coeur, et une structure interne (16) fixée à la cuve, placée au-d'essus du coeur et com- portant des moyens de guidage des grappes, caractérisé en ce que les mécanismes associés à des grappes d'un premier type comprennent chacun un cylindre vertical (54) appartenant à la structure interne du réacteur, délimitant, avec un piston (56) auquel est suspendu un groupe de crayons appartenant à une grappe ou la consti- tuant, une chambre de travail (60) reliée, par une con- duite (64,66) traversant le couvercle, à une vanne (70) de liaison avec un espace (72) à pression inférieure à celle qui règne dans la cuve. 2. Réacteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le cylindre et le piston comprennent des moyens coopérants (74, 76) de verrouillage mécanique du piston en position haute. 3. Réacteur selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que le piston et le cylindre portent des clapets (78, 80) munis de moyens élastiques de ferme- ture, placés de façon à s'ouvrir mutuellement en posi- tion haute de la grappe et à mettre en communication la chambre de travail (60) avec l'intérieur de la cuve. 4. Réacteur selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que ladite conduite comprend un tronçon fixé au cylindre et un tronçon traversant le couvercle, raccordés par emman- chement coulissant. 1 1 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la structure interne comporte un caisson porté par la cuve, compor- tant une plaque supérieure et une plaque inférieure reliées par des fourreaux.c=entretoisement (26), chaque fourreau constituant la fraction haute d'un guide de grappes dont la fraction basse est placée entre caisson et plaque supérieure de coeur. 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que chaque groupe de crayons est muni de moyens de guidage comportant des tiges fixées au piston et coulissant dans des cartes (86, 90) de guidage centrées dans le cylindre. 7. Réacteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que chacune des grappes de premier type comprend plusieurs groupes régulièrement répartis autour de l'assemblage corres- pondant et reliés chacun au piston d'un cylindre relié éventuellement, indépendamment des autres, à une vanne de commande (70). 8. Réacteur selon la revendication 7, caracté- risé en ce nue certains au moins des assemblages com- prennent, en plus d'une grappe du premior typo, une grappe d'un second type, constituée par des crayons 2r déplaçables par un mécanisme é!ectromécanique entre les cylindres des groupes. 9. Réacteur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que les crayons desdits groupes contiennent un matériau de variation du spectre d'énergie des neutrons dans le coeur.