Brevet FR2676581A1 — publié le 19921120

i DISPOSITIF DE GUIDAGE VERTICAL DE GRAPPE DE COMMANDE POUR REACTEUR NUCLEAIRE La présente invention a pour objet un dispositif de guidage de grappe de commande pour réacteur nucléaire et elle trouve une application particulièrement importante dans les réacteurs à eau sous pression et, parmi ces der- niers, dans les réacteurs à neutrons thermiques ou à va- riation de spectre. Dans les réacteurs à eau sous pression actuels, la réactivité est commandée notamment à l'aide de grappes de contrôle comprenant chacune un faisceau de crayons suspendus à une araignée à bras radiaux portée par une tige verticale de commande de la grappe, permettant de déplacer la grappe entre une position basse o elle est insérée à peu près complètement dans le coeur du réacteur et une position haute o elle se trouve dans des équipements internes supérieurs du réacteur. Les crayons sont guidés dans le coeur par des tubes-guides prévus dans les assemblages combustibles. Au-dessus du coeur, ces crayons, très longs et minces, doivent être guidés dans les internes supérieurs par un dispositif qui comprend habituellement: une enveloppe tubulaire, munie à sa partie supérieure d'une plaque de fermeture percée d'un trou de passage de la tige de commande; des plaques horizontales réparties le long de l'enveloppe et découpées de façon à livrer passage à l'araignée et à guider les crayons; des moyens de guidage continu des crayons dans la partie basse de l'enveloppe, comprenant des tubes et des fourreaux de guidage de crayons individuels, délimitant des fentes de largeur suffisante pour livrer passage aux bras de l'araignée, destinés à soustraire les crayons à l'action de l'écoulement turbulent du réfrigérant qui sort du coeur et pénètre dans l'envelop- pe. Jusqu'ici, on a cherché à réduire le plus possible les gradients de pression qui s'exercent sur les crayons dans le sens horizontal, dans les intervalles mentionnés plus haut, en partant de l'hypothèse que ces gradients de pression appliquent le crayon contre les lèvres de la fente de passage de l'araignée et provoquent une usure par frot- tement du crayon Pour réaliser cet équilibrage, dans des dispositifs de guidage o les tubes guident des crayons in- dividuels et les fourreaux guident des paires de crayons, on a en particulier pratiqué des trous d'équilibrage de pression dans la paroi des fourreaux de guidage, remplacé les fourreaux par des carters laissant un jeu d'équilibrage des pressions (FR-A-2 547 100) et pratiqué, dans les lèvres de la fente, des échancrures constituant des ouvertures d'équilibrage (FR-A-2 516 691). Dans une telle disposition, les moyens de guidage continus délimitent un canal ascendant unique pour le ré- frigérant L'étude de la répartition des pressions et des vitesses montre que cette répartition tend à plaquer les crayons vers le centre de la grappe dans la partie infé- rieure de la zone de guidage continu, puis vers l'extérieur dans la partie haute de la zone de guidage continu, du fait que la plus grande partie du débit est déviée vers des ou- vertures de sortie de réfrigérant percées dans l'enveloppe en amont de la zone de guidage discontinu. Cette différence d'action provoque une forte insta- bilité des crayons et est source de vibrations. Il a été constaté, dans certains types de réacteurs au moins, que la vibration des crayons est une cause pré- pondérante d'usure, notamment aux emplacements de contact des crayons avec les plaques horizontales dans la zone o le guidage ne s'effectue que de façon discontinue, par ces plaques réparties. Au surplus il a été constaté que ceux des crayons qui sont situés les plus à l'extérieur dans le sens radial, dans les fourreaux, sont fortement plaqués vers l'axe du dispositif, ce qui accélère l'usure par frottement. La présente invention vise à fournir un dispositif de guidage vertical de grappes répondant mieux que ceux an- térieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en évitant une inversion du sens des efforts exercés sur les crayons en passant de la zone de guidage continu à la zone de guidage discontinu. Dans ce but l'invention propose notamment un dispo- sitif caractérisé en ce que les crayons étant répartis en une rangée interne dans le sens radial et une rangée exter- ne, les fourreaux délimitent entre eux des passages de gui- dage des crayons de la rangée interne et séparent un canal central de réfrigérant de canaux périphériques communiquant entre eux, dans lesquels débouchent des ouvertures de sor- tie du réfrigérant ménagées dans l'enveloppe, dans ladite partie basse constituant zone de guidage continu. Dans un mode avantageux de réalisation, chaque fourreau contient un passage de guidage d'un seul crayon, appartenant à la rangée externe? et est percé de trous dirigés radialement vers l'extérieur de mise en communica- tion du passage avec les canaux périphériques Les crayons de la rangée périphérique autres que ceux qui sont guidés dans les fourreaux peuvent être guidés par des tubes dis- posés entre les fourreaux et présentant une fente radiale de passage d'un bras de l'araignée. Dans cette disposition, le réfrigérant qui pénètre dans le canal central s'écoule en quasi-totalité dans le sens vertical ascendant jusqu'au fuites qui subsistent entre les plaques horizontales de guidage, dans la zone de guidage discontinu, et l'enveloppe La plus grande partie du débit qui sort d'un assemblage pénètre dans les canaux périphériques et s'échappe par les ouverture de la partie basse de l'enveloppe, directement vers l'extérieur de l'enveloppe. Ainsi le canal central est en surpression par rap- port à l'extérieur de l'enveloppe De ce fait les crayons de la rangée radialement interne sont soumis à cette sur- pression et donc plaqués vers l'extérieur, ce qui évite l'excitation de vibrations et l'usure sur les plaques hori- zontales de la partie haute, à guidage discontinu Cette excitation est d'autant plus écartée qu'il n'y a pratique- ment plus d'écoulement radial au niveau des crayons vers le haut de la partie haute, là o les crayons ne sont pas pro- tégés entre les plaques. Dans les fourreaux, les crayons de la rangée exter- ne sont également soumis à une surpression dirigée du cen- tre vers l'extérieur, si des trous ou lumière sont prévus dans ces fourreaux Les crayons guidés par les tubes fendus éventuels sont soumis à une différence de pression dirigés radialement vers l'intérieur L'effort radial dirigé vers l'extérieur à la partie supérieur de l'enveloppe peut être très faible et donc ne pas provoquer, par son action en op- position aux forces agissant à la partie inférieure, des vibrations dommageables. La grande latitude dont dispose le concepteur dans le tracé des fourreaux et dans celui des ouvertures d'en- trée du réfrigérant à l'intérieur de l'enveloppe permet d'adapter la répartition des débits entre le canal central, de forme étoilée, et les canaux périphériques et en parti- culier d'ajuster la force dirigée radialement vers l'exté- rieur qui plaque les crayons contre la paroi de leur pas- sage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, et de la comparaison qui en est faite avec un dispositif de guidage selon l'art antérieur La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: la figure 1 montre un dispositif de guidage de grappes selon l'invention, en élévation, et les éléments des internes supérieurs qui lui sont directement associés, en coupe suivant un plan vertical; les figures 2 et 3 sont des vues en coupe suivant un plan horizontal, respectivement au niveau des lignes II- II et III-III de la figure 1. La fraction de réacteur schématisée en figure 1 a une constitution générale qui est, à l'heure actuelle, bien connue Elle ne sera pour cette raison que brièvement décrite. Le coeur, constitué d'assemblages combustibles jux- taposés, est contenu dans une cuve 10 de résistance à la pression, fermée par un couvercle 12 Une virole 14, sup- portée par la cuve, délimite un espace annulaire de descen- te du réfrigérant, admis par des tubulures non représen- tées, jusqu'à un espace ménagé sous une plaque inférieure, portant le coeur Le réfrigérant remonte ensuite à travers le coeur, et en sort par des passages ménagés dans une plaque de coeur 16 appartenant aux internes supérieurs du réacteur. Les internes comportent également une plaque sup- port 18, soutenue par la cuve, reliée à la plaque de coeur par des colonnes de fixation non représentées et par des dispositifs de guidage 20, destinés chacun à recevoir une grappe de contrôle Les grappes sont constituées d'un fais- ceau de crayons allongés contenant du matériau absorbant les neutrons, au nombre de vingt quatre par exemple, sus- pendus à une araignée dont le pommeau est fixé à une tige de commande. Chaque dispositif 20 comporte, entre les plaques 16 et 18, une enveloppe tubulaire 24, de section approximati- vement carrée et, au-dessus de la plaque support 18, un prolongement 25 muni d'une plaque de fermeture (non repré- sentée), perçée d'un trou de passage de la tige de com- mande. Des plaques horizontales de guidage 26 sont répar- ties régulièrement le long de l'enveloppe 24 Elles sont fixées à l'enveloppe par engagement de saillies externes de ces plaques dans des encoches de l'enveloppe 24, et généra- lement par soudage. Les plaques 26 situées à la partie supérieure de l'enveloppe 24, au nombre de cinq dans le mode de réalisa- tion montré en figure 1, présentent une découpe interne telle que les plaques guident les crayons et livrent passa- ge aux bras de l'araignée Les crayons sont ainsi guidés de façon discontinue, à intervalles correspondant à l'écarte- ment des plaques 26. La disposition décrite jusqu'ici est classique. Les plaques 26 assurent un guidage discontinu des crayons à la partie haute du dispositif Dans cette partie haute, l'enveloppe est dépourvue d'ouvertures de sorte que le réfrigérant qui l'atteint ne s'échappe que latéralement par les jeux qui subsistent entre les saillies externes des plaques et les encoches et axialement. Dans le mode de réalisation montré en figure 1, le dispositif ne comporte qu'une seule plaque horizontale 26 a dans la zone de guidage continu Cette plaque est reliée au pied 28 de l'enveloppe 24 par des moyens de guidage conti- nu, et à l'enveloppe par emboîtement et/ou par soudure. Les moyens de guidage comprennent des fourreaux 30 et des tubes fendus 32, délimitant des passages de guidage de huit crayons appartenant à une rangée interne et de seize crayons appartenant à une rangée externe dans le sens radial, ces nombres n'étant pas limitatifs Chacun des fourreaux 30 constitue, dans sa partie la plus éloignée de l'axe dans le sens radial, un passage 34 de guidage d'un des crayons de la rangée externe, prolongé par une fente radiale 36 destinée à livrer passage à un bras de l'arai- gnée Les parties les plus proches de l'axe des fourreaux délimitent entre elles des passages 38 et 40 de guidage des crayons de la rangée interne Dans le cas illustré sur les figures 2 et 3, o les crayons de la rangée interne sont disposés suivant les côtés d'un carré, chaque fourreau a deux branches de longueurs différentes de sorte que l'espace compris entre les parties internes des fourreaux constitue un canal central 42 en forme d'étoile, n'ayant pas de communication directe avec l'extérieur dans le sens radial, sauf par l'intermédiaire des passages de guidage 38 et 40 Deux fourreaux successifs délimitent entre eux un canal périphérique 44 de forme triangulaire Tous ces ca- naux périphériques communiquent entre eux (figure 3) La pression qui y règne est pratiquement la même que la pres- sion à l'extérieur de l'enveloppe, étant donné qu'ils com- muniquent avec l'extérieur par de larges ouvertures 46 de l'enveloppe Ces ouvertures sont de forme approximativement rectangulaire La plus haute est placée juste au-dessous de la plaque 26 a. Chacun des tubes 32 de guidage d'un crayon de la rangée externe est placée entre deux fourreaux adjacents, au fond d'un des canaux périphériques 44 Il ne comporte aucune lumière radiale de mise en communication de l'inté- rieur du tube avec le canal périphérique Au contraire, des trous 46 sont régulièrement répartis le long de la généra- trice externe de chacun des passages 34 pour mettre en dé- pression la face externe des crayons lorsque la grappe oc- cupe le dispositif de guidage On voit que: le canal central étant en surpression par rapport aux canaux périphériques et à l'extérieur de l'enveloppe, les huit crayons situés les plus près de l'axe sont soumis à une force dirigée radialement vers l'extérieur et plaquée vers l'extérieur, ce qui évite leur mise en vibration et une usure rapide sur les plaques 26; les crayons périphériques placés dans les passa- ges 34 des fourreaux 30 sont également soumis à une force de pression dirigée radialement vers l'extérieur; les crayons occupant les tubes fendus 32 sont exposés sur leur face interne à une pression inférieure à celle qui règne sur la face externe, du fait que le réfri- gérant est à vitesse élevée dans les canaux périphériques, tandis que la face externe est en regard d'un espace qui communique avec l'entrée de la zone de guidage continu Ces crayons sont donc plaqués vers l'intérieur, malgré l'effort radial dû à l'écoulement dans la zone de guidage disconti- nu, dont la composante radiale est très faible. Grâce à la supression du risque d'excitation des crayons en vibration, on peut réduire la longueur de la zone de guidage continu par rapport à la celle adoptée dans un dispositif de type classique de même hauteur totale. Dans la pratique, on peut réduire la hauteur de cette zone à la course de l'amortisseur équipant l'assemblage combus- tible, c'est-à-dire environ 600 mm dans un réacteur repré- sentatif. REVENDICATIONS 1 Dispositif de guidage vertical de grappe de con- trôle de réacteur nucléaire, ladite grappe comprenant un faisceau de crayons répartis en deux rangées coaxiales et suspendus à une araignée à bras radiaux portée par une tige verticale de commande de la grappe, permettant de déplacer la grappe entre une position basse o elle est insérée à peu près complètement dans le coeur du réacteur et une position haute o elle se trouve dans des équipements internes supérieurs du réacteur, comprenant: une enveloppe tubulaire ( 24); des pla- ques horizontales de guidage ( 26) réparties le long de l'enveloppe et découpées de façon à livrer passage à l'araignée et à guider les crayons; des moyens de guidage continu des crayons dans la partie basse de l'enveloppe, comprenant des tubes et des fourreaux de guidage de crayons délimitant des fentes de largeur suffisante pour livrer passage au bras de l'araignée, destinés à soustraire les crayons à l'action de l'écoulement turbulent du réfrigérant qui sort du coeur, pénètre dans l'enveloppe et en sort par des ouvertures de sortie de réfrigérant ( 46) percées dans l'enveloppe, caractérisé en ce que, les crayons étant répartis en une rangée interne dans le sens radial et une rangée externe, les fourreaux délimitent entre eux des passages de guidage des crayons de la rangée interne et séparent un canal central de réfrigérant ( 42) de canaux périphériques ( 44) communiquant entre eux, dans lesquels débouchent les ouvertures ( 46) de sortie du réfrigérant, ménagées dans l'enveloppe ( 24) dans ladite partie basse. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie externe de chaque fourreau ( 30) délimi- te un passage ( 34) de guidage d'un crayon de la rangée ex- terne et est percée de trous ( 46) dirigés radialement vers l'extérieur, de mise en communication avec les canaux péri- phériques ( 44). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les tubes, destinés à guider les crayons de la rangée externe autres que ceux guidés par les fourreaux sont disposés entre les fourreaux et présentent une fente radiale de passage du bras correspondant de l'araignée. 4 Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, ca- ractérisé en ce que l'enveloppe ( 24) est démunie d'ouvertu- re au-dessus de ladite partie basse, autre que les jeux entre plaques de guidage ( 26) et enveloppe ( 24)