Brevet FR2581786A1 — publié le 19861114

Réacteur nucléaire. La présente invention se rapporte à la technique nucléaire et elle concerne en particulier les réacteurs nucléaires prévus pour four- nir de la puissance électrique. Le coeur nucléaire d'un réacteur classique comprend une plura- lité d'assemblages combustibles comportant chacun une pluralité de barres allongées de combustible et, en outre, une pluralité de tubes appelés "tubes-guides" et qui sont essentiellement des tubes utilisés pour guider les barres de commande dans leurs déplacements. Les tubes- guides de barres de commande sont utilisés également pour consolider chaque assemblage combustible sous une forme monobloc et, à cet effet, les tubes-guides sont fixes à l'embout supérieur et à l'embout infé- rieur de l'assemblage combustible. Dans les réacteurs suivant l'art antérieur, tous les assemblages combustibles se ressemblent générale- ment, qu'ils soient utilisés dans une région du coeur ou se trouvent des barres de commande, ou dans une région contenant des barres qui ne sont pas destinées à la commande. Ils sont tous dotés de tubes-guides, même ceux qui sont utilisés dans des régons du coeur o il n'y a pas de barres de commande à guider, et les tubes-guides servent à fixer l'assemblage en un ensemble monobloc. Les assemblages combustibles qui reçoivent des barres de com- mande sont appelés dans la présente description "assemblages commandés" et ils sont utilisables aux emplacements des barres de commande, tandis que les assemblages combustibles qui ne comportent pas de barres de commande sont appelés dans la présente description "assemblages non commandés" et ils sont utilisables aux emplacements des barres qui ne sont pas destinées à la commande. La présente invention résulte du fait qu'on s'est rendu compte que l'on pouvait obtenir des avantages sensi- bles en donnant aux assemblages non commandés une structure différente de celle des asemblages commandés. L'expression "barres de commande" utilisée dans la présente description est généralement comprise par l'homme de l'art comme se rapportant à trois genres de barres: les barres de commande, les barres grises et les barres de déplacement d'eau. Ces trois types de 258 1 786 barres sont montés en grappes sur une araignée. Chaque grappe de barres de commande ou de barres grises est généralement associée à un assemblage combustible, tandis qu'une grappe de barres de déplacement d'eau peut être commune à plusieurs assemblages combustibles voisins. La géométrie des tubes-guides des assemblages combustibles dans les assemblages commandés est fixe et limitée par les faisceaux de barres de commande des grappes associées. Les tubes-guides dans chacun de ces assemblages doivent être positionnés avec précision pour que les barres de commande ne se bloquent pas en entrant et en sortant des tubes-guides. Les assemblages non commandés ne sont pas aussi limités géométriquement et, par conséquent, ils admettent une certaine souples- se en ce qui concerne leur construction et leur conception. Pour en arriver à la présente invention, on s'est rendu compte que, bien qu'il doive exister certaines similitudes entre les assembla- ges commandés et les assemblages non commandés, il peut y avoir des différences prononcées dont on peut tirer profit pour fournir un réac- teur perfectionné. Cependant, les assemblages combustibles non comman- dés doivent être compatibles avec les assemblages commandés, du fait que ces deux types d'assemblages: 1. doivent avoir le même gradient de pression de bas en haut afin de réduire au minimum l'écoulement transversal entre les assembla- ges; 2. doivent avoir les mêmes dimensions d'enveloppe en coupe transversale; 3. doivent être reliés de la même manière aux plaques supé- rieure et inférieure du coeur; 4. doivent être reliés de la même manière à la pince de la machine de rechargement; 5. doivent avoir des grilles de maintien situées sensiblement aux mêmes emplacements le long des assemblages; et 6. doivent satisfaire les mêmes exigences d'ordre sismique et réagir de la même manière à une fuite accidentelle du fluide de refroi- dissement. Les assemblages non commandés ne doivent pas nécessairement être analogues ou compatibles avec les assemblages commandés du moins 8 1786 sous les rapports suivants: 1. le nombre et l'espacement des barres de combustible; 2. la longueur totale ou d'ensemble des barres de combusti- ble; 3. les tubes-guides ne sont pas nécessaires dans les assembla- ges non commandés; 4. les éléments structurels ou tiges d'un assemblage à utili- ser dans une région contenant des barres qui ne sont pas destinées à la commande, ne doivent pas recevoir de barres de commande et, par consé- quent, ils peuvent présenter des parois plus épaisses que les tubes- guides des barres de commande; 5. dans les assemblages non commandés, les éléments structu- rels peuvent être situés en n'importe quel point de la section droite de l'assemblage combustible, plut6t que d'être positionnés comme l'im- poseraient les emplacements des barres de commande; 6. le nombre d'éléments structurels et de barres de combusti- ble dans les assemblages non commandés ne doit pas nécessairement être le même que le nombre de tubes-guides et de barres de combustible dans les assemblages commandés; 7. dans l'embout supérieur d'un assemblage non commandé, aucun espace n'est requis pour recevoir l'araignée d'une grappe de barres de commande, par conséquent on peut réduire la dimension verticale de l'embout supérieur afin de ménager de la place pour des barres de com- bustible plus longues; et 8. l'embout supérieur d'un assemblage non commandé n'exige de prendre aucune disposition pour la fixation des tubesguides des barres de commande à l'embout. La présente invention est le résultat d'une évaluation des limitations et des libertés de construction mentionnées ci-dessus. Cette évaluation a conduit à la création d'un réacteur nucléaire qui utilise des assemblages commandés et des assemblages non commandés différents, et qui offre des avantages sensibles par rapport aux réac- teurs classiques dans lesquels les assemblages combustibles sont les mêmes. La présente invention fournit un réacteur nucléaire dont les 258 1786 assemblages combustibles comportent des éléments structurels qui sont des tubes creux ou gaines dont au moins certains contiennent des absor- beurs consommables de neutrons ou poisons. De manière caractéristique, les absorbeurs de neutrons peuvent être des pastilles de composés de gadolinium ou de verre au borosilicate, qui peuvent contenir un pour- centage élevé de bore 10 ou de carbure de bore dans une matrice d'alu- mine anhydre (voir, par exemple, la description du brevet américain n' 4 566 989, intitulé "Absorbeurs consommables de neutrons"). Chaque élé- ment structurel est scellé afin de protéger les absorbeurs de neutrons contre tout contact avec le fluide de refroidissement et empêcher ce dernier de disperser le poison dans tout le réacteur. Le matériau absorbant les neutrons, par exemple le bore ou le gadolinium, est uti- lisé dans une concentration tellement faible qu'il s'épuise en un temps donné pendant le cycle du combustible. Par exemple, un absorbeur con- sommable de neutrons peut être épuisé au cours de la première année d'un cycle de trois ans. Apres cela, il n'absorbe plus les neutrons. L'absorbeur consommable de neutrons n'est donc efficace que pendant la première partie du cycle lorsque la réactivité du combustible est éle- vée. A la différence des assemblages non commandés, les barres de com- mande utilisent un matériau absorbant les neutrons dans une concentra- tion tellement élevée que la quantité de matériau qui est transformée pendant la durée de vue du réacteur, ne diminue pas sensiblement l'efficacité des barres de commande. Dans la construction d'un assemblage combustible non commandé, on prévoit un squelette comprenant l'embout inférieur, les éléments structurels et les grilles. Les éléments structurels sont dotés de bou- chons à leur extrémité inférieure par laquelle ils sont fixés à l'em- bout inférieur. Au début, on les laisse ouverts à la partie supérieure. Les éléments structurels sont bombés au-dessus et au-dessous de chaque grille. On introduit ensuite les pastilles d'absorbeur de neutrons et les ressorts destinés à maintenir ces pastilles, au moins dans certains des éléments structurels. Apres la mise sous vide, le chauffage et le remplissage avec un gaz inerte, on fixe un bouchon à l'extrémité supé- rieure de chaque élément structurel. On introduit ensuite les barres de combustible dans le squelette et on monte l'embout supérieur que l'on fixe sur les éléments structurels. Les éléments structurels dans les assemblages combustibles non commandés ont une épaisseur de paroi supérieure à celle des tubes- guides qui font office d'éléments structurels dans les assemblages com- bustibles commandés. De manière caractéristique, un tube-guide dans un assemblage combustible commandé a un diamètre extérieur de 1,2 mm, un diamètre intérieur de 1,1 mm et une épaisseur de paroi de 0,05 mm, tan- dis qu'un élément structurel dans un assemblage combustible non comman- dé a un diamètre extérieur de 1,2 mm, un diamètre intérieur de 1,06 mm et une épaisseur de paroi de 0,07 mm. Il y a sensiblement moins d'élé- ments structurels dans un assemblage non commandé que dans un assembla- ge commandé. De manière caractéristique, il y a 24 tubes-guides, un tube pour l'instrumentation et 264 barres de combustible dans un assem- blage commandé ayant au total 17 x 17 = 289 emplacements prévus. Dans un assemblage non commandé qui constitue un exemple de réalisation de la présente invention et qui comporte le même nombre d'emplacements, il n'y a que 8 éléments structurels, un tube pour l'instrumentation et jusqu'à 304 barres de combustible. L'effet d'une telle augmentation du nombre de barres de combustible dans l'assemblage non commandé équivaut à une augmentation de 22 cm de la longueur efficace du combustible pour l'ensemble de l'assemblage combustible. Le coût du cycle du combustible est diminué de 1,2 %. Le KW/m est réduit d'environ 6 % et la marge d'interaction pastilles-gaine est augmentée, ce qui a pour conséquence une meilleure fiabilité. La réduction du KW/m augmente également la marge entre l'écoulement fonctionnel du fluide de refroidissement et la limite théorique à laquelle il y a surchauffe. L'équipement des réacteurs en faisceaux de combustible utili- sant des tiges qui sont des cylindres creux remplis de combustible nucléaire, est bien connu. Les tiges de ce type présentent des ennuis dans la mesure o ils ne grandissent pas uniformément au cours du fonc- tionnement du réacteur et se dégagent des embouts. Les éléments struc- turels suivant la présente invention grandissent plus uniformément, de sorte que l'intégrité structurelle des assemblages combustibles non commandés reste bonne. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: - la figure 1 est une vue partielle d'un réacteur nucléaire, une partie de la cuve étant arrachée pour découvrir l'intérieur du réacteur en coupe longitudinale; - la figure 2 est un schéma représentant la partie supérieure du coeur du réacteur de la figure 1 et montrant la répartition des assemblages combustibles commandés et non commandés; - la figure 3 est une vue de c6té d'un assemblage combustible non commandé, représentant un exemple de réalisation de la présente invention; - la figure 4 est une vue en coupe d'un élément structurel ou tige utilisé dans l'assemblage combustible non commandé de la figure 3; - la figure 5 est une vue de côté du squelette de l'assemblage combustible non commandé, représentant un exemple de réalisation de la présente invention; - la figure 6 est une vue en plan, en partie schématique, du squelette suivant les flèches VI-VI de la figure 5; - la figure 7 est une vue en plan d'un élément structurel de l'assemblage combustible non commandé représentant un exemple de réali- sation de la présente invention; et - la figure 8 est une vue en coupe partielle suivant le plan de coupe VIII-VIII de la figure 7. L'appareil représenté sur les dessins est un réacteur nucléai- re 11 (figure 1) comprenant une cuve de pression en forme de corps généralement cylindrique 13 ayant une base hémisphérique et un couver- cle 15 en forme de d6me. Le corps 13 et la tête 15 comportent des bri- des 17 et 19 qui sont mises en contact et serrées sous pression, au moyen de boulons 21 afin d'assurer l'étanchéité. Le corps 13 est doté de tubulures 23 d'entrée et de tubulures 25 de sortie pour le fluide de refroidissement nucléaire. Dans la partie inférieure du corps 13, se trouve un coeur nucléaire 27 entouré d'une enveloppe 29 comportant une bride 31 qui permet de suspendre l'enveloppe 29 du coeur à un ressaut 33 formé sur la bride 17 du corps 13. 8 1786 Le coeur 27 comprend une pluralité d'assemblages combustibles comportant un embout supérieur 39, un embout inférieur 41 et une pluralité de tubesguides 43 fixés de manière classique aux embouts supérieur et inférieur et réunissant l'assemblage combustible en un ensemble monobloc. Chaque assemblage combustible 35 est également équi- pé de grilles (non représentées) qui maintiennent ensemble les barres 37 de combustible. Les assemblages combustibles 35 sont montés entre des plaques supérieure 45 et inférieure 47 du coeur qui sont supportées par l'enveloppe 29 du coeur. Des barres de commande (non représentées) peuvent se déplacer dans et hors des tubes-guides 43 de chaque assem- blage combustible 35. Les barres de commande associées à chaque assem- blage 35 sont suspendues en grappe à une araignée 49. Les barres de commande peuvent se déplacer dans des guides 51 au-dessus de la plaque supérieure 45 du coeur. L'assemblage de guides 51 est appelé équipe- ments internes supérieurs du réacteur. Les guides sont supportés dans un éliment 53 ayant la forme générale d'une cuvette et comportant une bride 55 par laquelle l'élément 53 est suspendu au-dessus de la bride 31 de l'enveloppe. L'élément 53 est également supporté par des colonnes 57 qui se prolongent entre la plaque supérieure 45 du coeur et l'1lé- ment. Les grappes de barres de commande peuvent chacune être déplacées vers le haut ou vers le bas par des tiges 59 de commande qui sont manoeuvrées par un mécanisme (non représenté) placé au-dessus du cou- vercle 15. Le coeur 27 comprend également des assemblages combustibles 61 (figures 1, 3) représentant un exemple de réalisation de la présente invention, auxquels ne sont pas associées des barres de commande. Chacun de ces assemblages 61 comprend un embout supérieur 63, un embout inférieur 65, des barres 67 de combustible interposées entre ces embouts 63 et 65, et des éléments structurels ou tiges 69 (figure 4) fixes aux embouts supérieur et inférieur. Chaque élément structurel 69 peut être vissé sur une vis partant de l'embout inférieur 65 et être fixé par un écrou 70 sur l'embout supérieur comme le représente la figure 3. Les tiges 69 réunissent l'assemblage 61 en un ensemble mono- bloc. Il y a également un tube central 71 pour l'instrumentation, tube qui est fixe aux embouts supérieur et inférieur. Un tube central de ce 25817.86 type (non représenté) est également compris dans chacun des assemblages combustibles classiques 35. Les barres 67 de combustible et les élé- ments structurels 69 sont maintenus ensemble par des grilles 73 qui sont fixées, pour empêcher tout déplacement longitudinal par la force du fluide de refroidissement, au moyen de bombements 75 (figure 8) for- més sur les éléments structurels près des deux c6tés de chaque grille 73. Le fluide de refroidissement s'écoule à une vitesse élevée, de manière caractéristique égale à 15,25 m/sec, et il est soumis à une pression élevée, de manière caractéristique égale à 140 kg/cm2. Les éléments structurels 69 ont une épaisseur sensiblement plus grande que celle des tubes-guides 43 des assemblages combustibles classiques 35 et il il y a sensiblement moins d'éléments structurels 69 dans chaque assemblage 61 que de tubes-guides dans chaque assemblage 35. Les emplacements restants dans chaque assemblage 61, qui correspon- dent 3 ceux qu'occupent les tubes-guides dans chaque assemblage combus- tible classique 35, sont occupés par des barres de combustible dans l'assemblage fixe 61. Par exemple, il y a de manière caractéristique 24 tubes-guides dans un assemblage 35; dans un assemblage 61, il n'y a que 8 éléments structurels et 16 barres de combustible supplémentaires dans les emplacements restants. L'embout inférieur 65 est généralement analogue à l'embout inférieur de l'assemblage combustible classique 35, excepté qu'il comporte moins de pièces, en particulier des boulons 77 (figure 5), pour fixer les éléments structurels à leur extrémité infé- rieure. L'embout supérieur 63 a une hauteur (ou longueur) plus faible que celle de l'embout vertical 39 d'un assemblage combustible classique car il ne nécessite pas d'espace pour une araignée telle que l'arai- gnée 49 (figure 1) puisque l'assemblage combustible 61 suivant la pré- sente invention n'a pas de barres de commande qui lui seraient asso- ciees. On se reportera à la figure 4. L'élément structurel 69 com- prend un tube 81 de gainage obturé hermétiquement à ses extrémités opposées par des bouchons 83 et 85. Le tube 81 comporte un prolongement 86 (figure 8) a sa partie supérieure pour recevoir le bouchon 83. Ce dernier présente une extrémité filetée 87 prévue pour recevoir un écrou 70 (figure 3). Le bouchon 85 à l'extrémité inférieure du tube a un alé 8 1786 sage axial taraudé 89 dans lequel est vissée une vis 77 (figure 55) partant de l'embout inférieur 65. Des pastilles consommables 91 absor- bant les neutrons sont empilées dans les tubes 81 d'au moins certains des éléments structurels, tandis que d'autres tubes peuvent être lais- sés vides. Au-dessus de l'empilement de pastilles 91, il y a un espace dans lequel un ressort 93 est maintenu partiellement comprimé entre le bouchon supérieur 83 et un élément cylindrique 95 de transmission de la force, placé au sommet de l'empilement de pastilles 91. L'absorbeur consommable de neutrons s'épuise jusqu'à atteindre une faible capacité résiduelle d'absorption des neutrons au cours de la première partie d'un cycle du combustible. Pour fabriquer l'assemblage combustible 61, on forme d'abord un squelette 101 (figures 5, 6) comprenant les tubes 81 des éléments structurels 69, chaque tube étant vide et n'étant obturé que par le bouchon 85 à la partie inférieure, son extrémité supérieure restant ouverte. Les tubes vides 81 sont fixés à l'embout inférieur 65 auquel est également attaché le tube 71 pour l'instrumentation. Les grilles 73 sont ensuite montées sur les tubes à intervalles le long de ceux-ci, chaque tube 81 passant dans une cellule 103 d'un réseau formé dans cha- que grille 73. Chaque cellule 103 a, en coupe transversale, une forme rectangulaire mais elle est garnie intérieurement d'un manchon annulai- re 105 (figures 7, 8) qui se prolonge sur une courte distance au-dessus et au-dessous de la cellule à laquelle il est associé. Chaque tube 81 passe dans les manchons 105 et établit avec ceux-ci un contact de frot- tement dans les cellules respectives axialement alignées 103 des diver- ses grilles. Chaque tube 81 et le manchon 105 dans lequel il passe, sont bombés au moyen d'un outil pour former des bombements 75 au-dessus et au-dessous de la grille respective 73. Lorsque le squelette 101 est assemblé, on introduit des pas- tilles consommables 91 d'absorbeur de neutrons dans au moins certains des tubes 81, après quoi on place un ressort 93 et un bloc 95 de trans- mission de la force. On fait ensuite le vide dans les tubes 81 et on les remplit avec un gaz inerte, puis on applique le bouchon 83 et on le soude à la partie supérieure de chaque tube. Enfin, on introduit les barres 67 de combustible dans les cellules associées 103 des grilles 73 8 1786 et on fixe l'embout supérieur 63 sur les éléments structurels 69. L'assemblage 61 est alors complet et peut être chargé dans le coeur 17 à un emplacement approprié. La figure 2 représente la répartition des assemblages combustibles 35 et 61 dans le coeur 17, les assemblages 35 étant disposés aux emplacements 107 des barres de commande, qui sont repérés par une lettre, tandis que les assemblages 61 représentant un exemple de réalisation de la présente invention sont disposés aux emplacements 109 des barres qui ne sont pas destinées à la commande, ces emplacements ne comportant aucune lettre. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réali- sation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 258 1786 R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS 1. Assemblage combustible nucléaire utilisable dans un coeur de réacteur nucléaire à un emplacement de barres qui ne sont pas desti- nées à la commande, cet assemblage combustible comprenant un embout supérieur, un embout inférieur, une pluralité de barres de combustible se prolongeant entre ces embouts, une pluralité de grilles transversales supportant les barres de combustible en un réseau prédéterminé, et des éléments structurels allongés reliant les embouts supérieur et infé- rieur de manière, à former avec ceux-ci un ensemble monobloc, les grilles étant espacées les unes des autres longitudinalement aux élé- ments structurels allongés et supportées par ces derniers, cet assem- blage combustible nucléaire étant caractérisé en ce qu'il est dépourvu de tubes-guides de barres de commande, et en ce que les éléments struc- turels (69) sont constitués de tiges creuses dont au moins certaines contiennent un matériau consommable (91) absorbant les neutrons. 2. Assemblage combustible nucléaire suivant la revendication -1, caractérisé en ce que chacune des tiges creuses (69) est dotée de bouchons (83, 85) placés de manière étanche aux extrémités opposés de la tige, ces bouchons d'extrémité étant fixés respectivement à l'embout supérieur (63) et à l'embout inférieur (65). 3. Réacteur nucléaire comprenant un coeur comportant une plu- ralité d'assemblages combustibles commandés disposés à des emplacements de barres de commande à l'intérieur du coeur, et au moins un assemblage combustible non commandé disposé à un emplacement de barres qui ne sont pas destinées à la commande, chacun de ces assemblages combustibles commandés et non commandés comprenant un embout supérieur, un embout inférieur, des barres de combustible nucléaire se prolongeant entre les embouts, des grilles transversales espacées les unes des autres longi- tudinalement aux barres de combustible et supportant celles-ci en un réseau prédéterminé, et des éléments structurels allongés qui suppor- tent les grilles et relient les embouts supérieur et inférieur de manière à former avec ceux-ci un ensemble monobloc, les éléments struc- turels des assemblages combustibles commandés respectifs comprenant des tubes-guides pour les barres mobiles de commande, ce réacteur nucléaire 258'1786 étant caractérisé en ce que l'assemblage combustible non commandé (61) est dépourvu de tubes-guides de barres de commande, et en ce que les éléments structurels (69) de cet assemblage combustible non commandé sont constitués de tiges creuses dont au moins certaines contiennent un matériau consommable (91) absorbant les neutrons. 4. Réacteur nucléaire suivant la revendication 3, caractérisé en ce que chacune des tiges creuses (69) est dotée de bouchons (83, 85) placés de manière étanche aux extrémités opposées de la tige, ces bou- chons d'extrémité étant fixés respectivement à l'embout supérieur (63) et à l'embout inférieur (65) de l'assemblage combustible non commandé (61). 5. Réacteur nucléaire suivant l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les tiges (69) ont une épaisseur de paroi supé- rieure à l'épaisseur de paroi des tubes-guides (43) des barres de com- mande des assemblages combustibles commandés respectifs (35). 6. Réacteur nucléaire suivant l'une quelconque des revendica- tions 3, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il y a moins de tiges (69) dans l'assemblage combustible non commandé (61) qu'il n'y a de tubes-guides (43) dans n'importe lequel des assemblages combustibles commandés (35), cet assemblage combustible non commandé comportant beaucoup plus de barres (67) de combustible que n'importe quel assemblage combustible commandé puisqu'il y a moins de tiges que de tubes-guides par assembla- ge combustible.