Brevet FR2627318A1 — publié le 19890818

Mécanisme de commande pour barre absorbante de réacteur nucléaire. La présente invention concerne les mécanismes de commande de barre absorbante pour réacteur nucléaire refroidi par un liquide, comprenant une tige portant la barre et déplaçable verticalement dans les équipements internes tixes du réacteur et un dispositif d'amortissement de chute de la tige, à cylindre hydraulique et piston. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les réacteurs refroidis et modérés par de l'eau sous pression. Des mécanismes de commande du type ci-dessus défini sont largement utilisés dans les réacteurs nucléaires. La barre est en général constituée d'un pommeau et de crayons absorbants qui contiennent un poison neutronique. Le déplacement des barres permet de commander la réactivité dans le coeur du réacteur. Pour provoquer un arrêt d'urgence du réacteur, on insère simultanément toutes les barres de commande en libérant leur mécanisme de commande de façon que les barres tombent sous l'action de leur propre poids. Le dispositif d'amortissement vise à limiter le choc lors de la venue en butée du pommeau contre la plaque supérieure de coeur du réacteur ou contre l'embout supérieur de l'assemblage combustible avec lequel la barre est associée. On peut reprocher a la plupart des dispositifs d'amortissement d'avoir une efficacité insuffisante et/ ou d'opposer une perte de charge excessive à l'écoulement du liquide de refroidissement. Le document EP-A159 509 par exemple décrit une barre de commande dont le dispositif d'amortissement se limite à un cylindre ménagé dans le pommeau et dans lequel coulisse un piston repoussé dans une -position de saillie vers le bas par des moyens élastiques contenus dans le cylindre. Le freinage par compression du ressort et laminage du liquide chassé du cylindre à travers le jeu entre piston et cylindre varie pendant la course, ce qui nuit à l'efficacité ; le volume de l'amortisseur doit rester faible, ce qui interdit de lui donner une course importante. La présente invention vise à fournir un mécanisme de commande à dispositif d'amortissement répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il présente une efficacité de freinage accrue à course du piston donnée et garantit le réarmement du dispositif indépendamment des caractéristiques d'un ressort. Dans ce but l'invention propose notamment un mécanisme du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que le cylindre est fixé aux internes supérieurs, comporte une partie supérieure de grand diamètre et une partie inférieure de petit diamètre reliées par une zone convergente et est percé de trous de décharge placés immédiatement au-dessous de ladite zone et en ce que la tige comporte un piston de diamètre correspondant à celui de ladite partie inférieure et délimitant avec la tige et le cylindre une chambre d'amortissement dont l'échappement comprend un trajet annulaire de fuite temporaire entre la partie supérieure de grand diamètre du cylindre et le piston et les trous de décharge jusqu'à ce qu'ils soient recouverts par le piston. Dans un premier mode de réalisation, la tige porte un anneau d'appui d'un ressort tendant à amener le piston, déplaçable axialement par rapport à la tige, dans une position de butée contre un anneau de retenue solidaire de la tige. Le piston est prévu pour venir en butée contre un épaulement du cylindre en fin de course, de façon que le ressort exerce alors un effet d'amortissement mécanique. Dans un autre mode de réalisation, le piston est fixé à la tige et l'amortissement mécanique est assuré par un fourreau coulissant entre la tige et le piston fixé à elle. Le cylindre peut encore comporter un rétrécissement inférieur dont le diamètre est tel que puisse y coulisser un renflement de la tige, au-dessus d'une partie inférieure de diamètre réduit, pour délimiter un jeu radial d'échappement étranglé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la -description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma simplifié montrant les organes concernés par l'invention d'un mécanisme de commande suivant un premier mode de réalisation, la partie droite de la Figure montrant la disposition des pièces avant le début du freinage par le dispositif d'amortissement et la partie gauche leur disposition-en cours d'amortissement - les Figures 2A à 2D sont des schémas montrant les étapes successives de fonctionnement du dispositif d'amortissement montré en Figure I - la Figure 3, similaire à la Figure 1, montre une variante de réalisation. Le mécanisme de commande représenté en partie sur la Figure 1 est destiné à freiner la chute d'une tige 10, à laquelle est accrochée une barre de commande non représentée, dans un réacteur à eau pressurisée. La tige est elle-même déplaçable verticalement par un moteur, généralement électro-magnétique et entourant une gaine faisant saillie au-dessus du couvercle de la cuve du réacteur. Ce dernier peut avoir l'une quelconque des constitutions maintenant courantes. Le dispositif amortisseur comprend un cylindre 12 qui appartient aux équipements internes supérieurs du réacteur, placés au dessus du coeur. Le cylindre 12 représenté est muni d'une bride supérieure 14 qui s'appuie sur la plaque supérieure 16 des internes supérieurs et lui est fixée par des boulons non représentés. Le cylindre est placé à l'intérieur d'une entretoise tubulaire 17 fixée par un écrou 18 sur une plaque intermédiaire 20 des internes et raccordée par brides et boulons à un tube de guidage de grappe 22. Un fourreau 23 entoure encore l'entretoise 16 dans le mode de réalisation illustré. Le cylindre 12 présente un alésage étagé ayant une partie supérieure 24 de grand diamètre, se raccordant par une zone convergente 26 à une partie de faible diamètre 28. La zone convergente 26 centre progressivement un piston 30 du dispositif amortisseur lors de sa descente, comme on le verra plus loin. L'alésage étagé se raccorde par un épaulement 32 et un chambrage à un alésage 34 de diamètre -tel qu'une partie renflée de la tige 10 y coulisse à frottement doux (partie gauche de la Figure 1). La partie inférieure de la tige 10 présente au contraire un diamètre réduit de façon à ménager avec l'alésage 34 un'jeu suffisant pour qu'un débit appréciable de réfrigérant puisse le traverser (partie droite de la Figure 1). Dans la pratique, un jeu radial d'environ 2 mm tout autour de la tige est suffisant. Le piston 30 du mode de réalisation de la figure 1 est tubulaire et il comporte une collerette interne 36 qui coulisse à frottement doux sur la tige 10 et est percée de trous 37 de passage .de liquide permettant d'équilibrer la pression de part et d'autre de cette collerette. Le piston tubulaire coulisse également sur deux anneaux 38 et 40 fixés à la tige, par exemple par des pions 41 ou par maintien de deux demi-anneaux dans une gorge à l'aide d'un collier d'appui 42. L'anneau 40 constitue la surface d'appui d'un ressort 44 qui exerce sur la collerette 36 un effort tendant à amener le piston tubulaire 30 dans une position de butée basse où la collerette 36 est retenue par l'anneau 38. Le cylindre 12, la tige 10, l'anneau 38 et le piston tubulaire 30 délimitent une chambre d'amortissement 46. Les liaisons entre cette chambre et l'extérieur comportent, en plus de trous de décharge,. trois trajets, suffisament larges pour n'imposer qu'une perte de charge faible lorsque la tige est en position haute. (a) le jeu annulaire entre la tige de commande 10 et l'alésage inférieur 34 du cylindre, qui débouche à la partie supérieure du coeur (b) le jeu annulaire entre le piston 30 et la partie supérieure 24 du cylindre 12 (c) le jeu éventuel entre anneau 38 et piston 30, les trous 37 et des passages ménagés entre la face interne du piston 30 et l'anneau 40, constitués par exemple par des rainures de ce dernier. Des trous de décharge 48 sont ménagés à travers la paroi du cylindre 12 à un niveau tel qu'ils commencent à être recouverts par le piston tubulaire 30 lorsque ce dernier, entrainé dans la course descendante de la tige, arrive à l'emplacement où doit commencer le freinage, c'est-à-dire légèrement au-dessous de la position montrée à la partie droite de la Figure 1. La zone convergente 26 est ménagée immédiatement au-dessus de ces trous 48 qi débouchent dans un conduit auxiliaire de retour au-dessus du coeur. Le fonctionnement du dispositif d'amortissement qui vient d'être décrit est le suivant. Lorsque le mécanisme de commande tâche la tige 10, l'insertion de la barre doit intervenir aussi rapidement que possible. La chute n'est donc pas freinée sur la majeure partie du trajet. Le freinage commence lorsque la tige dépasse vers le bas la position montrée à la partie droite de la figure 1 : le piston tubulaire 30, maintenu contre l'anneau 38 par le ressort 44, commence à étrangler l'écoulement de liquide chassé de la chambre 46 par le trajet (b) et les trous de décharge 48 (flèche fO). En effet, le piston 30 réduit le jeu radial d'échappement vers le haut à partir de la chambre 46, du fait qu'il dépasse la zone convergente 26, et recouvre progressivement les trous 48. La pression augmente dans la chambre 46: Elle exerce sur le piston 30 une force qui le soulève de l'anneau de retenue 38. Au début du freinage, lorsque la vitesse de la tige est encore importante, le fluide s'échappe surtout par le trajet (a), c'est-à-dire par le jeu important qui subsiste dans la partie basse de la tige 10 et l'alésage 34 (flèche f1). Une fraction faible s'échappe également par le jeu radial entre la face interne du piston tubulaire 30 et l'anneau 38 (flèche f2 sur la Figure 2A). Au fur et à mesure de ltenfoncement de la tige, l'écoulement suivant la flèche fO diminue jusqu'à devenir négligeable. L'augmentation de pression dans la chambre 46 relève encore le piston 30 par rapport au rebord 38 et diminue la longueur du trajet étranglé (flèches f3 sur la Figure 2B). On se trouve alors dans la situation de decélération maximale, au cours de laquelle le piston tubulaire 30 coopère avec l'anneau 38 et joue un rôle de clapet. Au fur et à mesure de la diminution de la vitesse de chute, la surpression dans la chambre 46 diminue également et le piston tubulaire est progressivement refoulé par le ressort 44 (partie gauche de la Figure 1). La diminution du jeu annulaire entre la tige 10 et l'alésage 34, due à l'arrivée de la partie renflée de la tige dans l'alésage 34, contribue également à l'amortissement final. En fin d'-amortissement, alors que la vitesse de la tige a considérablement diminué, la surpression dans la chambre 46 est faible et le piston tubulaire 30 est ramené en butée par le ressort 44 (Figure 2C). Enfin, un amortissement mécanique par le ressort 44 intervient en fin de course (Figure 2D) lorsque le piston tubulaire 30 vient en appui contre l'épaulement 32 qui sépare l'alésage 34 de la partie de faible diamètre 34 du cylindre 12. Le mode de réalisation montré en Figure 3 (où les organes correspondant à ceux déjà montrés en Figure 1 portent le même numéro de référence) se différencie du premier essentiellement par le montage du piston tubulaire 30, l'adjonction d'un fourreau d'amortissement mécanique distinct du piston et la répartition des trous de décharge 48 en plusieurs rangées. Le cylindre 12 est encore fixé dans les équipements internes supérieurs, cette fois aux plaques 16 et 20. Dans sa partie basse, il présente un rétrécissement 50 délimité par un épaulement 52 dont le rôle est similaire à celui de l'épaulement 32 de la Figure 1. La paroi du cylindre est percée de plusieurs rangées de trous de décharge successifs 48, destinés à modifier, plus progressivement que la rangée unique de trous 48 de la Figure 1, la perte de charge du circuit d'échappement hors de la chambre d'amortissement 46. Les trous 48 débouchent encore dans un espace annulaire en communication avec la sortie du réfrigérant hors du coeur. Le piston 12 du mode de réalisation de la Figure 3 est fixé à la tige 10 au lieu de coulisser sur elle. Divers modes de fixation doivent etre prévus. Dans le cas illustré, il est-constitué par des pions radiaux 54. La surface interne du piston est étagée de façon à délimiter un compartiment interne 56 destiné à recevoir un ressort d'amortissement 58, dont le rôle est similaire à celui du ressort 44 de la Figure 1, et un fourreau coulissant 60. Le ressort tend à amener le fourreau 60 dans une position basse, en butée contre un anneau 62 similaire à l'anneau 38 de la Figure 1. La collerette d'appui du fourreau contre l'anneau 60 est munie de trous d'équilibrage 64 dont le rôle est le même que celui des trous 37 sur la Figure 1. Le fourreau a une longueur telle qu'il soit en saillie vers le bas, à partir de l'anneau 62, lorsqu'il est en position basse. La longueur de saillie fixe l'étendue de la course d'amortissement mécanique. Le fonctionnement du dispositif de la Figure 3 est extrêmement similaire à celui de la Figure 1. Initialement, la chute de la tige 10 n'est pas freinée comme on le voit à la partie droite de la Figure 3, le fluide contenu dans la chambre 46 s'échappe avec une faible perte de charge vers le bas' le long du rétrécissement 50 et par les trous 48 et vers le haut entre le piston 30 et le cylindre 12. Lorsque la tige atteint la position montrée à la partie gauche de la Figure 3, un premier étranglement du trajet d'échappement hors de la chambre 46 se produit, du fait que la partie renflée de la tige pénètre dans l'étranglement 50. De son côté, le piston 30 arrive dans la partie inférieure de petit diamètre 28 de l'alésage du cylindre et lamine l'échappement de fluide vers le haut. Enfin, lorsque la course de la tige se poursuit, il y a obturation progressive des trous 48. Lorsque la tige arrive à proximité de sa fin de course, la face inférieure du fourreau 60 entre en contact avec l'épaulement 52 et provoque une mise en compression progressive du ressort 58 qui absorbe l'énergie cinétique résiduelle. On voit que les dispositifs qui viennent d'etre décrits garantissent le réarmement de l'amortisseur mécanique dès la remontée de la tige de commande en position haute, du fait du poids du piston (Figure 1) ou du fourreau (Figure 3) : celles des pièces mobiles qui sont les plus sollicitées et doivent être périodiquement L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend notamment aux équivalences et aux dispositifs associant des éléments empruntés aux deux modes de réalisation. REVENDICATIONS 1. Mécanisme de commande de barre absorbante pour réacteur nucléaire refroidi par liquide, comprenant une tige (10) portant la barre et déplaçable verticalement dans les équipements internes fixes du réacteur et un dispositif d'amortissement de chute de la tige, à cylindre hydraulique et piston, caractérisé en ce que : le cylindre (12) est fixé aux internes supérieurs, comporte une partie supérieure de grand diamètre et une partie inférieure de petit diamètre reliées par une zone convergente (26) et est percé de trous de décharge (48) placés immédiatement au-dessous de ladite zone et en ce que la tige porte un piston (30) de diamètre correspondant à celui de ladite partie inférieure et délimitant avec la tige et le cylindre une chambre d'amortissement (46) dont l'échappement comprend un trajet annulaire de fuite temporaire entre la partie supérieure de grand diamètre du cylindre et le piston (30) et les trous de décharge jusqu a ce qu'ils soient recouverts par le piston. 2. Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tige porte un anneau (40) d'appui d'un ressort (44) tendant à amener le piston, déplaçable axialement par rapport à la tige, dans une position de butée contre un anneau de retenue (38) solidaire e la tige, le piston étant prévu pour venir en butée contre un épaulement (32) du cylindre en fin de course de façon que le ressort exerce alors un effet d'amortissement mécanique. 3. Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (30) est fixé à la tige (10) et en ce que l'amortissement mécanique est assuré par un fourreau (60) coulissant entre la tige et le piston fixé à elle, qu'un ressort (58) tend à amener dans une position de butée contre un anneau de retenue (38) solidaire de la tige, le fourreau (60) étant prévu pour venir en butée contre un épaulement (32) du cylindre en fin de course de façon que le ressort exerce alors un effet d'amortissement mécanique. 4. Mécanisme selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le cylindre comporte un rétrécissement inférieur (34, 50) dont le diamètre est tel que puisse y coulisser un renflement de la tige, audessus d'une partie inférieure de diamètre réduit pour délimiter un jeu radial d'échappement étranglé. 5. Mécanisme selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les trous de décharge (48) sont répartis en plusieurs rangées réparties le long du cylindre. 6. Mécanisme selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le piston (30) ou le fourreau (60) est prévu pour que son déplacement contre l'action du ressort sous la force exercée par la pression dans la chambre d'amortissement ouvre un trajet de fuite à partir de la chambre d'amortissement (46).