Brevet FR2710778A1 — publié le 19950407

GRAPPE DE COMMANDE POUR REACTEUR NUCLEAIRE ET REACTEUR EN FAISANT APPLICATION La présente invention concerne les grappes de commande destinées aux réacteurs nucléaires modérés et refroidis par de l'eau sous pression; de telles grappes sont déplacables verticalement par un mécanisme permettant de les insérer plus ou moins dans le coeur pour régler le flux neutronique, et donc régler la puissance du réacteur et éventuellement amener et maintenir à l'arrêt le réacteur. L'invention est notamment utilisable dans les réacteurs modérés et refroidis par de l'eau sous pression, dont le coeur est constitué par des assemblages de combustible ayant un faisceau de crayons de combustible retenus au noeud d'un réseau régulier par un squelette formé d'embouts reliés par des tubes guides. Dans ce cas, les grappes sont constituées par une araignée déplaçable par un mécanisme de commande et portant des crayons de matériau absorbant destinés à être insérés plus ou moins dans les tubes guides ou même extraits totalement du coeur. Habituellement, le réglage de puissance et l'arrêt du réacteur mettent en oeuvre plusieurs groupes de grappes de constitutions différentes (tels que des grappes noires et des grappes grises), notamment lorsque le réacteur est prévu pour fonctionner en mode "suivi de charge", qui exige des déplacements fréquents et d'amplitude modérée des grappes de commande. Des modes de commande de ce type sont décrits par exemple dans les documents EP-A-0 051 542 (brevet FR 80 23452) et FR-A-2 639 141 (brevet FR 88 14771) auxquels on pourra se reporter. Les grappes "noires" dont l'anti-réactivité est par exemple d'environ 150 pcm, comportent un matériau fortement absorbant, qui peut notamment être un alliage argent-indium- cadmium, tel que l'un de ceux décrits dans le document FR-A- 1 214 215. Ces grappes "noires" peuvent être partagées en deux groupes, dont l'un sert à la compensation au fur et à mesure de l'épuisement du coeur et/ou pour des fonctions autres que la régulation à court terme. Les grappes "grises", dont l'anti-réactivité est par exemple moitié de celle des grappes "noires", sont notamment utilisées pour le réglage de puissance. Elles sont souvent séparées en un premier groupe, inséré en premier dans le coeur lors d'une diminution de la puissance, et un second groupe qui n'est introduit dans le coeur que lorsqu'on veut réduire la puissance du réacteur à un niveau compris entre % et 80% environ de la puissance nominale. Les grappes de ce second groupe ne sont complètement insérées que pour provoquer et maintenir l'arrêt du réacteur. Souvent, chaque grappe "grise" est constituée de crayons contenant un matériau fortement absorbant, tel qu'un alliage Ag-In-Cd et de crayons contenant un matériau faiblement absorbant, tel qu'un acier inoxydable. Mais dans tous les cas, le matériau absorbant des grappes habituelles est le même sur toute la longueur d'un crayon donné. Des raisons d'économie de neutrons et de gestion optimale du combustible nucléaire font qu'il est souhaitable de réduire l'anti-réactivité des grappes. Mais cela va à l'encontre de la sécurité, qui exige qu'une antiréactivité importante soit insérée dans le coeur lors d'un arrêt d'ur- gence afin qu'une marge d'anti-réactivité subsiste dans le coeur lorsqu'il doit être maintenu à l'arrêt, et ce dans toutes les conditions possibles de température. L'invention vise à fournir une grappe de commande pour réacteur nucléaire, utilisable notamment pour la régulation de puissance et le suivi de charge, permettant de concilier dans une large mesure ces impératifs contradictoires. Elle propose dans ce but une grappe de contrôle pour réacteur nucléaire comprenant une araignée à laquelle sont suspendus des crayons contenant un matériau d'absorption des neutrons, caractérisée en ce que, dans certains au moins des crayons, le matériau est constitué à la partie inférieure du crayon par de l'acier inoxydable et, à la partie supérieure du crayon, sur une fraction de la hauteur de matériau absorbant comprise entre 20 et 40%, d'au moins un matériau fortement absorbant, tel qu'un alliage ternaire d'argent, d'indium et de cadmium, contenant éventuellement des traces d'autres éléments à titre d'impuretés inévitables. Dans une variante de réalisation, la partie supérieure n'est pas constituée uniquement d'une colonne de pastilles d'alliage Ag-In-Cd. Dans une fraction haute de cette partie, l'alliage est remplacé par une colonne de pastilles de carbure de bore B4C, en proportions ajustables; des hauteurs d'envion 1 m pour Ag-In-Cd et 30 cm pour B4C donnent de bons résultats. Cette dernière constitution présente un intérêt particu- lier dans les réacteurs dits REP ou PWR de 1300 MWe actuels. Dans certains de ces réacteurs en effet, certaines des grappes noires contiennent déjà un empilement ayant deux colonnes superposées Ag-In-Cd et B4C. La masse des grappes grises classiques est alors supérieure à la masse des grappes noires bien que les pastilles en acier inoxydable soient creuses. La constitution composite permet de réduire l'augmenta- tion de masse des grappes grises provoquée par leur nature composite. Elle permet de soumettre le carbure de bore B4C à un niveau de flux reçu comparable à celui de certaines des grappes noires (groupe N1 dans le cas qui sera décrit plus loin). L'invention propose également un réacteur nucléaire du genre ci-dessus défini, comprenant des grappes de crayons déplaçables entre le coeur et des internes supérieurs du réacteur par des moyens de commande, les dites grappes comprenant des grappes noires et des grappes grises, d'anti- réactivité inférieure à celle des grappes noires, de régula- tion de puissance, caractérisé en ce que certaines au moins des grappes grises ont la constitution ci-dessus définie. Lorsque, ce qui est un cas fréquent, les grappes grises sont réparties en deux groupes, dont l'un est inséré après l'autre pour amener le réacteur à une puissance faible ou l'arrêter, ce sont les grappes appartenant au groupe inséré dans le coeur en second qui ont la constitution ci-dessus définie. Dans la plupart des réacteurs à eau sous pression actuels, la venue du réacteur dans un état o sa puissance est nulle ou très faible provoque une déformation de la répartition axiale du flux neutronique et l'apparition d'un maximum marqué vers le haut du coeur. En conséquence, l'accroissement d'efficacité des grappes grises conformes à l'invention est très supérieure à l'accroissement d'anti- réactivité auquel on pourrait s'attendre du fait de la simple substitution d'un matériau à un autre en partie haute des crayons. Etant donné que le tiers supérieur de la partie absor- bante d'un crayon ou d'une grappe du groupe inséré en second ne pénètre dans le coeur qu'à partir du moment o la puissance est ramenée à une valeur de l'ordre de la moitié de la puissance nominale, les grappes de réglage de puis- sance et de suivi de charge conserveront leur caractère de grappes "grises" pratiquement pendant toute la durée de l'exploitation normale du réacteur de sorte que la mise en oeuvre de l'invention n'affecte guère l'économie neutronique lors des pannes de fonctionnement fréquentes. L'invention a également pour objet un réacteur à eau sous pression comportant des grappes "grises" du type ci- dessus défini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe montrant une répartition possible des grappes noires et grises dans le coeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression utilisé fréquemment à l'heure actuelle pour constituer des tranches de 900 MWe; - la figure 2 montre schématiquement l'araignée d'une grappe et les crayons qu'elle soutient, en plan; - la figure 3 montre une répartition possible des absorbants dans une grappe "grise". On décrira maintenant un mode possible de mise en oeuvre de l'invention appliqué à un réacteur dont le coeur est constitué d'assemblages à section droite carrée, ayant la répartition donnée en figure 1. Mais l'invention est également applicable à des réacteurs différents à réseau hexagonal et/ou pouvant comporter, en plus des grappes provoquant seulement une absorption parasite de neutrons, des grappes de variation de spectre d'énergie des neutrons. Sur la figure 1, seul a été représenté l'emplacement de grappes que des mécanismes de commande permettent d'enfoncer dans le coeur ou de retirer du coeur. Les emplacements désignés par N1 et N2 reçoivent des grappes "noires". Les crayons de ces grappes contiennent, sur toute leur hauteur, un même matériau absorbant des neutrons, tel par exemple qu'un alliage ternaire à 80% d'argent, 15% d'indium et 5% de cadmium en poids. Les huit grappes aux emplacements N1 servent à la compensation de puissance, tandis que les huit grappes aux emplacements N2, à la périphérie du coeur, sont essentiellement utilisées pour l'arrêt du réacteur. Les seize grappes contiennent un matériau à forte absorption neutronique parasite qui peut être en l'un des alliages Ag- In-Cd ou un autre élément à état dispersé, par exemple du Hafnium. Les emplacements du coeur désignés par G1 et G2 reçoi- vent des grappes "grises" ayant chacune une anti-réactivité nettement inférieure à celle des grappes "noires" pour la même profondeur d'insertion dans le coeur. Les quatre grappes G1 sont prévues pour être insérées dans le coeur avant les huit grappes G2 qui sont destinées également à la régulation de puissance. En général, le tiers supérieur de la colonne de matériau absorbant dans les crayons des grappes G2 n'est placé dans le coeur que lorsque la puis- sance est inférieure à 55% environ de la puissance nominale, c'est-à- dire dans des conditions de fonctionnement peu fréquentes et notamment après que le groupe N1 ait commencé à s'insérer dans le coeur. Les grappes "grises" ont souvent la constitution montrée en figures 2 et 3. Elles comportent une araignée 10 dont le pommeau est prévu pour être fixé à une tige de commande et dont les bras rayonnants 12 portent chacun un ou deux crayons. La grappe G2 montrée à titre d'exemple sur la figure 2 comporte vingt quatre crayons. Dans les grappes "grises", utilisées fréquemment à l'heure actuelle, huit crayons 14 (représentés par des cercles noirs sur la figure 2) contiennent un alliage absorbant, qui peut être le même que celui des grappes "noires". Les seize autres crayons 16, représentés par des cercles blancs, contiennent un matériau beaucoup moins absorbant, par exemple de l'acier inoxydable. Conformément à l'invention, une fraction supérieure d1/(d,+ d2) de la colonne de matériau absorbant des crayons 16 est constituée de matériau à forte absorption neutronique, qui pourra être le même que celui contenu dans les crayons 14. La longueur d, sera généralement comprise entre 20 et 40% de la hauteur totale de la colonne absorbante. Dans les réacteurs à eau sous pression de 900 et 1300MWe courants à l'heure actuelle, un rapport d1/d2 de l'ordre de 1/2 donne en général de bons résultats. Jusqu'à cette valeur en effet, le gain sur le bilan neutronique de marge d'arrêt du réacteur augmente de façon approximativement linéaire avec dl. Au-delà, le gain augmente nettement moins vite que l'ajout de matériau fortement absorbant, ce qui est proba- blement dû à ce que l'effet favorable du déplacement du maximum axial de flux vers le haut du réacteur à faible puissance fait moins sentir ses effets. On voit donc que l'on peut améliorer notablement le bilan de sécurité au prix de modifications réduites, puisque seule la nature d'une fraction du matériau contenu dans les gaines est modifiée, et cela sans grever notablement l'économie neutronique en fonctionnement normal du réacteur. REVENDICATIONS 1. Grappe de commande pour réacteur nucléaire, utili- sable pour la régulation de puissance et le suivi de charge, comprenant une araignée (10) à laquelle sont suspendus des crayons (14, 16) contenant un matériau d'absorption des neutrons, caractérisée en ce que, dans certains au moins des crayons, le matériau est constitué à la partie inférieure du crayon par de l'acier inoxydable et, à la partie supérieure du crayon, sur une fraction comprise entre 20 et 40% de la hauteur de matériau absorbant, d'au moins un matériau présentant une absorption neutronique parasite largement supérieure à celle de l'acier inoxydable. 2. Grappe de commande selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le matériau à la partie supérieure du crayon est constitué par un alliage ternaire d'argent, d'indium et de cadmium, contenant éventuellement des traces d'autres éléments à titre d'impuretés inévitables. 3. Grappe selon la revendication 2, caractérisée en ce que les autres crayons contiennent uniquement un alliage ternaire d'argent, d'indium et de cadmium, et des traces d'autres éléments à titre d'impuretés inévitables. 4. Grappe selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la fraction de hauteur est d'environ un tiers. 5. Grappe selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que l'alliage ternaire est remplacé, dans une fraction haute de ladite partie supérieure, par du carbure de bore. 6. Grappe selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite fraction haute est d'environ 30/130. 7. Grappe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte huit crayons régulièrement répartis contenant un matériau à forte absorption neutronique et seize crayons contenant de l'acier inoxydable à leur partie inférieure et d'au moins un matériau fortement absorbant à la partie supérieure. 8. Réacteur nucléaire à eau sous pression, comportant d'une part des grappes "noires" ayant une forte absorption neutronique et d'autre part des grappes "grises" ayant une absorption neutronique plus faible, dont certaines sont insérées en dernier dans le coeur du réacteur lors d'une réduction de puissance, caractérisé en ce que lesdites grappes insérées en dernier sont conformes à l'une quelcon- que des revendications précédentes.