Brevet FR2644617A1 — publié le 19900921

Système d'arrêt automatique d'un réacteur nucléaire. La présente invention a trait à un système d'ar- rêt automatique d'un réacteur nucléaire dans lequel une barre de commande suspendue à un électro-aimant sensible à la température (TSEM) est automatiquement séparée ou déverrouillée du TSEM et introduite dans le coeur d'un réacteur pour provoquer un arrêt d'urgence du réacteur lorsque la température d'un réfrigérant s'élève exagérément. Dans la présente invention, un matériau magnétique sensi- ble à la température (TSMM) est situé dans la paroi de gaines adjacente à un tube de guidage de barre de commande et constitue une partie d'un circuit magnétique du TSEM. Ainsi, la réponse au phénomène transitoire thermique peut être améliorée et la stabilité de commande du TSEM peut également être attendue. Le système d'arrêt de réacteur de la présente invention peut être utilisé pour des surgénérateurs ra- pides, des réacteurs à eau légère et analogues. Des réacteurs nucléaires de différents types sont munis de barres de commande auxiliaires devant être introduites dans le coeur d'un réacteur lors de l'appari- tion d'un phénomène inhabituel quelconque, en plus de bar- res de commande pour la commande de la puissance, afin d'accroître la fiabilité de l'arrêt du réacteur. Pour un système d'arrêt de réacteur, il a été proposé qu'un TSEM dans lequel un TSMM est introduit en tant que partie de son circuit magnétique est installé à l'intérieur du coeur du réacteur de manière à réaliser la retenue et la sépara- tion de la barre de commande. En ce qui concerne le TSEM, un matériau ferromagnétique possédant un point de Curie approprié est utilisé pour rompre le circuit magnétique en diminuant la densité de flux à saturation lorsque la tem- pérature du TSEM est proche du point de Curie. Durant un fonctionnement normal du réacteur nu- cléaire, la barre de commande est suspendue à la partie supérieure du tube de guidage de barre de commande par le TSEM. Dans le cas o la température du réfrigérant circulant à travers un ensemble de cartouches de combustible s'élève exagérément, le TSMM est transféré d'une substance ferromagnétique à une substance non magnétique. Par conséquent, le circuit magnétique de l'électro-aimant est rompu dans la partie du TSMM est le TSEM perd sa force de retenue. Par conséquent, la barre de commande peut être spontanément déverrouillée du TSEM et introduite dans le coeur du réacteur et le réacteur est arrêté. Il a été étudié dans l'art antérieur qu'une struc- ture pour introduire du réfrigérant chaud depuis l'ensem- ble de cartouches de combustible dans le TSEM tel que, par exemple, un tuyau d'introduction de réfrigérant, est prévu afin d'espérer une réponse rapide du TSEM vis-à-vis d'un phénomène transitoire thermique du réfrigérant. Une telle structure de l'art antérieur telle que décrite ci-dessus, cependant, rend un mécanisme en vue d'introduire le réfrigérant circulant à travers un ensemble de cartouches de combustible adjacent dans le tube de gui- dage de la barre de commande, compliqué, et ne peut pas assurer une fiabilité élevée. De plus, il faut s'attendre à ce qu'un temps de réponse soit plus long lorsque le débit de la totalité du réfrigérant diminue, du fait que le débit du réfrigérant à haute température indtroduit dans le tube de guidage de la barre de commande ne peut pas être augmen- té en comparaison de la masse du TSMM. De plus, dans le cas de la structure dans laquelle le tube de guidage de la barre de commande est utilisé en tant que partie du circuit magnétique, la position relative verticale entre l'électro- aimant et le tube de guidage de la barre de commande doit 2644 6 1 7 être contrôlée avec une précision élevée, et ceci altère la caractéristique intrinsèque du système d'arrêt automa- tique qui fonctionne sans une commande extérieure quelcon- que. Un but de la présente invention est de proposer un système d'arrêt automatique d'un réacteur nucléaire, améliorant la réponse à un phénomène transitoire thermique et réduisant l'influence de la circulation du réfrigérant pour ainsi accroître la fiabilité de la caractéristique de manoeuvre. Un autre but de la présente invention est de proposer un système d'arrêt automatique d'un réacteur nu- cléaire permettant de s'affranchir du contrôle de la posi- tion relative entre l'électro-aimant et le tube de guidage de la barre de commande et empêchant l'apparition d'une manoeuvre erronée ou une absence de manoeuvre. La présente invention propose un perfectionnement dans un système d'arrêt automatique d'un réacteur nucléaire qui comporte une barre de commande, un électro-aimant sen- sible à la température (TSEM) disposé au-dessus de la barre de commande.pour assurer un verrouillage et un déverrouil- lage de la barre de commande, et une partie d'introduction de la barre de commande autour de laquelle un ensemble de gaines recevant chacun une cartouche de combustible sont disposés. Conformément à la présente invention, afin d'at- teindre les buts précités, une partie supérieure d'une pa- roi de tube de chacune des gaines disposées autour de la partie d'introduction de la barre de contrôle est réalisée en un matériau magnétique sensible à la température (TSMM) possédant une caractéristique afin de réduire la densité de flux à saturation à l'instant d'une élévation exagérée de la température d'un réfrigérant circulant à travers l'ensemble de cartouches de combustible. Le TSMM constitue une partie d'un circuit magnétique de l'électro-aimant. Il est également possible d'atteindre les buts ci-dessus décrits en reliant un tube réalisé en TSMM se prolongeant jusqu'à l'extrémité supérieure de la gaine, de sorte que le TSMM du prolongement du tube constitue une partie du circuit magnétique de l'électro-aimant. La partie supérieure de la paroi de tube de la gaine ou du prolongement de tube réalisé en TSMM peut avoir une longueur égale à la course verticale de l'électro-ai- mant. Il est également possible de prévoir le TSMM unique- ment dans une zone dans laquelle l'électro-aimant est placé durant un fonctionnement normal d'un réacteur nucléaire et la partie de la paroi de tube de la gaine au-dessous de cette zone est réalisée en un matériau ferromagnétique à l'intérieur de la course verticale de l'électro-aimant. L'électro-aimant possède un noyau de fer et une armature capable de se verrouiller avec et de se déverrouil- ler du noyau de fer, et une bobine enroulée sur le noyau de fer. Un matériau non magnétique est incorporé dans une partie du noyau de fer -à proximité du TSMM. Dans la présente invention, puisque la partie supérieure de chaque gaine disposée autour de la partie d'introduction de la barre de commande ou de la prolonga- tion de la gaine est réalisée en TSMM, le TSMM peut être chauffé directement par le réfrigérant à haute température s'échappant de la cartouche de combustible. Par conséquent, il est inutile de s'inquiéter de facteurs incertains tels que l'écoulement instable du réfrigérant et analogues, et une élévation exagérée de la température du réfrigérant 26446 17 peut être détectée rapidement. Un fonctionnement du TSEM retenant la barre de commande est fondamentalement le même que dans l'art anté- rieur. Durant un fonctionnement normal du réacteur, le TSMM présente des propriétés ferromagnétiques, et le TSEM peut supporter la barre de commande. Dans le cas d'un ac- cident o la température du réfrigérant s'élève de façon exagérée dans le réacteur, le réfrigérant à haute tempéra- ture s'échappant de la cartouche de combustible élève la température du TSMM et par conséquent, la densité de flux à saturation du matériau diminue. Par conséquent, la force de support du TSEM est perdue. Par conséquent, la barre de commande est relâchée et introduite dans le coeur et ainsi le réacteur est arrêté. Les Figures 1A et lB sont des vues schématiques d'une structure d'un mode de réalisation d'un système au- tomatique d'arrêt d'un réacteur de la présente invention; la Figure 2 est une vue d'une coupe prise selon une droite II-II de la Figure 1A; la Figure 3 est une vue schématique & grande échelle d'un TSEM utilisé dans le système de la présente invention; la Figure 4 est une représentation d'un autre mode de réalisation de la présente invention; et la Figure 5 est une représentation d'un autre mode de réalisation de la présente invention. Comme représenté sur la Figure lA, une barre de commande 10 à l'intérieur de laquelle se trouve un absor- beur de neutrons est supportée par un TSEM 14 situé au- dessus d'un tube de guidage 12 d'une barre de commande. Autour du tube 12 de guidage de la barre de contrôle, sont disposées des gaines 18 recevant des cartouches de combus- tible 16 respectivement (voir Figure 2). Un réfrigérant (non représenté) s'écoule vers le haut à travers les car- touches de combustible 16 dans les gaines 18. La partie principale de l'électro-aimant 14 com- porte, comme représenté sur la Figure 3, une combinaison d'un noyau de fer 20 et d'une armature 22 capable de se verrouiller verticalement avec et de se déverrouiller du noyau de fer 20, et une bobine 24 enroulée autour de la jambe centrale 20a du noyau de fer 20. L'élément ferromagné- tique extérieur du noyau de fer 20 est divisé en deux par- ties 20b, 20c qui sont magnétiquement isolées l'une de l'autre par un matériau non magnétique 26 interposé entre elles. Le noyau de fer 20 est relié à un arbre d'entraîne- ment 28 sur le côté supérieur, tandis que l'armature 22 est reliée à la barre de commande 10 sur le côté inférieur. La caractéristique de la présehte invention est que la partie supérieure (au moins une partie faisant face au matériau non magnétique décrit cidessus 26) de chacune des gaines 18 des cartouches de combustible adjacentes est réalisée en un TSMM 30 et constitue une partie du circuit magnétique de l'électro-aimant 14. Ce TSMM 30 possède une caractéristique magnétique en vue de réduire sa densité de flux à saturation lorsque la température du réfrigérant s'élève exagérément. A une température de fonctionnement normale, la température du TSMM 30 au-dessus des cartouches de combus- tible adjacentes 16 se trouve au-dessous de son point de Curie, et le circuit magnétique représenté par un pointillé a sur la Figure 3 est formé. De cette manière, la barre de commande 10 est retenue et suspendue à l'électro-aimant 14. Lorsque la température du réfrigérant s'élève, par suite de l'apparition d'un incident quelconque dans les cartouches de combustible 16 ou analogues, la température de la gaine 18 en une partie au-dessus de la cartouche 16 s'élève rapidement, et le circuit magnétique est rompu à l'instant o la température dépasse le point de Curie du TSMM 30 constituant une partie de la gaine 18. La force magnétique supportant l'armature 22 est ainsi réduite, et la barre de commande 10 tombe pour être introduite dans le coeur du réacteur comme représenté en pointillés sur la Figure 1A. Ainsi, le réacteur est arrêté. La remise en place ou la mise en place initiale de la barre de commande 10 est réalisée de la manière sui- vante. Comme représenté sur la Figure lB, la partie prin- cipale de l'électro-aimant se déplace vers l'extrémité supérieure de la barre de commande 10 située en position basse, et en cette position, l'armature 22 est verrouillée magnétiquement pour retenir la barre de commande 10. Afin de permettre la réalisation de cette opération, le TSMM 30 est prévu a l'intérieur de la course verticale de l'électro- aimant 14 dans le présent mode de réalisation. En d'autres termes, la longueur de cette plage est égale à la course de la barre de commande 10 (une longueur d'une partie char- gée en combustible dans la gaine 18). L'électro-aimant 14 et la barre de commande 10 réunis en bloc sont tirés vers le haut par l'arbre d'entrainement 28 et fixés dans une po- sition prédéterminée. Bien que le tube de guidage 12 de la barre de commande ne peut pas être installé à l'intérieur de l'étendue de la course verticale de l'électro-aimant 14, un tube plus court peut être installé, si nécessaire comme représenté sur la Figure 1. Une telle installation est facilement effectuée en réalisant certaines modifica- tions du dispositif de manipulations de renouvellement en combustible ou analogue, bien que le tube de guidage 12 de la barre de commande devienne plus court qu'un tube clas- sique. La forme du TSMM et la position d'installation de celui-ci peuvent être modifiées de façon variable. Des exemples de cette modification sont représentés sur les Figures 4 et 5. Puisque le concept fondamental est le même que celui du mode de réalisation précité, les mêmes chiffres de référence désignent des éléments analogues pour la simplicité de l'explication et leurs descriptions détaillées sont omises. La Figure 4 représente un exemple dans lequel un prolongement de tube 40 réalisé en TSMM possédant une lon- gueur égale à la course de déplacement verticale de l'élec- tro-aimant 14 est fixé à l'extrémité supérieure d'une gaine 42. Selon cette structure, la même gaine 42 et le tube de guidage 44 de la barre de commande peuvent être utilisés en tant qu'éléments classiques, et ainsi cette structure est facile à mettre en oeuvre en pratique. Cependant, le temps nécessaire pour l'obtention de la température élevée du réfrigérant devient plus long du fait de la longueur supplémentaire du prolongement de tube 40. - La Figure 5 représente un autre exemple dans le- quel un tube prolongateur 46 réalisé en TSMM est ajusté à l'extrémité supérieure de la gaine 48 pour recouvrir seulement la position fixée de l'électro-aimant 14 à l'ins- tant d'un fonctionnement normal. La partie supérieure de la gaine 48 située à l'intérieur de la course verticale de l'électro-aimant 14 est réalisée en matériau ferroma- gnétique 50, tel que de l'acier Cr-Mo ou en ferrite d'acier inoxydable, par exemple, qui est peu coûteux et facile à fabriquer. Bien que les modes de réalisation préférés de la présente invention aient été décrits ci-dessus, la pré- sente invention n'est pas limitée à ces modes de réalisa- tion. Par exemple, la partie supérieure de la paroi du tube de la gaine elle-même peut être réalisée en TSMM et en matériau ferromagnétique. Dans un autre cas, le TSMM doit avoir seulement une surface suffisante en tant que partie du circuit magnétique dans la paroi (au moins sur le côté électro-aimant) des gaines adjacentes. La présente invention permet une réponse très rapide à une élévation exagérée de la température du réfri- gérant, du fait que la gaine elle-même recevant la cartou- che de combustible ou le tube de prolongement de la gaine est réalisée en TSMM. De plus, puisque l'écoulement de ré- frigérant dans la gaine est stable, les problèmes provenant de la structure classique pour introduire suffisamment de réfrigérant dans le tube de guidage de barre de commande peuvent être évités. Notamment, la présente invention peut éviter les problèmes liés au fait que le réfrigérant devant être introduit dans le tube de guidage de barre de commande est instable et que le réfrigérant introduit est insuffi- sant en comparaison de la masse du TSMM. En résultat, la réponse à des accidents, ainsi que la fiabilité de la ca- ractéristique de manoeuvre, sont améliorées. De plus, il est inutile de contrôler la position relative entre l'électroaimant et le tube de guidage de barre de commande, puisque la surface réalisée en TSMM de la gaine peut être suffisamment agrandie. Par conséquent, une manoeuvre aléatoire ou une non manoeuvre dûes à un glis- sement de position sont éliminées, et la fiabilité est éga- lement améliorée sous cet aspect. R E V E N D I C A T I O N S 1. Système d'aYrrêt automatique de réacteur nucléaire comportant une barre de-commande (10), un électro-aimant (14) sensible à la température disposé au-dessus de la barre de commande pour effectuer un verrouillage et un déverrouil- lage de la barre de commande, et une partie d'introduction de la barre de commande autour de laquelle sont disposées une pluralité de gaines (18) recevant chacune une cartou- che de combustible (16), caractérisé en ce qu'une partie supérieure d'une paroi de tube de chacune desdites gaines disposées autour de ladite partie d'introduction de barre de commande est réalisée en un matériau magnétique (30) sensible à la température possédant une caractéristique en vue de réduire la densité de flux à saturation à l'instant d'une élévation éxagérée de la température d'un réfrigérant circulant à travers ladite cartouche de combustible, et en ce que ledit matériau magnétique sensible à la température constitue une partie du circuit magnétique dudit électro- aimant. 2. Système d'arrêt automatique d'un réacteur nucléai- re comportant une barre de commande (10), un électro-aimant (14) sensible f la température disposé au-dessus de la barre de commande pour effectuer un verrouillage et un déverrouil- lage de la barre de commande, et une partie de la barre de commande autour de laquelle sont disposées une pluralité de gaines (18) recevant chacune une cartouche de combusti- ble (16), caractérisé en ce qu'un tube prolongateur est relié à une extrémité supérieure de chacune desdites gaines disposées autour de ladite partie d'introduction de la bar- re de commande, ledit tube prolongateur étant réalisé en un matériau magnétique sensible à la température possédant une caractéristique en vue de réduire la densité de flux à saturation à l'instant d'une élévation exagérée de la température d'un réfrigérant circulant à travers ladite cartouche, et en ce que ledit matériau magnétique sensible à la température constitue une partie d'un circuit magnéti- que dudit électro-aimant. 3. Système d'arrêt automatique d'un réacteur nucléai- re selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie constituée du matériau magnétique (30) sensible à la température possède une température égale à la course verticale dudit électro-aimant (14). 4. Système d'arrêt automatique d'un réacteur nucléai- re selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le- dit matériau magnétique (30) sensible à la température est prévu dans une zone dans laquelle ledit électro-aimant (14) se trouve durant un fonctionnement normal d'un réacteur nucléaire, et la partie de paroi de tube de ladite gaine (18) au-dessous de ladite zone est réalisée en un matériau ferromagnétique à l'intérieur de la course verticale dudit électro-aimant.