Brevet FR2575581A1 — publié le 19860704

Dispositif de déplacement et d'accrochage d'une grappe De crayons de commande de réacteur nucléaire L'invention concerne les dispositifs de déplacement et d'accrochage d'une grappe de crayons de commande déplaçable verticalement dans le coeur d'un réacteur nucléaire, grappe appartenant à un ensemble de deux grappes déplaçables coaxialement et remplissant des fonctions différentes. -10 L'utilisation d'ensembles de ce type permet de mieux assurer les fonctions de pilotage, de réglage de puissance, de compensation de l'épuisement du combus- tible et d'arrêt d'un réacteur nucléaire. On a en parti- culier proposé des ensembles dans lesquels l'une des grappes est constituée de crayons dits "noirs" présen- tant une très forte absorption neutronique et l'autre grappe est constituée d'éléments "gris". La grappe de crayons "noirs" est insérée dans le coeur du réacteur pour amener et maintenir ce dernier à l'arrêt, en la descendant en position basse. Le dispositif de déplace- ment peut être partiellement commun aux deux grappes (FR-A-2 106 373). On a également proposé d'associer un dispositif distinct à deux grappes (-FRA-2 537 764) constituées l'une de crayons absorbants, l'autre de crayons contenant un matériau fertile. Mais aucune des dispositions antérieures n'autorise une pleine liberté de déplacement de l'une des grappes, alors que l'autre grappe est dans l'une ou l'autre de ses positions ex- trêmes, sauf au prix de mécanismes complexes. L'invention vise à fournir un dispositif de dé- placement vertical d'une première grappe de crayons de commande vers le coeur et hors du coeur d'un réacteur nucléaire, permettant d'amener et de maintenir cette première grappe dans l'une ou l'autre de ses deux posi- tions terminales et de laisser une pleine liberté de réglage.'d'une seconde grappe quelle que soit celle des deux positions terminales qui est occupée par la pre- mière grappe, et ce en ne mettant en oeuvre que des moyens simples. Dans ce but. l'invention propose un dispositif de déplacement et d'accrochage qui comprend un arbre vertical déplaçable suivant son axe par différence de pression de fluide et portant des moyens de support des- tinés à coopérer avec au moins une tête de la grappe à déplacer et des moyens d'accrochage élastique et de retenue de la tête sur les moyens de support. Le dis- positif comprend de plus un mécanisme d'accrochage en position haute, porté par un tube fixe de guidage de grappe et ayant au moins un doigt élastique d'accrochage de la tête et de retenue de la tête contre l'action de la pesanteur et un verrou mobile dans le sens de dépla- cement de la grappe, sollicité élastiquement vers une position o il interdit le dégagement du doigt élastique et coopérant avec un mécanisme de commande d'une autre grappe lorsque ce dernier est actionné dans le sens du relevage de la seconde grappe au-delà de la position la plus haute prise par cette dernière-en-fonctionnement normal. Cette disposition permet d'éviter de soumettre la grappe à déplacer aux accélérations et chocs du mêca- nisme de commande de l'autre grappe, habituellement de type électromagnétique pour permettre un déplacement pas-à-pas. L'invention propose également un dispositif de déplacement et d'accrochage d'une grappe de crayons de commande déplaçable verticalement vers le coeur et à partir du coeur d'un réacteur nucléaire, ledit disposi- tif comprenant un arbre vertical déplaçable suivant son axe par action d'une différence de pression de fluide et portant des moyens de support d'au moins une tête de la grappe et un premier doigt élastique d'accrochage et de retenue de la tête sur les moyens de support, caractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme d'accro- chage en position haute porté par un tube fixe de gui- dage de la grappe et ayant au moins un doigt élastique d'accrochage de la tête et de retenue de la tête contre l'action de la pesanteur et un verrou mobile verticale- ment, sollicité élastiquement vers une position o il- interdit le dégagement du second doigt élastique et co- opérant avec un mécanisme de commande d'une seconde grappe de façon-à être amené dans une position o il li- bère le second doigt élastique lorsque- la seconde grappe dépasse la position la plus haute prise en fonctionne- ment normal. Le mécanisme d'accrochage en position haute sera généralement porté- par un tube de guidage fixe, appar- tenant aux équipements internes du réacteur et placé au-dessus de l'assemblage. Le tube de guidage et un em- bout terminal de l'assemblage seront avantageusement mu- nis l'un et l'autre de glissières de guidage des moyens de support de grappe, sur lesquelles les moyens de sup- port ne sont pas simultanément engagés, de façon à to- lérer des décentrements éventuels. - Le dispositif pourra comporter des moyens de détection de position de grappe comprenant un contre- poids mobile axialement entre une position basse qu'il occupe au repos et une position haute dans laquelle il est refoulé par la tête ou chaque tête de la grappe externe. Un détecteur permet de déceler la venue du contrepoids dans sa position haute. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécu- tion donné à titre d'exemple non limitatif. La descrip- tion se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe, en élé- vation, montrant les composants principaux du dispositif suivant. l'invention, placés dans les structures internes -75581 supérieures d'un réacteur, l'échelle n'étant pas respectée - les Figures 2A et 2B sont-des vues en coupe verticale partielle de la portion du dispositif contenue dans le cadre en traits mixtes indiqué par II sur la Figure 1, montrant le mécanisme d'accrochage de grappe en position haute, dans deux dispositions prises successivement par les constituants au cours d'une opératioh d'accrochage; - les Figures 3 et 4 sont- des vues en coupe suivant les lignes III-III et IV-IV de la Figure 2A; - la Figure 5 est une vue en coupe suivant un plan vertical de la partie du dispositif contenue dans le cadre V en traits mixtes de la Figure 1, les grappes étant en position basse; - les Figures 6 et 7 sont des vues en coupe sui- vant les lignes VI-VI et VII-VII de la Figure 5- - les Figures 8A et 8B sont des vues en coupe suivant un plan vertical montrant les moyens de détec- tion du dispositif, dans les dispositions correspondant respectivement aux Figures 2A et 28; - les Figures 9A et 98 sont des vues en coupe suivant un plan vertical de la portion du dispositif contenu dans le cadre IX en traits mixtes sur la Figure 1, faisant apparaitre les moyens de manoeuvre respecti- vement dans les dispositions correspondant aux Figures 2A et 2B. Le dispositif qui sera maintenant décrit à titre d'exemple appartient au mécanisme de commande d'un en- semble de deux grappes de crayons de réglage déplaçables verticalement pour les engager plus ou moins profondé- ment dans un même assemblage de combustible. Ce méca- nisme comportant deux arbres coaxiaux, on désignera, pour plus de simplicité, celle des grappes qui est com- mandée par le dispositif de déplacement et d'accrochage par le-terme "grappe interne", du fait que son arbre de commande est entouré par l'autre. L'autre grappe sera corrélativement appelée "grappe externe". Mais il doit être entendu que cette terminologie n'est utilisée que pour plus de simplicité. La Figure 1 montre très schématiquement le montage coaxial de deux grappes de commande associées a un mécanisme dont la constitution générale se rapproche de celle décrite dans la demande de brevet FR-A-2 537 764, à laquelle on pourra se reporter. La grappe externe comporte seize crayons 10 portés -par une potence en croix 12 solidaire d'un pommeau 14 prévu pour s'accou- pler à un manchon expansible terminal 16 d'un arbre d'entrainement 18. La grappe est guidée dans ses dépla- cements par un tube guide 20 appartenant aux équipements internes supérieurs du réacteur, équipements portés par la.plaque supérieure de coeur (non représentée).- L'arbre 18 est lui-même guidé par un fourreau 22 fixé au couvercle de la cuve du réacteur qu'il traverse de façon étanche. La grappe externe est actionnée par un dispositif moteur électromagnétique à cliquets dont une seule bobine 24 apparait sur la Figure 8A. Ce dispositif peut être identique à celui du document FR-A-2 537 764 déjà mentionné. En général, les crayons 10 de la grappe externe contiendront un matériau absorbant les neutrons, tel qu'un composé de bore, et la grappe externe sera utili- sée pour piloter le réacteur en enfonçant une longueur plus ou moins importante de la grappe dans l'assemblage. La grappe interne comprend, dans le mode de réa- lisation montré sur les Figures, quarante crayons 26 répartis en quatre groupes décalés de 90* autour de l'axe de la grappe, On désignera par la suite chaque groupe par le terme de sous-groupe ou de grappette. Chaque sous-groupe comporte une tête 28 en forme de plaque disposée dans le sens radial. Le dispositif de déplacement vertical des sous-grappes comporte une potence en croix 30 munie d'un pommeau 32 dans lequel peuvent se verrouiller les doigts élastiques terminaux d'un manchon 34 appartenant à un arbre de déplacement 36 (Figure 5). Quatre glissières 19 commandé par un dispositif de levée utilisant la pres- sion du fluide modérateur et réfrigérant (eau légère dans un réacteur à eau sous pression). Pour cela la par- tie terminale 40 de l'arbre 18 constitue un plongeur pé- nétrant de façon étanche dans une ch-ambre 38 de décom- pression munie d'un conduit de sortie relié à une vanne permettant de régler la pression qui règne dans la chambre. Les crayons 26 contiendront par exemple un maté- riau fertile. Lorsque la grappe de crayons fertiles est utilisée pour modifier le spectre d'énergie des neutrons au cours de la vie du réacteur, la grappe interne sera complètement enfoncée dans le coeur lorsque les assem- blages sont neufs (position montrée en Figure 5). Mais, au cours du fonctionnement du réacteur, on sera amené à extraire des grappes internes et à les accrocher dans la position haute illustrée en Figure 2. La tête 28 de chaque sous-grappe est prévue pour coopérer avec l'une ou l'autre de deux lames élastiques d'accrochage appartenant l'une à la potence en croix 30, l'autre à un bloc d'accrochage des sous-grappes en posi- tion haute. Les quatre lames élastiques 42 (une par sous- grappe) portées par le pommeau 32 sont disposées chacune à l'extrémité d'un bras de la potence 30. Ces lames élastiques 42 sont destinées à éviter l'envol des sous- grappes lorsque l'arbre interne 36 est en position basse. Chaque lame 42 se termine par un bec qui s'engage dans une encoche 4& de la tête 28 de la sous-grappe cor- respondante en s'opposant à l'envol. Quand le pommeau 32 est logé dans l'embout supérieur 46 de l'assemblage correspondant (Figure 5), les lames flexibles 42 sont retenues latéralement par l'embout, ne peuvent fléchir et retiennent les sous-grappes de façon positive. Cet effet de verrouillage disparaissant lorsque le pommeau est hors de l'embout 46, la résistance à la flexion des lames 42 doit être choisie suffisante pour éviter un échappement intempestif et un envol des sous-grappes. L'embout porte, comme le tube guide, des glissières 47 de centrage, telles que le pommeau 32 ne puisse pas se dégager d'un jeu de glissières avant d'avoir accosté l'autre. Le bloc d'accrochage des sous-grappes en posi- tion haute (Figures 2 à 4) comporte, lui aussi, une lame flexible 48 par sous-grappe. Ces quatre lames flexibles sont portées par un plateau 50 monté à l'extrémité du tube guide 20. Dans ce plateau coulisse un verrou annu- laire 52 terminé par un renflement 54. Un ressort 56 tend à repousser ce verrou vers une position basse o il empêche les lames 48 de fléchir vers l'intérieur en li- bérant le trajet d'une dent terminale 58 de la tête 28 (Figure 2B). Le pommeau 14 de la grappe externe présente une saillie 60 destinée à venir en butée contre le ren- flement du verrou 54 et à le soulever (Figure 2A) pour libérer les lames 48, lorsque l'arbre 18 dépasse la po- sition la plus haute qu'il peut prendre en vue du pilo- tage du réacteur, c'est-à-dire lorsque l'arbre présente une sur-course haute. Le fonctionnement complet sera décrit plus loin. On peut cependant noter d'ores et déjà que, lorsque les lames flexibles 48 sont libérées par le verrou 52, les têtes 28 des sous-grappes peuvent s'engager dans les logements respectifs ménagés dans le bloc d'accrochage en courbant les lames 48. Le déplacement vers le haut des sous-grappes sous l'action de l'arbre 36 est limité par butée du pommeau 32 contre le bloc d'accrochage (Figure 2A). Dans cette position de butée, les têtes 28 sont légèrement au-dessus de leur position d'accrochage permanent (montrée en Figure 2B). Le dispositif suivant l'invention comporte un dispositif de détection de la présence des sous-grappes dans le bloc d'accrochage. Ce dispositif comprend une manchette de protection thermique 62 qui, au lieu d'être fixe, est monté dans le fourreau 22 de façon à pouvoir se déplacer entre une position basse (lorsque les sous- grappes sont dans l'assemblage) et une position relevée (Figure 8A). Les moyens de détection fonctionnent par détermination de la venue de la manchette dans sa posi- tion haute. Dans le mode de réalisation montré en Fi- gures 8A et 88, ces moyens comportent un jeu d'aimants permanents 70 qui, dans leur position de repos indiquée en traits mixtes, se trouvent audessous d'un jeu de contacts électriques 72 placés dans des ampoules étan- ches et prévus pour se fermer lors du soulèvement de la manchette 62. La manchette 62 se termine par une tulipe 66 reposant sur un contrepoids 68 prenant appui, par des poussoirs 69, sur les têtes 28 des sous-grappes. Le con- trepoids 68 et la manchette 62 'tendent ainsi à chasser les sous-grappes de leur position d'accrochage haut lors du déverrouillage et garantissent la chute de la grappe interne lorsque l'arbre correspondant est ou vient en position basse et que le bloc d'accrochage est déver- rouillé. L'arbre 36 de manoeuvre de la grappe interne est avantageusement muni de moyens permettant de détecter la présence de cet arbre en fin de course haute. Dans le mode de réalisation montré en Figures 9A et 9B, ces moyens comportent un tronçon ferromagnétique terminal 78 qui, lorsqu'il vient se placer dans une bobine de détec- tion 80, en modifie notablement l'inductance. Ces moyens de détection permettent de confirmer la présence des sous-grappes dans le bloc d'accrochage, décelée égale- ment par soulèvement de la manchette thermique. De même, des bobines de détection 82 (Figures 9A et 9B) peuvent être prévues pour déterminer la position de l'arbre 18 de manoeuvre de la grappe externe, au cours de ses der- niers pas de déplacement en sur-course haute. Le pommeau 32 de la grappe externe est muni d'un amortisseur à fonctions multiples. Cet amortisseur doit protéger l'assemblage combustible contre les chutes ac- cidentelles de la grappe externe comme de la grappe in- terne. Il comporte pour cela un plongeur 90 destiné à venir en butée contre le fond de 1-'embout 46 et deux ressorts concentriques qui tendent àmaintenir une col- lerette du plongeur 90 en appui contre un épaulement interne 88 du pommeau. Ce dernier présente également un épaulement externe 86 qui reçoit l'impact de la potence ou araignée 12 de la grappe externe en cas de chute de cette dernière. La capacité d'amortissement fournie par les ressorts 83 et 84 peut être accrue par amortissement hydraulique, réglé par calibrage de trous 85 d'échappe- ment d'eau hors de la chambre interne du pommeau. On décrira maintenant une séquence possible d'accrochage de la grappe interne en position haute et de libération de la potence 30, permettant de redes- cendre le pommeau 32 et l'arbre correspondant 36 et de laisser une entière liberté de manoeuvre de la grappe externe, constituée de crayons absorbants 10. La grappe externe de crayons absorbants est tout d'abord amenée en fin de sur-course haute. c'est-à-dire dans la position montrée en Figures 2A, 8A et 9A, à l'aide des moyens électromagnétiques de déplacement, comportant la bobine 24. Cette fin de sur-course corres- pond à l'engagement, dans la dernière cannelure de l'ar- bre 18, de cliquets (non représentés) équipant le four- reau fixe 22. Le bloc d'accrochage est à ce moment là déver- rouillé, les lames 48 étant libérées du fait que le verrou 52 est soulevé par la saillie 60 (Figure 2A). Les bobines de détection 82 permettent de vérifier que la grappe externe a atteint la fin de sa sur-course haute. Les sous-grappes de la grappe interne peuvent alors être levées à l'aide de l'arbre 36, actionné par décompression de la chambre 38. La levée est habituelle- ment provoquée en amenant la pression dans la chambre 38 à une valeur inférieure de 15 à 20 bars à celle qui règne dans le réacteur. L'arbre 36 vient alors dans la position montrée en Figures 2A. 8A et 9A. Les tètes 28 des sous-grappes s'engagent à fond dans les logements prévus dans le bloc d'accrocchage, légèrement au-dessus du niveau-d'accrochage définitif (Figure 2A). Dans cette position, les têtes 28 soulèvent les poussoirs 69, le contrepoids 68 et la manchette 62. La présence des sous- grappes dans le bloc d'accrochage peut en conséquence être détectée de deux façons différentes. D'une part, les interrupteurs contenus dans les ampoules 72 sont fermés par les aimants 70. D'autre part, la présence de l'arbre 36 dans sa position extrême haute est détectée par la bobine 80, en face de laquelle vient se placer le tronçon magnétique 78. Pour verrouiller les sous-grappes dans le bloc d'accrochage, on redescend l'arbre 18 d'une hauteur h0 (Figure 9B). La détermination de l'amplitude de la descente est réalisée à la fois par comptage du nombre de pas d'avance des moyens électromagnétiques et par utilisation des bobines 82 de détection. Les pièces doivent être dimensionnées de façon que, après descente d'amplitude h de l'arbre 18, ce dernier soit encore engagé de façon étanche dans la chambre de décompression 38. On peut notamment adopter une haute h0 égale à cinq pas d'avance et une hauteur h1 égale à deux pas. Au cours de cette opération de descente, la dé- pression dans la chambre 38 est maintenue à la valeur o elle a été amenée précédemment. L'arbre 36 auquel est suspendue la grappe interne est donc toujours en position haute. Mais le verrou 54, n'étant plus repoussé vers le haut, vient s'appuyer contre le renflement ter- minal des' lames 48 et applique ces lames contre les dents 58 des sous-grappes. La dépression qui règne dans la chambre de com- pression 38 est alors progressivement diminuée. L'arbre de manoeuvre 36 descend. Les sousgrappes s'immobilisent dès que les têtes 28 sont venues dans la position mon- trée en Figure 2B. Ce début de chute de l'arbre 36 est indiqué par le changement du signal fourni par la bobine 80. Lorsque la-chute de l'arbre 36 et du pommeau 32 se poursuit, les lames 42 d'anti-envol portées par le pommeau sortent des encoches 44, en se déformant pour passer de la position indiquée en tirets à la position indiquée en traits pleins sur la Figure 2B. Puis ces lames glissent le long de la tranche des têtes 28 des sous-grappes et reprennent ensuite leur position de repos (Figure 1). La fin de la chute du pommeau est ralentie par l'amortisseur incorporé dans le pommeau (Figure 5). On peut immédiatement constater que les sous-grappes sont bien restées accrochées par vérifica- tion que tous les interrupteurs dans les ampoules 72 sont encore fermés. On voit que, une fois cet accrochage effectué et le pommeau 32 complètement descendu, la manoeuvre de la grappe externe est complètement libre. Le décrochage des sous-grappes et leur mise.en place dans '1 assemblage combustible sont réalisés par des opérations sensiblement inverses de celles qui viennent d'être décrites. Il suffit de noter que l'on relève l'arbre 36 en réglant la dépression dans la chambre de décompression 38 à une valeur suffisamment faible pour que l'arbre remonte à vitesse modérée. La dépression dans la chambre 38 est ensuite portée à son maximum, avant d'effectuer le déverrouillage par 257558'1 manoeuvre de 1'arbre 18. Le mode de réalisation du dispositif qui vient d'être décrit à titre d'exemple n'est nullement limita- tif. Le dispositif peut comporter des organes supplé- mentaires, notamment pour assurer une plus grande fia- bilité de détection. En particulier, des détecteurs supplémentaires destinés à vérifier la présence des sous-grappes en fin de course basse peuvent être placés dans les embouts d'assemblage. Un amortisseur hydrau- D lique supplémentaire peut être prévu pour limiter les chocs. REVENDICATIONS 1. Dispositif de déplacement et d'accrochage d'une grappe de crayons de commande déplaçable vertica- lement vers le coeur et à partir du coeur d'un réacteur nucléaire, ledit dispositif comprenant un arbre vertical (36) déplaçable suivant son axe par action d'une diffé- rence de pression de fluide et portant des moyens de support d'au moins une tête (28) de la grappe et un premier doigt élastique (42) d'accrochage et de retenue de la tête sur les moyens de support,- caractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme d'accrochage-en position haute porté par un tube fixe (20) de guidage de la grappe et ayant au moins un doigt élastique (48) d'ac- crochage de la tête et de retenue de la tête contre l'action de la pesanteur et un verrou (54) mobile verti- calement, sollicité élastiquement vers une position o il interdit le dégagement du second doigt élastique (48) et coopérant avec un mécanisme de commande d'une seconde grappe de.façon à être amené dans une position o il li- bère le second doigt élastique lorsque la seconde grappe dépasse la position la plus haute prise en fonctionne- ment normal. 2. Dispositif de déplacement et d'accrochage d'une grappe interne de crayons de commande déplaçable verticalement pour l'insérer dans un assemblage de com- bustible de réacteur nucléaire et l'extraire de l'as- semblage qui est muni également d une grappe externe déplaçable coaxialement à la première et remplissant une fonction différente, ledit dispositif comprenant un arbre vertical de manoeuvre portant des moyens de sup- port de la grappe interne et muni de moyens moteurs per- mettant de le déplacer entre une position basse o la grappe interne repose sur l'assemblage et une position haute -o la grappe interne est hors de l'assemblage, caractérisé en ce que ladite grappe interne est consti- tuée de plusieurs sous-grappes ayant chacune une tête (28), en ce que les moyens de support sont prévus pour recevoir individuellement les têtes (28) associées-aux différentes sous-grappes, et en ce que le dispositif comprend un- mécanisme d'accrochage des sous-grappes en position haute comportant un doigt élastique (48) par sous-grappe, destiné à s'accrocher à la tête et à la retenir contre l'action de la pesanteur s'exerçant sur la sous-grappe, et un verrou mobile sollicité élastique- ment vers une position o il interdit le dégagement des doigts élastiques et amené dans une seconde position (o il permet aux lames élastiques de fléchir en libérant les sous-grappes) - par le mécanisme de commande de la grappe externe lorsque ce dernier est actionné au-delà de la position la plus haute prise par cette dernière en fonctionnement normal. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé par un tube de guidage fixe (20) placé au-dessus.de l'assemblage et portant le mécanisme d'accrochage en position haute. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'arbre vertical-(36) de manoeuvre de la grappe interne fait saillie vers le haut dans un fourreau à travers un arbre tubulaire (18) de support de la grappe externe pour délimiter dans ce fourreau une chambre (38) qui est fermée par l'arbre support de la grappe externe lorsque ce dernier est en position haute, des moyens étant prévus pour diminuer la pression qui règne dans la chambre (38) au-dessous de celle qui règne dans l'ensemble de la cuve du réacteur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens de détection de position de grappe in- terne, comprenant un contrepoids (68) mobile axialement entre une position basse qu'il occupe au repos et une position haute dans laquelle il est refoulé par la tête ou chaque tête de la grappe externe et un détecteur de 25.75581 la position axiale du contrepoids. 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le détecteur est placé sur un fourreau de traversée de la cuve du réacteur et coopère avec une manchette de protection thermique (62) coulissante, en appui sur le contrepoids. 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le tube fixe (46) de guidage et l'embout de l'assemblage de com- bustible comportent des glissières de guidage de grappe, les glissières étant disposées de telle façon que la grappe quitte une glissière avant d'accoster l'autre.