Brevet FR2645326A1 — publié le 19901005

La présente invention se rapporte de manière générale au réglage de réactivité de réacteurs nucléaires et, en particulier, au réglage actif de la réactivité dans le cas d'une configuration de poison de neutrons à répartition variable. Dans les réacteurs nucléaires, la réactivité est régulée par l'addition ou la suppression de substances qui absorbent (poison), modèrent (ralentissent), ou réfléchissent (modifient la fuite) les neutrons. La réactivité peut également être réglée par l'addition ou la suppression de matière fissile. La réactivité peut être réglée indirectement grâce à une modification de la température des matières du coeur du réacteur. La température influence les caractéristiques d'absorption de neutrons et la dilatation thermique modifie les rapports physiques des constituants du coeur ce qui, à son tour, modifie la fuite des neutrons depuis le coeur du réacteur. La modification intentionnelle de la réactivité, par exemple par addition d'un poison, est appelée réglage actif. Une modification naturelle de la reactivité, telle que celle qui se produit en raison d'une augmentation de la température du réacteur, est dénommée réglage passif. Dans le cas de réacteurs à eau ordinaire, un procédé habituel de réglage actif consiste à utiliser des barres ou lames de réglage. Les barres de réglage contiennent un poison de neutron, tel que carbure de bore, alliage indium-cadmium et argent, ou hafnium. Les barres sont introduites progressivement dans le coeur depuis une extrémité, si bien que les neutrons sont absorbés et que la réactivité au voisinage des barres est réduite. On fait varier la dimension et le nombre de barres, ainsi que le degré d'insertion, afin d'obtenir le niveau de réactivité ou de réglage de réacteur voulu. Une autre manière de procéder au réglage actif, utilisée principalement dans les réacteurs de type compact, consiste A faire tourner des tambours de réglage. Les tambours de réglage sont positionnés dans une large bande de matière réfléchissant les neutrons, telle que le béryllium, qui entoure le coeur et sert à réduire la fuite de neutrons depuis le coeur. Les tambours de réglage sont formés à partir d'un cylindre comportant une matière réfléchissante sur toute la longueur constituant environ les deux 2645326- -2- tiers du cylindre, et un poison, tel que du carbure de bore, sur la longueur restante du cylindre.- Lorsque le tambour est positionné de manière à ce que le poison soit dirigé vers le-centre du coeur, des neutrons sont absorbés, ce qui réduit la réactivité du coeur. Lorsque le tambour est entralné en rotation de manière à ce que la matière réfléchissante soit dirigée vers le coeur, un moins grand nombre de neutrons est absorbé, et un plus grand nombre est renvoyé par réflexion à l'intérieur du coeur. La réactivité du coeur est ainsi accrue, notamment autour de sa périphérie. Une autre manière d'effectuer un réglage actif consiste à ajouter un poison actif, tel que de l'acide borique, au réfrigérant. La concentration d'acide borique est ajustée de manière à régler la réactivité du coeur au niveau voulu. Le réglage passif de la réactivité est également utilisé dans la plupart des réacteurs pour limiter les effets d'un surchauffage. Comme on le sait, de tels réacteurs ont un coefficient Doppler ou coefficient de température de réactivité négatif. Lo-scu'un réacteur produit, de manière non voulue, une quantité d'énergie supérieure à la quantité qu'il est possible d'éliminer,. les matières deviennent plus chaudes, se dilatent, ce qui, à son tour, entraîne la fuite d'un plus grand nombre de neutrons depuis le coeur, si bien qu'il en résulte une réduction d'énergie empêchant un surchauffage continu. De même, au fur et à mesure que la température augmente, les caractéristiques d'absorption de résonance des matières s'amplifient, et un plus grand nombre de neutrons sont absorbés. Les procédés connus de réglage de la réactivité comprennent les suivants. Le brevet U.S. No. 2 987 455 délivré au nom de Huston et al. décrit le procédé consistant à placer une matière d'absorption de neutrons dans le coeur du réacteur et à provoquer une augmentation de la superficie de la matière d'absorption de neutrons exposée au flux neutronique. Une vessie dilatable revêtue d'un poison de neutron est maintenue sous une forme enroulée, puis dilatée afin d'augmenter la superficie exposée du poison se trouvant sur la vessie dans le cas d'un emballement du réacteur. Le brevet U.S. No.3 309 284 délivré au nom de Bennett décrit l'utilisation d'ondes de compression d'un poison de neutrons en poudre, gazeux ou liquide, en tant que moyen de réglage de la réactivité nucléaire. Le brevet U.S. No. 3 629 061 délivré au nom de Noyes et ai. décrit la substitution de substance modératrice à l'acier profilé à la place de combustible. Le brevet U.S. No.3 799 839 délivré au nom de Fisher et al. décrit une disposition de poison combustible dans un coeur de réacteur nucléaire, suivant laquelle du combustible au plutonium est utilisé en association avec le poison combustible. Les brevets U.S. No.3 085 962, No.3 366 546, No.3 745 069, No.4 576 787 et No.4 645 643 décrivent divers éléments combustibles et assemblages de réglage par poison. Un certain nombre de procédés de réglage de la réactivité connus et décrits ci-dessus sont conçus pour ê-re automatiquement activés en réDonse à une réactivité excessive. Ces procédés ne concernent pas le problème de l'obtention et du maintien d'une répartition d'énergie uniforme pendant le réglage de la réactivité du coeur et de l'énergie du réacteur. Idéalement, l'énergie devrait être uniforme à travers tout le coeur afin d'assurer une utilisation efficace du combustible et un rendement en énergie maximal par unité de volume du coeur. Typiquement, l'énergie atteint un maximum au centre du coeur et chute aussi bien dans la direction radiale que dans la direction axiale. Pour niveler l'énergie du coeur et maintenir une énergie uniforme pendant toute la durée de vie du coeur, il est nécessaire que le taux de consommation du poison de neutron soit compatible avec celui du combustible nucléaire. En raison de la différence inhérente entre les taux de consommation des substances constituant le poison et le combustible, cette exigence n'est pas facile à satisfaire. La présente invention résout le problème susmentionné d'une manière simple. Pour ce faire, elle prévoit un composant de réglage de flux neutronique pour un réacteur nucléaire pour lequel il est possible de faire varier les capacités d'absorption de neutrons. Ceci est réalisé en mettant à profit les caractéristiques -4- d'autoprotection de couches multiples de matériaux très minces mais à très haut pouvoir d'absorption de neutrons, qui sont étendues ou rétractées de manière à modifier efficacement leur superficie exposée et, en conséquence, à faire varier leurs caractéristiques d'absorption de neutrons. Dans un mode de réalisation, un ensemble de cylindres concertriques étroitement ajustés est muni d'une disposition hélicoïdale de poison suivant laquelle la surface exposée du poison est augmentée par la rotation ou le déplacement axial d'un ou de plusieurs cylindres par rapport aux autres cylindres.-Dans un autre mode de réalisation, de petits cylindres concentriques peuvent être munis de poison de neutron placé sous la forme de segments le long des cylindres de telle manière que la rotation d'un cylindre par rapport à l'autre entraîne l'augmentation de la superficie exposée. Dans un autre mode de réalisation, des segments de poison horizontaux peuvent être déplacés verticalement à partir d'une position de recouvrement afin d'augmenter la superficie exposee. Afin de mieux comprendre la nature et les objets de la présente invention, il convient de se référer à la description suivante, lue en association avec les dessins annexés sur lesquels des éléments identiques sont désignés par des références identiques, et dans lesquels: La figure 1 est une coupe transversale vue en plan d'un réacteur nucléaire dans lequel se trouve le composant de réglage; La figure 2 est une coupe transversale agrandie vue en plan du composant de réglage de la figure 1; La figure 3 est une vue selon les lignes A-A de la figure 2, illustrant le composant de réglage dans la position de recouvrement; La figure 4 est une vue selon les lignes A-A de la figure 2 illustrant le composant dans la position après rotation; La figure 5 est une coupe transversale vue en plan d'un réacteur nucléaire comportant le composant de réglage selon une autre forme de réalisation; La figure 6 est une vue de détail agrandie du composant de réglage de la figure 5; -5- La figure 7 est une vue suivant les lignes A-A de la figure 6 illustrant le composant de réglage dans la position de recouvrement; La figure 8 est une vue suivant les lignes A-A de la figure 6 illustrant le composant de réglage dans la position étendue ou exposée; La figure 9 est une coupe transversale vue en plan d'un réacteur nucléaire comportant le composant de réglage suivant un autre mode de réalisation; La figure 10 est une vue de détail agrandie du composant de réglage de la figure 9; La figure 11 est une vue de la partie encerclée du composant de la figure 10 dans la position de recouvrement; La figure 12 est une vue de la partie encerclée du comDosant de la figure 10 dans la position étendue ou exposée. En référence aux dessins,.on peut voi.r, d'après les figures 1 à 4, que l'invention est désignée de manière générale par la référence 10. Le composant de réglage 10 est illustré dans la position dans laquelle ii se trouve à l'intérieur d'un coeur de réacteur nucléaire typique de petite taille, constitué par un réflecteur radial 12, un récipient 14 de réacteur, des éléments combustibles 16 et un modérateur 18. Comme on le voit sur la figure 1, le composant de réglage 10 entoure, et dans la condition d'exposition maximale du poison, tend à isoler les sept éléments combustibles internes 16 des douze éléments combustibles externes 16. Aux fins d'illustration, les figures 2 à 4 ont pour rôle de représenter de manière générale le composant de réglage 10. Le composant de réglage 10 se compose d'au moins deux plaques support 19 et de segments 24 de poison de neutrons. Les plaques support 19 sont étroitement ajustées et aptes à se déplacer l'une par rappqrt à l'autre. Au moins deux segments de poison 24 essentiellement identiques sont prévus, un sur chaque feuille support 19, et sont aptes à se déplacer entre des positions de recouvrement et d'exposition en réponse au déplacement de la plaque support 19. Dans la position d'exposition, une plus grande superficie de segments de poison 24 est exposée, ce qui entraîne l'absorption d'une plus grande quantité de neutrons et le réglage de -6- la puissance du réacteur. Les segments de poison 24 peuvent être fixés aux plaques support 19 ou peuvent en faire partie intégrante. Chaque segment de poison est conçu en vue de pouvoir absorber au moins 80 % des neutrons susceptibles de frapper sa surface, et chacun présente une largeur supérieure à trois fois l'épaisseur efficace de l'ensemble de segments de poison 24 se recouvrant. Comme on peut le voir dans le mode de réalisation des figures 2 à 4,.le composant de réglage 10 utilise des plaques support 19 ayant la forme de deux cylindres concentriques 20,22, dont l'un est apte à tourner par rapport à l'autre. Les cylindres intérieur et extérieur ,22 comportent des segments 24 de poison de neutrons le long de leur paroi. Comme on peut le voir plus clairement sur les figures 3 et 4, une multiplicité de segments 24 de poison de neutrons est prévue autour de la circonférence de chaque cylindre 20,22, les segments étant espacés le long de leur axe longitudinal. On obtient ainsi une configuration alternée de sections avec poison et de sections sans poison le long de chaque cylindre. Les segments de poison 24 sont positionnés de manière à former des configurations. hÉlicoïdales sensiblement identiques sur chaque cylindre 20,22, de telle manière que, dans une première position de recouvrement (figure 3), la superficie exposée de segments 24 de poison est minimale. Lorsque l'un des cylindres 20,22 est déplacé vers une seconde position exposée (figure 4), il en résulte une augmentation de la superficie exosée des segments 24 de poison, ce qui réduit la réactivité du coeur de réacteur. Naturellement, en fonction du réglage requis, il est également possible de sélectionner des positions intermédiaires entre les positions de recouvrement total et d'exposition. Un second mode de réalisation de l'invention, désigné par la référence 110, est représenté sur les figures 5 à 8. Le composant de réglage 110 a sensiblement la forme d'un Y et est positionné entre des éléments combustibles 16. Bien qu'un seul composant de réglage soit représenté pour plus de clarté, il convient de noter que plusieurs de ces composants peuvent être utilisés. Le composant de réglage 110 utilise des plaques support 19 se présentant sous la -7- forme d'une multiplicité de barres 26 présentant une section en V ouvert. Dans le mode de réalisation préféré, les barres 26 s'emboîtent à coulissement les unes dans les autres, comme on le voit sur la figure 6, pour former une section transversale en Y. Les barres sont munies respectivement d'une multiplicité de segments 28 de poison de neutrons horizontaux, espacés le long de l'axe longitudinal de celles-ci. Les segments de poison 28 sont positionnés de telle sorte qu'ils puissent être déplacés entre une position de recouvrement (Figure 7) et une position d'exposition (Figure 8) afin de faire varier la superficie exposée des segments de poison 28. Ceci est réalisé par le déplacement des barres 26 le long de leur axe longitudinal. Un troisième mode de réalisation de l'invention, désigné par la référence 210, est illustré sur les figures 9 à 12. Bien qu'un seul composant de réglage 210 soit représenté pour plus de clarté, il convient de noter que plusieurs de ces composants peuvent être utilisés. Le composant de réglage 210 utilise des plaques support 19 se présentant sous la forme de trois cylindres concentriques 30 dans le mode de réalisation préféré. Au moins deux des cylindres 30 sont aptes à tourner l'un par rapport à l'autre ainsi que par rapport au troisième cylindre qui est fixe. Une multiplicité de segments 32 de poison de neutrons de dimensions sensiblement égales sont prévus le long de l'axe longitudinal de chaque cylindre 30. Les cylindres 30 sont tous dotés du même nombre de segments 32 de poison de neutrons de telle sorte que la rotation des cylindres 30 déplace les segments de poison 32 entre une position de recouvrement (Figure 11) et une position d'exposition (Figure 12). Ceci permet de faire varier la superficie exposée et de faciliter le réglage de la réactivité. Bien entendu, les cylindres 30 peuvent être entraÂnés en rotation de manière sélective vers toute position de réglage comprise entre celle de la figure 11 et celle de la figure 12. Dans les modes de réalisation préférés de la présente invention, les dimensions du poison sont calculées de manière à ce que chaque couche soit suffisamment épaisse pour absorber plus de 80% des neutrons frappant un côté ou l'autre et à ce que la largeur 2645326- -8- représente plus de trois fois l'épaisseur utile des couches composites. Dans les modes de réalisation illustrés sur les figures 2 à 4 et 9 à 12, les segments de poison 24 et 32 sont formés de telle sorte que les bandes de poison qui se recouvrent se présentent sous la forme d'une ou de plusieurs bandes espacées d'une distance qui ne soit pas inférieure à la largeur étendue des bandes qui se recouvrent. Dans les modes de réalisation des figures 2 à 4 et 9 à 12, les segments de poison 24 peuvent présenter un angle d'hélice compris entre zéro et quatre-vingt- dix (90) degrés et former des bandes axiales le long des cylindres 20,22 et une série d'anneaux le long des cylindres 30. Dans tous les modes de réalisation, il est possible de faire varier la largeur des segments de poison le long des plaques support pour assurer la répartitionde l'énergie à l'intérieur du réacteur. Comme de ncmbreux modes de réalisation différents peuvent.être réalisés dans le cadre du concept innovateur décrit ici, et étant donné que de nombreuses modifications pourraient être apportées aux modes de réalisation décrits ici conformément aux exigences de la loi en matière de descriptions, il est entendu que les détails exposés ici doivent être interprétés comme étant illustratifs et non pas limitatifs. -5c- REVENDICATIONS 1. Composant de réglage (10;110;210) de flux neutronique destiné à être utilisé dans un réacteur nucléaire, comprenant. a. au moins deux plaques support (19) étroitement ajustées et aptes à être déplacées l'une par rapport à l'autre; b. au moins deux segments (24; 28;32) de poison de neutrons sensiblement identiques, un sur chacune desdites plaques support (19), aptes à être déplacés entre des positions de recouvrement et d'exposition en réponse au déplacement desdites plaques support; et c. chacun desdits segments de poison ayant une largeur supérieure à trois fois l'épaisseur utile de l'ensemble de segments de poison se recouvrant et étant capable d'aDsorber au moins quatre-vingt pour cent des neutrons qul frapDent sa surface. 2. Composant de réglage selon la revendication 1, caractérisé en que: a. lesdites plaques support (19) se présentent sous la forme de cylindres concentriques (20,22) étroitement ajustés et aptes à se déplacer les uns par rapport aux autres; et b. lesdits segments de poison présentent un angle d'hélice compris entre zéro et quatre-vingt-dix degrés. 3. Composant de réglage selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits segments de poison sont espacés les uns des autres d'une distance qui n'est pas inférieure à leur largeur étendue lorsqu'ils se trouvent en position de recouvrement. 4. Composant de réglage selon la revendication 1, caractérisé en ce que: a. lesdites plaques support (26) présentent une section transversale en V; et b. lesdits segments de poison (28) sont espacés les uns des autres d'une distance qui n'est pas inférieure à leur largeur étendue lorsqu'ils se trouvent en position de recouvrement. 5. Composant de réglage selon la revendication 1, caractérisé O en ce que la largeur des segments de poison (24;28;32) varie. le long des plaques support, ce qui permet de déterminer la répartition de l'énergie à l'intérieur du réacteur.