Brevet FR2575580A1 — publié le 19860704

Barre de corps gris perfectionnée pour un réacteur nucléaire. La présente invention concerne d'une façon générale des réac- teurs nucléaires et, plus particulièrement, une barre de corps gris perfectionnée, destinée à etre insérée dans un assemblage combustible nucléaire. Dans les conceptions classiques de réacteurs à eau pressurisée, le coeur du réacteur présente un excédent de réactivité au démarrage de manière qu'au fur et à mesure que cette réactivité diminue durant l'existence du coeur, il en subsiste suffisamment pour maintenir en fonctionnement le coeur durant une période de temps prolongée. Toute- fois, du fait que le coeur présente un excédent de réactivité au début de son existence, on doit prendre à ce moment des mesures pour la contrôler convenablement. Dans un réacteur nucléaire typique, le coeur du réacteur est constitué par une multiplicité de longs assemblages combustibles con- tenant chacun une multiplicité de longs éléments ou barres de combus- tible. Un caloporteur ou réfrigérant liquide est pompé vers le haut à travers le coeur pour en extraire la chaleur en vue de la production d'un travail utile. On règle habituellement la-production de chaleur du coeur au moyen de barres mobiles de divers types, telles que des barres de commande, des barres de corps gris, et/ou des barres de déplacement d'eau. Dans les réacteurs à eau pressurisée, chaque assemblage combustible comprend, de façon caractéristique, une mul- tiplicité de tubes-guides ou chaussettes dans lesquels lesdites barres peuvent être déplacées vers l'avant et vers l'arrière. Tous ces trois types différents de barres ont approximativement les mêmes dimensions mais, en raison des matières dont ils sont cons- titués, servent à des fins quelque peu différentes. Les barres de déplacement, soit creuses, soit contenant une matière absorbant peu de neutrons, sont utilisées pour déplacer le liquide caloporteur du réacteur et commander de cette façon la modération du réacteuro Les barres de commande contenant une matière absorbant beaucoup de neutrons, servent à commander la réactivité du coeur, principalemant par absorption des neutrons. Les barres de corps gris sont similaires aux barres de déplacement, mais utilisent une matière absorbant moyennement les neutrons, comme par exemple l'acier inoxydable, qui présente une valeur de réactivité plus élevée. Elles servent à commander la réactivité nucléaire à la fois en absorbant les neutrons, mais cela avec une plus faible section efficace de capture de neutrons que les barres de commande, et en déplaçant le liquide caloporteur. Les barres de corps gris sont aussi appelées barres de commande auxiliaire de réglage fin. Dans la demande de brevet européen n 84 308376.9, on décrit une telle barre de commande auxiliaire com- prenant des tubes supérieur et inférieur en acier inoxydable et fermés à leurs extrémités intérieures par un bouchon intermédiaire et à leurs extrémités extérieures par des bouchons d'extrémité. Le tube inférieur contient un empilement de pastilles pleines, en oxyde de zirconium, disposées les unes au-dessus des autres entre le bouchon intermédiaire et le bouchon d'extrémité du tube inférieur, cet empilement de pastilles assurant un support radial au tube inférieur. Le tube supérieur est mis en communication avec l'extérieur, de manière que le fluide caloporteur puisse pénétrer à l'intérieur du tube pour égaliser la pression exercée sur les parois de ce tube. Ce type de barre de commande auxiliaire fonctionne raisonna- blement bien et remplit son rôle dans la plage de conditions de fonctionnement pour lesquelles elle a été conçue. Toutefois, on a constaté que les pastilles d'oxyde de zirconium pleines atteignent des températures internes élevées comprises entre 300 et 6000 C, entraînant une dilatation radiale provoquant dans la gaine l'appa- rition de contraintes préjudiciables. L'invention a pour objectif principal de fournir une barre de corps gris perfectionnée remédiant à cet inconvénient. L'invention réside par conséquent dans une barre de corps gris destinée à être insérée dans un assemblage combustible nucléaire comprenant un ensemble organisé ou arrangement de barres de combus- tible, ladite barre de corps gris comprenant un long élément tu- bulaire fermé de façon étanche à ses extrémités opposées et formé d'une matière présentant une faible section efficace de capture de neutrons, et des pastilles en une matière non combustible empilées bout à bout dans l'élément tubulaire, ladite barre de corps gris, lorsqu'elle est insérée dans l'assemblage combustible, ayant une première section longitudinale de l'élément tubulaire positionnée à l'intérieur de l'arrangement de barres de combustible, et une seconde section longitudinale de l'élément tubulaire positionnée essentiel- lement à l'extérieur de l'arrangement de barres de combustible, ca- ractérisée par le fait que l'empilement de pastilles est retenu dans un espace récepteur de pastilles défini dans ladite première section longitudinale et que chacune des pastilles a une forme annulaire de manière à délimiter un espace vide traversant et a un diamètre extérieur suffisant pour assurer un support radial à la partie de paroi adjacente de ladite première section longitudinale, la seconde section longitudinale de l'élément tubulaire définissant un espace libre dans lequel ne se trouve aucune pastille et auquel est associé un moyen destiné à augmenter la résistance radiale à l'écrasement de ladite seconde section longitudinale vis-à-vis de la pression ex- terne. En utilisant des pastilles annulaires au lieu de pastilles pleines, on réduit à un minimum le risque d'apparition de contraintes préjudiciables dans la gaine dans la mesure o la température interne des pastilles annulaires tend à être beaucoup plus faible, ce ré- sultat étant encore renforcé par la présence dans chaque pastille annulaire du vide interne qui absorbe le peu de dilatation thermique susceptible de se produire. En outre, les pastilles annulaires qui pèsent moins que les pastilles pleines, réduisent la masse de la barre de corps gris, ce qui s'avère avantageux pour la manoeuvre des barres de corps gris pendant leur utilisation. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise un ressort hélicoïdal pour retenir l'empilement de pastilles annu- laires à l'intérieur de l'espace récepteur de pastilles de la première section longitudinale de l'élément tubulaire, ce ressort hélicoïdal étant maintenu sous compression dans l'espace libre de la seconde section longitudinale et s'étendant dans le sens longitudinal sensiblement sur la totalité de la longueur de cet espace libre. De plus, le ressort hélicoïdal a un diamètre extérieur suffisant pour supporter radialement la paroi de la seconde section longitudinale pour qu'elle ne s'aplatisse pas sous l'effet de la pression exté- rieure. Ainsi, le ressort hélicoïdal sert à une double fin en ce sens qu'il retient l'empilement de pastilles dans l'espace récepteur de pastilles et que, de plus, il augmente la résistance radiale à l'écrasement de la seconde section longitudinale. Du fait que le ressort hélicoidal, maintenant en place convenablement l'empilement de pastilles et sauvegardant l'intégrité de ce dernier, remplit cette fonction de façon élastique en permettant ainsi une certaine dila- tation axiale des pastilles sans induire de contraintes, les pas- tilles annulaires sont formées de préférence de Zircaloy (marque déposée), qui est un alliage de zirconium bien connu ne s'effritant pas. Dans le mode de réalisation préféré, l'élément tubulaire com- prenant lesdites première et seconde sections longitudinales est un élément unitaire formé d'une seule pièce; ceci améliore l'alignement de la barre et sa rectitude. On va maintenant décrire à titre d'exemple, le mode de réali- sation préféré de l'invention ainsi qu'une de ses variantes, en se référant aux dessins annexes, sur lesquels: la figure 1 est une vue partielle d'un corps de réacteur re- présentant, en élévation, un assemblage combustible, une plaque su- périeure de support de coeur s'étendant transversalement à la partie supérieure de l'assemblage combustible, et un ensemble formant araignée qui supporte des barres de corps gris, la plaque de coeur étant représentée en coupe et partiellement arrachée, et l'assemblage combustible étant illustré sous une forme raccourcie verticalement et partiellement arrachée pour laisser voir une barre de corps gris selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan de dessus agrandie de l'ensemble formant araignée; la figure 3 est une vue en coupe par III-III de la figure 2 de l'ensemble formant araignée; la figure 4 est une vue à grande échelle, verticalement rac- courcie et partiellement en coupe, de la barre de corps gris re- présentant le mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 5 est une vue en coupe à grande échelle par V-V de la figure 4; et la figure 6 est une vue à grande échelle et raccourcie verti- calement d'une barre de corps gris représentant une variante de réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre, les mêmes références dési- gnent des pièces ou parties analogues ou équivalentes sur toutes les figures et les expressions telles que "vers l'avant", "vers l'arrière", "gauche", "droit", "vers le haut", "vers le bas", et autres expres- sions analogues sont utilisées à titre purement illustratif et non limitatif. En se référant maintenant aux figures et plus particulièrement à la figure 1, on voit que l'on y a représenté une combinaison générale d'un assemblage combustible référencé 10 dans son ensemble, une plaque supérieure 12 de support de coeur disposée au-dessus et en travers de la partie supérieure de l'assemblage combustible 10, et un ensemble formant araignée 14 disposé au-dessus de la plaque supi- rieure 12 de support de coeur. L'assemblage combustible 10, qui est représenté sous une forme raccourcie dans le sens vertical, comprend fondamentalement une structure d'extrémité inférieure ou embout inférieur 16, adapté pour supporter l'assemblage sur une plaque inférieure de coeur (non représentée) dans la région de coeur-d'un réacteur nucléaire (non représentée), une multiplicité de tubes- guides ou chaussettes 18 qui s'étendent longitudinalement vers le haut depuis l'embout inférieur 16, une multiplicité degrilles transversales 20 espacées axialement le long des tubes-guides 18, un ensemble organisé ou arrangement de longues barres 22 de combustible espacées transversalement et supportées par les grilles 20, un tube d'instrumentation 24 disposé au centre de l'assemblage combustible, et une structure d'extrémité supérieure ou embout supérieur 26 fixé aux extrémités supérieures des tubes-guides 18. L'assemblage con- bustible 10 forme un ensemble unitaire capable d'8tre manipulé de façon classique sans endommagement des parties de l'assemblage. Comme on l'a mentionné ci-dessus, les barres 22 de combustible sont maintenues espacées les unes des autres par les grilles 20 qui sont espacées le long de l'assemblage combustible. Chaque barre 22 de combustible contient des pastilles de combustible nucléaire (non représentées) et est fermée à ses extrémités opposées au moyen de bouchons d'extrémité (non représentés). Les pastilles de combustible formées d'une matière fissile sont la source de l'énergie de réaction engendrée dans le réacteur. Un modérateur/caloporteur liquide, tel que de l'eau, ou de l'eau- contenant du bore, est pompé vers le haut à travers les assemblages combustibles du coeur pour en extraire la chaleur en vue de la production d'un travail utile. La plaque supérieure 12 de support de coeur s'étend trans- versalement à la partie supérieure de tous les assemblages de combustible se trouvant dans le coeur et elle comporte des passages d'écoulement de caloporteur, comme par exemple le passage 28, formés à travers cette plaque. Au moins certains de ces passages 28 sont alignés axialement avec les tubes-guides 18 pour permettre le déplacement vers le bas de barres de corps gris, telles que les barres de corps gris 30, ainsi que d'autres barres de commande (non - représentées), à travers les passages 28 de la plaque 12 de coeur, et cela jusque dans les tubes-guides respectifs 18. Comme on peut mieux le voir sur les figures 2 et 3, l'ensemble formant araignée 14 comporte un moyeu central 32, une multiplicité d'ailettes 34 s'étendant radialement depuis le moyeu et une pluralité de doigts 36 disposés sur les ailettes 34 et reliés aux extrémités supérieures des barres 30 de corps gris. De préférence, le moyeu central 32 se présente sous la forme d'un long tube comportant sur son extrémité supérieure un segment 40 fileté intérieurement en vue d'un raccordement au mécanisme d'entraînement (non représenté) utilisé pour soulever et abaisser l'araignée 14, comme il est bien connu dans la technique. Le moyeu tubulaire 32 loge un mécanisme d'absorption de charge qui comprend un ressort hélicoïdal 42 maintenu comprimé et un mamelon 44 adapté pour etre logé dans une cavité peu profonde (non représenté) formée dans la surface supérieure de la plaque 12 de support de coeur de manière à contribuer au centrage approprié des barres 30 de corps gris dans les passages 28 de cette plaque ainsi que dans les tubes-guides 18. Comme il est bien connu, le but principal du mécanisme d'absoption de charge est d'empêcher l'application d'un choc à la plaque 12 de support de coeur et à l'assemblage combustible 10 lorsque l'araignée 14 vient heurter la plaque 12 quand les barres 30 de corps gris sont insérées à fond dans les tubes-guides 18. En se référant maintenant aux figures 4 et 5, on voit que la barre 30 de corps gris selon la présente invention comprend un élé- ment tubulaire 46, un empilement de pastilles de support annulaires 48 disposées dans l'élément tubulaire, un ressort hélicoïdal 50 ayant une longueur suffisante pour maintenir l'empilement de pastilles 48 dans l'espace 52 récepteur de pastilles situé à l'intérieur d'une section longitudinale inférieure de l'élément tubulaire 46, le ressort hélicoldal 50 étant disposé, dans un état de compression partielle, à l'intérieur d'un espace creux 54 qui se trouve dans une section longitudinale supérieure de l'élément tubulaire et dans lequel ne se trouve aucune pastille, l'élément hélicoïdal présentant en outre un diamètre extérieur suffisant pour assurer un support radial à la paroi de cette section longitudinale supérieure. On remarquera que le ressort hélicoïdal 50 s'étend dans le sens axial sensiblement sur la totalité de la longueur de l'espace creux 54. De façon plus spécifique, l'élément tubulaire 46 est un tube cylindrique 56 dont les extrémités opposées sont fermées au moyen de bouchons d'extrémité 58 et 60, respectivement. Avec le bouchon d'extrémité supérieure 58 fait partie intégrante une tige 62 qui s'étend vers le haut et qui comporte une partie terminale 64 filetée extérieurement en vue de son raccordement avec une partie terminale inférieure 66 filetée intérieurement d'un des doigts 36 d'araignée. Le bouchon d'extrémité inférieur 60 est conique, Le tube 56 se présente sous la forme d'une gaine à paroi mince qui est en acier inoxydable comme le sont les bouchons d'extrémité 58 et 60. La gaine, du fait qu'elle est formée d'acier inoxydable, présente une faible section efficace de capture de neutrons et, du fait que sa paroi est mince, réduit à un minimum le poids et, par conséquent, le moment d'inertie de la barre 30 de corps gris. Chacune des pastilles 48 de l'empilement a une forme annulaire creuse qui lui permet de s'ajuster concentriquement à l'intérieur du tube 56 et assure un espace central vide 68 traversant la pastille 48. L'utilisation de pastilles creuses 48 réduit à un minimum la masse de la barre 30 de corps gris tout en maintenant suffisamment élevé la résistance à l'écrasement du tube 56. En raison de la masse plus faible de la barre 30, la température interne de la barre reste à un niveau acceptable, ce qui réduit les contraintes exercées sur la gaine. En outre, l'espace vide intérieur 68 de chaque pastille 48 contribue à maintenir la température interne de la pastille elle-meme à un niveau plus bas, ce qui réduit encore la dilatation radiale et, par conséquent, la contrainte exercée sur la gaine. De préférence, chaque pastille est formée de Zircaloy, matière qui n'absorbe pas les neutrons dans une mesure appréciable et qui ne s'effrite pas pendant le déplacement graduel de la barre 30 de corps gris vers l'avant et vers l'arrière dans l'assemblage combustible 10. Comme indiqué ci-dessus, le ressort hélicoïdal, ou ressort de compression 50, remplit une double fonction. En premier lieu, sa longueur est suffisante pour qu'il soit maintenu dans un état de compression entre l'empilement de pastilles 48 et le bouchon d'ex- trémité supérieur 58, en poussant ainsi constamment la pile de pastilles contre le bouchon d'extrémité inférieur 60 tout en permettant une petite augmentation, d'origine thermique, de la longueur des pastilles individuelles. Ainsi, le ressort hélicotdal 50 maintient à coup sûr la pile de pastilles 48 dans l'espace 52 récepteur de pastilles de la section de tube inférieure qui est la section se trouvant à l'intérieur de l'arrangement de barres de combustible quand la barre de corps gris est insérée dans l'assem- - blage combustible 10, la section de tube supérieure qui délimite l'espace libre 54 se trouvant essentiellement à l'extérieur de l'arrangement de barres de combustible et à l'intérieur du passage associé 28 de la plaque supérieure 12 de support de coeur quand la barre de corps gris est en position insérée. La seconde fonction remplie par le ressort hélicoidal 50 est d'assurer un support interne au tube 56 à paroi mince sur la totalité de la longueur de l'espace libre sans addition de poids autre que celui du ressort léger. La figure 6 montre une variante de réalisation d'une barre 30' de corps gris qui est similaire à la barre 30 de corps gris du mode de réalisation préféré par le fait qu'elle comprend un élément tubulaire 46' contenant un empilement de pastilles annulaires creuses 48'. Toutefois, contrairement à la barre 30 de corps gris, le long tube 56' de cette barre 30' de corps gris est composé de sections de tube supérieure et inférieure 70,72 qui sont séparées l'une de l'autre et qui sont reliées l'une à l'autre au moyen d'un bouchon plein ou massif 74 interposé entre ces sections de tube 70 et 72 dont les extrémités adjacentes sont assemblées à ce bouchon 74. La section de tube inférieure 70 délimite un espace 52' récepteur de pastilles qui contient l'empilement de pastilles 48' et la section de tube supérieure 72 délimite un espace 54' dans lequel ne se trouve aucune structure interne. La section de tube supérieure 72 comporte des ouvertures 76 formées à travers sa paroi pour permettre au calo- porteur du réacteur de parvenir dans l'espace libre 54' afin d'égaliser la pression régnant dans cet espace et la pression externe régnant à l'extérieur de la barre de corps gris. Les deux sections de tube 70 et 72 sont des gaines à paroi mince et, conjointement avec le bouchon plat ou massif 74, sont formées d'acier inoxydable. Les pastilles 48' sont formées d'une matière non combustible présentant un coefficient de dilatation thermique négligeable et peuvent être formées d'oxyde de zirconium; plus spécialement, du fait que les pastilles sont annulaires et que des espaces vides 68 y sont formés, elles n'augmentent pas notablement de longueur et, par conséquent, elles peuvent être maintenues fermement empilées entre le bouchon plein ou massif 74 et le bouchon d'extrémité 60. REVENDICATIONS 1. Barre de corps gris destinée à être insérée dans un assem- blage combustible nucléaire comprenant un ensemble organisé ou arrangement de barres de combustible, ladite barre de corps gris comprenant un long élément tubulaire fermé de façon étanche à ses extrémités opposées et formé d'une matière présentant une faible section efficace de capture de neutrons, et des pastilles formées d'une matière non combustible et empilées bout à bout à l'intérieur de l'élément tubulaire, ladite barre de corps gris lorsqu'elle est insérée dans l'assemblage combustible, ayant une première section longitudinale de l'élément tubulaire disposée à l'intérieur dudit arrangement de barres de combustible et une seconde section longi- tudinale de l'élément tubulaire disposée essentiellement à l'ex- térieur de l'arrangement de barres de combustible, caractérisée par le fait que l'empilement de pastilles (48 ou 48') est retenu à l'intérieur de l'espace (52 ou 52') récepteur de pastilles, défini dans ladite première section longitudinale, et que chacune des pastilles a une forme annulaire, de manière à défiuir un espace vide traversant (68), et a un diamètre extérieur suffisant pour assurer un support radial à la partie de paroi adjacente de ladite première section longitudinale, la seconde section longitudinale de l'élément tubulaire (46 ou 46') délimitant un espace libre (54 ou 54') qui ne contient pas de pastille et auquel est associé un moyen (50 ou 76) destiné à augmenter la résistance radiale à l'écrasement de la seconde section longitudinale vis-à-vis de la pression externe. 2. Barre de corps gris selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit long élément tubulaire (46 ou 46') est une gaine à paroi mince (56 ou 56'). 3. Barre de corps gris selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite gaine (56 ou 56') est formée d'acier ino- xydable. - 4. Barre de corps gris selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que ledit moyen servant à augmenter la résistauce radiale à l'écrasement de la seconde section longitudinale est un ressort hélicoïdal (50) disposé et maintenu sous compression partielle à l'intérieur dudit espace libre (54) pour retenir de façon élastique l'empilement de pastilles (48) dans l'espace (52) récepteur de pastilles, le ressort hélicoïdal (50) s'étendant dans le sens longitudinal sensiblement sur la totalité de la longueur de l'espace libre (54) et ayant un diamètre extérieur suffisant pour supporter dans le sens radial la paroi de ladite seconde section longitudinale. 5. Barre de corps gris selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée par le fait que lesdites pastilles (48) sont formées de Zircaloy. 6. Barre de corps gris selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que lesdites première et seconde sections longitudinales sont des sections de tube séparées (70 et 72) assemblées I'une à l'autre au moyen d'un bouchon massif (74) disposé entre ces deux sections, ledit empilement de pastilles annulaires (48') étant retenu dans ledit espace (52') récepteur de pastilles par le bouchon plat (74). 7. Barre de corps gris selon la revendication 6, caractérisée par le fait que les pastilles annulaires (48') sont formées d'oxyde de zirconium. 8. Barre de corps gris selon la revendication 6 ou 7, caracté- risée par le fait que lesdits moyens servant à augmenter la résis- tance radiale à l'écrasement de ladite seconde section longitudinale comprennent au moins un trou (76) formé à travers une partie de paroi de la seconde section longiudinale de manière à permettre une égalisation de pression entre l'espace libre (54') et l'extérieur de la barre (30') de corps gris.