Brevet FR2615649A1 — publié le 19881125

La présente invention concerne une machine de manutention d'assemblages combustibles irradiés stockés dans une piscine de décroissance, notamment une piscine de décroissance de centrale nucléaire rapide. Les combustibles irradiés provenant du coeur de ces centrales sont en effet stockés après extraction pendant plusieurs mois ou plusieurs années avant d'être évacués pour retraitement vers un centre spécialisé lointain. Ce stockage est réalisé. dans une piscine dite "piscine de décroissance", située dans l'enceinte de la centrale. I1 a pour objet de laisser refroidir le combustible et d'en diminuer l'activité jusqu'à des valeurs compatibles avec une évacuation ultérieure par voie routière ou ferroviaire. L'élément à stocker, dit "assemblage combustible irradié", se présente sous la forme d'un ensemble tubulaire comportant en partie médiane une certaine quantité de matière fissile. Ces assemblages combustibles sont stockés verticalement dans la piscine, le volume d'eau de celle-ci assurant à la fois le refroidissement et la radio-protection biologique, du fait des réflexions des rayons y sur les couches d'eau superficielles de la piscine. On a jusqu'à présent utilisé deux modes de stockage des assemblages combustibles irradiés, l'un dit "en paniers", illustré schématiquement figures 1 et 2,- et l'autre dit "e râteliers", illustré schématiquement figure 3. Dans le mode de stockage en paniers (figures 1 et 2), les assemblages irradiés 1 sont regroupés par seize pu vingt-cinq dans des paniers 2 posés au fond de la piscine 3. Une machine 4 de manutention des paniers permet de déplacer ces derniers pour les déposer sur un chariot mobile 10 qui permettra de les amener jusqu'à une position 5 ou ils se trouveront au-dessus d'une ouverture 6. Par cette ouverture, une unité de levage d'assemblages 7 pourra prélever individuellement chaque assemblage irradié du panier pour l'installer dans un château d'évacuation 8 (ou inversement), via une cellule d'évacuation 9. Un tel mode de stockage présente l'avantage de ne nécessiter qu'une piscine de faible profondeur- (piscine dite "à simple hauteur d'eau") : la hauteur H nécessaire est en effet de l'ordre de 8,5 m, soit une hauteur de stockage Hs en paniers de 5 m environ, une hauteur de manipulation Hm de 0,5 m (pour soulever le panier et le poser sur le chariot mobile 10t et une hauteur de radioprotection Hr de 3m environ. La faible profondeur de piscine permet d'alléger les ouvrages de génie civil, et simplifie la manipulation des assemblages irradiés par l'unité de levage 7, puisque le cellule d'évacuation 9 est entièrement située au-dessus du niveau de 1 'eau. Par contre, la gestion du stock d'assemblages étant faite panier par panier et non assemblage par assemblage, les manipulations sont longues et complexes, puisque la manipulation d'un assemblage nécessite le déplacement d'un panier complet, et qu'il est en outre nécessaire de réserver des allées de circulation 11 (figure 2) pour pouvoir accéder aux paniers les plus éloignés de l'emplacement d'évacuation 5 et procéder au "jeu de taquin" nécessaire pour dégager les paniers qui ne sont pas directement accessibles ; au surplus, la nécessité de réserver des allées de circulation ne permet pas une occupation complète de la piscine, ce qui conduit nécessairement à surdimensionner celle-ci. Dans le second mode de stockage dit "en râteliers", les assemblages irradiés sont regroupés dans des râteliers 12, contenant par exemple chacun cinquante-six assemblages, posés sur le fond de la piscine, mais qui ne seront jamais déplacés : la machine de manutention 4 extrait en effet directement l'élément individuel de son râtelier, pour le déplacer jusqu'à un sas 13 fermé par un clapet étanche. L'assemblage est alors placé dans un pot de transfert 15 situé dans une cellule de transfert 16, sèche. L'assemblage sera ensuite prélevé par l'unité de levage 7 de la cellule d'évacuation 9 pour sa mise en place dans we château 8, de la même manière que précédemment. Le premier avantage procuré par ce mode de stockage est la plus grande rapidité de transfert des assemblages, puisque ceux-ci sont directement prélevés dans les râteliers pour être déplacés individuellement, et jamais en bloc. En outre, il n'est plus nécessaire de réservez des allées de circulation, ce qui permet une occupation complète de la piscine. Enfin, la machine de manutention 4, n'ayant plus à soulever qu'un assemblage individuel et non un. panier complet, peut être de structure beaucoup plus légère et par suite de fonctionnement plus rapide. Par contre, ce mode de stockage nécessite une plus grande profondeur de piscine, typiquement une profondeur H de 13 m environ (hauteur de stockage Hs de 5 m, hauteur de manutention Hm de 5,4 m et hauteur de radio-protection Hr de 2,6 m), d'où la dénomination usuelle "piscine à double hauteur". Le premier inconvénient de cette profondeur importante est de nécessiter un renforcement important des structures de génie civil, ce qui en grève considérablement le coût. Un second inconvénient tient au fait que, en raison de la hauteur d'eau importante, la cellule d'évacuation 7 se trouve en-dessous du niveau de l'eau, ce qui oblige à prévoir, contrairement à la solution de stockage par paniers, une cellule intermédiaire de transfert 16 avec un sas 13 ; ceci implique une étanchéité complexe pour assurer la pénétration sous eau de l'assemblage irradié dans le pot de transfert 15, ce dernier devant au surplus comporter des moyens de refroidissement et de radioprotection suffisants puisque l'assemblage n'est plus entouré par la couche d'eau environnante. La complexité et le coût de ce système de transfert sont encore accrus par les contraintes de construction parasismiques propres aux centrales nucléaires. L'invention a pour objet de pallier ces différents inconvénients, en proposant une machine de manutention d'assemblages combustibles irradiés stockés en râteliers, qui permette de réduire de façon importante la profondeur de la piscine, de manière à procurer les avantages jusqu'à présent propres au stockage par paniers - à savoir l'allégement des structures de génie civil et la posssibilité de-disposer d'une cellule d'évacuation située au-dessus du niveau de l'eau -, évitant ainsi toutes les difficultés engendrées par la présence d'un sas étanche. A cet effet, la machine de l'invention est d; type comportant - un pont roulant, mobile selon une première direction X longitudinale, - un chariot porté par ce pont roulant, mobile selon une seconde direction Y transversale, de manière à pouvoir positionner ce chariot au-dessus de chaque assemblage combustible individuel stocké dans la piscine, - une perche télescopique portée par le chariot, comportant à son extrémité inférieure un grappin de préhension d'un assemblage combustible individuel, ce grappin étant mobile selon une troisième direction Z verticale, de manière à extraire ou placer l'assemblage combustible dans un emplacement respectif de râtelier. De façon caractéristique de l'invention, le chariot porte une hotte tubulaire en matériau radioprotecteur, formant une paroi latérale continue entourant l'ensemble formé par la perche, le grappin et l'assemblage, et s'étendant vers le haut au moins jusqu'à une hauteur permettant d'assurer, au niveau de la surface du plan d'eau de la piscine et au-dessus de ce niveau, un niveau de rayonnement inférieur au niveau biologique admissible à cet endroit. De préférence, la hotte est une hotte solidaire du chariot, la perche télescopique étant déployée à l'.intérieur de cette hotte. En outre, avantageusement - il est prévu un tube de. guidage de l'assemblage combustible, prolongeant la hotte à sa partie inférieure ; - la partie émergée de la hotte est fermée à son sommet pa un couvercle en matériau radioprotecteur, de manière que la partie émergée de la hotte forme un volume entièrément clos ; - la partie immergée de la hotte comporte des canaux radiaux d'évacuation et de mise en circulation de l'eau entre le volume intérieur de la hotte et l'eau de la piscine. Dans un premier mode de réalisation, préféré, l'amplitude du déplacement de la perche est choisie de manière que, en fin de course haute, l'extrémité supérieure de l'assemblage combustible reste entièrement immergée. En variante, l'amplitude du déplacement de la perche peut être choisie de manière que, en fin de course haute, l'extrémité supérieure de l'assemblage combustible soit partiellement dénoyée, la partie de matière fissile de l'assemblage restant entièrement immergée ; il est alors en outre prévu des moyens de circulation forcée de l'eau entre a piscine et le volume intérieur de la hotte. De préférence, l'épaisseur de la hotte est une épaisseur variable, croissante depuis l'extrémité inférieure jusqu'à un niveau correspondant sensiblement au niveau du plan d'eau de la piscine, puis décroissante depuis ce niveau jusqu'à l'extrémité supérieure. La hotte est avantageusement réalisée en fonte et revêtue d'un gainage en acier inoxydable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1, précitée, est une coupe en élévation montrant la structure d'une piscine et d'une cellule d'évacuation dans un mode de stockage en paniers de type classique, - la figure 2 est une vue en plan de cette même piscine, prise selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3, précitée, est homologue de la figure 3 et illustre un stockage en râteliers de type classique, - la figure 4 est une élévation, en coupe, d'une piscine de stockage en râteliers équipée d'une machine de manutention selon l'invention, - la figure 5 est une élévation, en coupe, montrant en détail la structure de la machine selon l'invention. Sur la figure 4, la référence 100 désigne les râteliers dans lesquels sont rangés les assemblages combustibles irradiés individuels. Ces râteliers sont posés au fond d'une piscine 110 constituée par une enceinte de béton 120 remplie d'eau jusqu'à une hauteur H. La machine de manutention des assemblages combustibles est essentiellement constituée d'un pont roulant 200, mobile selon une première direction longitudinale (direction X), portant un chariot 300 mobile en translation selon une seconde direction transversale (direction Y) ; ce chariot porte lui-même une perche télescopique 400, déployable verticalement (direction Z), et pourvue à son extrémité inférieure d'un grappin de préhension 410 susceptible de venir en prise avec l'extrémité supérieure de l'assemblage combustible, pour assurer l'extraction de celui-ci de son râtelier ou inversement sa mise en place dans ce dernier. Par le jeu des différents déplacements possibles, on voit ainsi que le grappin 410 posséde trois degrés de liberté en translation, pour permettre le positionnement au-dessus de n'importe quel assemblage combustible stocké dans la piscine, et la manipulation de l'assemblage ainsi choisi. De façon caractéristique de l'invention, la perche télescopique 400 est entourée de tous côtés par une hotte tubulaire 500 de radio-protection biologique, décrite en détail plus bas en référence à la figure 5. La manipulation d'un assemblage combustible irradié consiste à positionner le chariot au-dessus de l'emplacement correspondant, à déployer la perche 400 pour venir saisir l'extrémité supérieure de celui-ci, puis à reployer la perche jusqu a ce que l'extrémité inférieure de l'assemblage combustible dépasse le niveau supérieur de râtelier. Le chariot est alors déplacé vers un système de transfert 600, plus précisément jusqu a la verticale d'un pot de transfert ou "pot de reprise" 610 dans lequel l'assemblage combustible irradié est inséré par un nouveau déploiement de la perche télescopique. Le pot de reprise 610 est monté sur un chariot élévateur 620 se déplaçant en translation sur un rail incliné fixe 630. La course du chariot 620 est limitée par deux butées 640, 650 correspondant aux deux positions extrêmes du pot de reprise, et est effectuée au moyen d'un treuil 650. La position extreme inférieure correspond à un emplacement accessible par la perche télescopique 400, tandis que 1o position extrême supérieure correspond, dans une cellule d'évacuation 700, à un emplacement du pot de reprise, au droit d'un tube de liaison 710 avec les installations de manutention des assemm blages venant du coeur du réacteur (déchargement coeur vers piscine) ou d'une unité des levage d'assentlages 720 (déchargement piscine vers château) Cette cellule 700 oomxnique avec un château d'évacuation 730 par l'inter médiaire d'un orifice d'évacuation 740. Uhe fosse de stockage 750 est également prévu pour un stockage temporaire des assemblages irradiés, par exemple pendant le remplacement d'un château plein par un château vide. La hauteur d'eau H de la piscine est de l'ordre de 10 m seulement, soit 5 m environ pour la hauteur de stockage Hs, et 5 m également pour la hauteur de manipulation Hm : en effet, du fait de la présence de la hotte de radioprotection biologique 500, il n'est plus nécessaire de prévoir une hauteur d'eau supplémentaire de radioprotection (2,6 à 3 m), ce qui permet de réduire d'autant la profondeur de la piscine. De la sorte, on combine les avantages du stockage e râteliers (facilité de gestion, rapidité de manipulation, occupation maximale de la surface de la piscine), avec ceux des piscines "à simple hauteur", jusqu'à présent propres aux seuls stockages à paniers. En particulier, on remarque sur le dessin que la cellule d'évacuation 700 est située entièrement au-dessus du niveau de l'eau, ce qui évite tout recours à un système à sas étanche complexe et coûteux : le transfert de l'assemblage depuis la piscine jusqu'à la cellule d'évacuation est ici simplement assuré par l'ensemble élévateur 600 le long du couloir d'eau 130. Ce transfert s'effectuant entièrement sous eau, le pot de reprise 610 ne nécessite aucune radioprotection particulière ou système de refroidissement, ce qui permet de lui conférer une structure très allégée tout en assurant une sécurité maximale (par exemple en cas de blocage de l'ensemble élévateur en-cours de transfert). De plus, la hauteur d'eau de l'ordre de 10 m est généralement compatible avec les ouvrages de génie civil conçus à l'origine pour des piscines de décroissance d'assemblages irradiés stockés en paniers; ce qui permettrait d'adapter ces piscines à un mode-de stockage en râteliers, pour des besoins particuliers, sans construction de nouveaux ouvrages. En variante, il est même possible de diminuer encore la hauteur d'eau dans la piscine, d'environ 1 m, si l'on accepte un dénoyage partiel de l'élément combustible, la partie fissile (située dans la région médiane de l'assemblage combustible) restant bien entendu entièrement immergée. Le gain de hauteur d'eau ainsi obtenu a cependant pour contrepartie la nécessité d'assurer une circulation forcée entre le volume intérieur de la hotte et l'eau de la piscine par des moyens de pompage appropriés, pour permettre un refroidissement suffisant de l'assemblage irradié, tout particulièrement en cas de blocage éventuel du système de manutention. Quelque soit le mode de réalisation mis en oeuvre, le type de stockage et de manipulation selon l'invention assure des gains importants de temps de transfert et de capacité de piscine par rapport à un stockage à paniers, tout en conservant un génie civil inchangé. En ce qui concerne le temps de manipulation, la durée moyenne du transfert d'un assemblage combustible irradié entre son emplacement dans le râtelier et le château d'évacuation est de l'ordre de 18 minutes, au lieu de 45 minutes environ. dans le cas d'un stockage par paniers. Quant à la capacité de stockage de la piscine, celle-ci est pratiquement doublée par rapport à un mode de stockage à paniers, du fait de la suppression complète des allées de circulation dans la piscine et du stockage beaucoup plus compact dans les râteliers que dans les paniers (puisque les râteliers n'ont pas besoin d'être déplacés). On va maintenant décrire en détail, en référence à la figure 5, la machine de manutention selon l'invention. Il est prévu un pont 'roulant 200 formé de deux poutres-caisson 210 solidarisées entre elles par deux sommiers et reposant sur des voies de roulement 220. Un groupe moto-réducteur 230 assure le déplacement de ce pont roulant dans une première direction X. Ce pont roulant 200 supporte un chariot 300 mobile selon une seconde direction Y perpendiculaire à la précédente, au moyen d'un second groupe moto-réducteur 310. Ce chariot porte une perche télescopique 400 déployable verticalement'en direction Z, portant à son extrémité inférieure un grappin de préhension 410 permettant de saisir l'assemblage irradié à la verticale duquel aura été placé le chariot (en position déployée, la perche a été représenté en 400' et le grappin en 410'). De préférence, le grappin est monté sur rotule de manière à pouvoir manipuler des assemblages déformés ou légèrement désaxés et à guider ceux-ci plus facilement dans leurs emplacements de râteliers respectifs. Le déploiement et le reploiement de la perche sont réa'sas par un groupe de levage 420 comportant un tambour de leva e entraîné-par un moto-réducteur et un frein à courant continu, le mouvement étant transmis par une poulie de renvoi 430. De façon caractéristique de l'invention, la perche télescopique 400 est entourée de toutes parts par une hotte tubulaire 500 composée de plusieurs éléments 510, 520, 53C, 540 assemblés entre eux. L'élément principal 510 de la hotte, qui assure l'essentie de la radio-protection biologique, est un élément monobloc e fonte ou en acier coulé, revêtu d'un habillage en tôle d'acier inoxydable pour éviter la contamination de peau ; en variante, cette pièce peut être réalisée en plomb coulé dans une enveloppe en acier inoxydable. Le profil de cette pièce est optimisé pour assurer ' meilleure radioprotection avec la plus faible épaisseur de matière, de manière à limiter le poids total au strict nécessaire et éviter de surdimensionner le pont roulant et le chariot mobile. A cet effet, la pièce 510 comporte, du bas vers le haut, une portion 511 d'épaisseur constante et relativement faible, une portion 512 d'épaisseur croissante au fur et à mesure que l'on se rapproche du niveau de l'eau dans la piscine (plus l'on se rapproche de ce niveau et plus la protection conférée par l'eau est faible et doit donc être compensée par une épaisseur plus importante de la hotte), une portion 513 d'épaisseur décroissante au-dessus de la surface de l'eau (on se place dans l'hypothèse ou l'assemblage combustible reste tQujours entièrement immergé, mme si la perche est totalement reployée : le niveau de rayonnement diminue donc au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la surface de l'eau et donc de l'extrémité de l'assemblage combustible irradié), et enfin une portion 514 de faible épaisseur assurant la liaison du reste de la hotte au chariot 300. En partie basse, le chariot est avantageusement prolongé par un tube de guidage 520 facilitant les manipulations en ne laissant qu'un faible espacement entre le bas de l'ensemble ainsi constitué et le sommet des râteliers au fond de la piscine. En partie supérieure, la hotte forme un volume entièrement clos pour assurer une radioprotection complète, et comporte à cet effet un prolongement cylindrique 530 entourant complètement le sommet de la perche lorsque celle-ci est complètement reployée, avec une porte 531 pour donner éventuellement accès aux différents organes mécaniques. Compte tenu du niveau d'irradiation élevé régnant au-dessus de la tête du canbus- tible quand aelui-ci est en position haute, la perche 400 comporte un systime mécanique 401 permettant de diminuer les jeux avec le corps de hotte 514, et assurant une radprtteion vers le haut. Ceci allège d'autant les éléments constitutifs de la radio-protection supérieure 530, 540. Enfin, un capot de protection 540, en tôle épaisse, assure la fermeture complète du volume irradié, assurant ainsi un protection biologique totale. La partie immergée de la hotte 500 comporte de préférence des orifices 515 permettant la circulation de l'eau par effet de convection naturelle entre le volume intérieur et l'eau de la piscine, assurant de cette - façon un refroidissement satisfaisant de l'élément irradié lorsque celui-ci se trouve à l'intérieur de la hotte, même dans l'hypothèse d'un blocage ou d'une immobilisation du système. En outre, ces orifices 515 assurent que le niveau d'eau l'intérieur de la hotte soit constamment identique à celui du plan d'eau de la piscine. REVENDICATIONS 1. Une machine de manutention d'assemblages combùstlbles irradiés stockés en râteliers dans une piscine de décroissance, notamment une piscine de décroissance de centrale nucléaire rapide, comportant - un pont roulant (200), mobile selon une première direction X longitudinale, - un chariot (300) porté par ce pont roulant, mobile seLon une seconde direction Y transversale, de manière à pouvoir positionner ce chariot au-dessus de chaque assemblage combustible individuel stocké dans la piscine, - une perche télescopique (400) portée par le chariot, comportant à son extrémité inférieure un grappin (410) de préhension d'un assemblage combustible individuel, ce grappin étant mobile selon une troisième direction Z verticale, de manière à extraire ou placer l'assemblage combustible dans un emplacement respectif de râtelier (100), caractériséeen ce que le chariot porte également une hotte tubulaire (500) en matériau radioprotecteur, formant une paros latérale-continue entourant l'ensemble formé par la perche, le grappin et l'assemblage, et s'étendant vers le haut au mons jusqu'à une hauteur permettant d'assurer, au niveau de la- surface du plan d'eau de la piscine et au-dessus de ce niveau, un niveau de rayonnement inférieur au niveau biologique admissible à cet endroit. 2. La machine de la revendication 1, dans laquelle la hotte est une hotte solidaire du chariot, la perche télescopique étant déployée à l'intérieur de cette hotte. 3. La machine de la revendication 2, dans laquelle il est prévu un tube de guidage (520) de l'assemblage combustible, prolongeant la hotte à sa partie inférieure. 4. La machine de la revendication 1, dans laquelle la partie émergée de la hotte est fermée à son sommet par un couvercle (540) en matériau radioprotecteur, de manière que la partie émergée de la hotte forme un volume entièrement clos. 5. La machine de la revendication 1, dans laquelle la partie immergée de la hotte comporte des canaux (515) radiaux d'évacuation et de mise en circulation de l'eau entre le volume intérieur de la hotte et l'eau de la piscine. 6. La machine de la revendication 1, dans laquelle l'amplitude du déplacement de la perche est choisie de manière que, en fin de course haute, l'extrémité supérieure de l'assemblage combustible reste entièrement immergée. 7. La machine de la revendication 1, dans laquelle l'amplitude du déplacement de la perche est choisie de manière que, en fin de course haute, l'extrémité supérieure de l'assemblage combustible soit partiellement dénoyée, la partie de matière fissile de l'assemblage restant entièrement immergée, et en ce qu'il est en outre prévu des moyens de circulation forcée de l'eau entre la piscine et le volume intérieur de la hotte. 8. La machine de la revendication 2, dans laquelle l'épaisseur de la hotte est une épaisseur variable, croissante depuis l'extrémité inférieure jusqu'à un niveau correspondant sensiblement au niveau du plan d'eau de la piscine, puis décroissante depuis ce niveau jusqu'à l'-extrémité supérieure. 9. La machine de la revendication 1, dans laquelle la hotte est réalisée en fonte et revêtue d'un gainage en acier inoxydable.