Brevet FR2741186A1 — publié le 19970516

AIGUILLE ABSORBANTE POUR BARRE DE CONTROLE DE REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES. DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne une aiguille absorbante destinée à être utilisée dans une barre de contrôle de réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par un métal liquide. Etat de la technique Dans les réacteurs nucléaires, le pilotage et l'arrêt de la réaction de fission qui se produit dans le coeur du réacteur sont assurés par des barres de contrôle, également appelées barres absorbantes. Dans le cas particulier des réacteurs nucléaires à neutrons rapides, les barres de contrôle sont disséminées parmi les assemblages de combustible nucléaire formant le coeur du réacteur, sous la forme d'assemblages absorbants. Comme le décrit notamment le document FR-A2 570 214, chacun des assemblages absorbants qui équipent les réacteurs nucléaires à neutrons rapides comprend un fourreau vertical fixe dans lequel peut se déplacer un ensemble mobile constitué principalement d'un faisceau d'aiguilles absorbantes. Chacune des aiguilles absorbantes comprend une gaine métallique allongée, dans laquelle est logée, avec un jeu radial important, un empilement de pastilles en un matériau absorbant les neutrons. Ce matériau est habituellement constitué de carbure de bore enrichi en 10B Le carbure de bore étant une céramique, les pastilles sont obtenues par frittage sous charge, à haute température (plus de 2000"C) de poudres fines (taille de grains inférieure à 5 Wm). Lors de l'exploitation normale des réacteurs, le carbure de bore augmente de volume et se fracture du fait de l'absorption neutronique et des diverses contraintes mécaniques qui en découlent (fort gradient thermique, formation d'hélium induisant un gonflement important) . Ce phénomène est pris en compte dans la conception des aiguilles absorbantes, sous la forme du jeu radial important prévu entre les pastilles et la gaine métallique. Le comblement de ce jeu constitue le critère de fin de vie des barres de contrôle, puisqu'une interaction mécanique forte entre les pastilles et la gaine conduirait à la rupture de cette dernière.Le gonflement des pastilles constitue cependant un facteur limitant la durée de vie des barres de contrôle puisque le remplacement de celles-ci intervient actuellement alors que seul environ 30 % du 10B contenu dans le carbure de bore est épuisé. Compte tenu de cette observation, il a été proposé dans le document FR-A-2 570 214, déjà cité, de réaliser l'empilement de pastilles sous la forme de deux groupes de pastilles différentes placés bout-à-bout. Pour tenir compte du fait qu'en fonctionnement la partie basse des aiguilles absorbantes est le plus souvent située dans la zone médiane du coeur, de sorte qu'elle est soumise au flux neutronique le plus important et se dégrade plus rapidement, on réalise les pastilles du groupe inférieur en carbure de bore présentant une moindre concentration en 10B que celles du groupe supérieur. Ainsi, l'enrichissement en 10B du carbure de bore formant les pastilles du groupe inférieur n'est, par exemple, que d'environ 48 i, alors qu'il est d'environ 90 % pour les pastilles formant le groupe supérieur. Par ailleurs, il est aussi proposé dans le document FR-A-2 570 214 de réduire le diamètre des pastilles formant le groupe inférieur et de placer ces pastilles dans un fin tube métallique susceptible de contenir les fragments après la fracturation des pastilles. Par rapport à des aiguilles absorbantes contenant des empilements de pastilles présentant toutes un enrichissement en 10B d'environ 90 %, des aiguilles absorbantes ainsi réalisées permettent d'accroître sensiblement la durée de vie de la barre de contrôle, ce qui constitue un avantage économique appréciable. Cependant, que les pastilles formant l'empilement de l'aiguille absorbante soient toutes d'un même type ou de deux types différents, elles présentent toujours toutes une même densité d'environ 96 % de la densité maximale théorique. La fabrication par frittage de toutes les pastilles contenues dans les aiguilles doit donc se faire impérativement sous charge, ce qui rend cette fabrication particulièrement coûteuse. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet une aiguille absorbante dont la conception originale lui permette de présenter une durée de vie et une efficacité au moins égales à celles de l'aiguille décrite dans le document FR-A- 2 570 214, mais dont la fabrication soit sensiblement moins coûteuse et la durée de vie prévisible augmentée. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'une aiguille absorbante pour barre de contrôle de réacteur nucléaire à neutrons rapides, comprenant une gaine métallique et un empilement de pastilles en un matériau absorbant les neutrons incluant au moins deux groupes de pastilles différentes, placés bout à bout dans la gaine avec un jeu radial prédéterminé, caractérisée par le fait que le matériau formant les pastilles a une densité plus élevée dans un groupe supérieur de pastilles que dans un groupe inférieur de pastilles. L'invention ainsi définie met à profit des études conduites par le demandeur, qui ont montré qu'une diminution de la densité du carbure de bore avait pour effet de retarder de façon significative le début du gonflement des pastilles, sans que la vitesse de gonflement soit sensiblement modifiée. Etant donné qu'il est beaucoup moins coûteux d'élaborer des pastilles de faible densité, que de forte densité (les conditions de température sont moins extrêmes et donc moins coûteuses), on augmente ainsi la durée de vie des barres de contrôle tout en réduisant leur coût de fabrication, sans que leur efficacité soit réduite. Selon une forme de réalisation préférentielle de l'invention, la densité du matériau formant les pastilles du groupe inférieur est comprise entre environ 80 % et environ 90 % de la densité maximale théorique de ce matériau, et de préférence égale à environ 84 % de cette densité maximale théorique. Au contraire, la densité du matériau formant les pastilles du groupe supérieur est supérieure à 90 % de cette densité maximale théorique et, de préférence, égale à environ 96 % de cette dernière. Avantageusement, les caractéristiques de l'invention sont combinées à celles qui sont décrites dans le document FR-A-2 570 214. Ainsi, le matériau formant les pastilles a une concentration en isotope à forte section efficace d'absorption des neutrons plus élevée dans le groupe supérieur que dans le groupe inférieur. De façon plus précise, le matériau formant les pastilles du groupe inférieur présente avantageusement une concentration d'environ 55 % en isotope à forte section efficace d'absorption des neutrons alors que le matériau formant les pastilles du groupe supérieur présente une concentration d'environ 90 % en cet isotope. Dans ce dernier cas, l'empilement de pastilles peut aussi comprendre un groupe intermédiaire formé de pastilles réalisées dans un matériau de densité et de concentration intermédiaires entre celles des matériaux formant les pastilles des groupes inférieur et supérieur. Dans la forme de réalisation préférentielle de l'invention, le matériau absorbant les neutrons est du carbure de bore enrichi en 10B, à forte section efficace d'absorption des neutrons. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes de réalisation préférentielles de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale partielle qui représente de façon schématique une aiguille absorbante selon une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale comparable à la figure 1, illustrant une deuxième forme de réalisation de l'invention ;; - la figure 3 représente le gonflement volumique (en %) du carbure de bore en fonction du nombre de captures des neutrons (en 1020 captures/cm3) dans le cas de carbure de bore dont la densité est égale à 96 % de la densité maximale théorique (en traits discontinus) et dans le cas de carbure de bore dont la densité est égale à 84 % de la densité maximale théorique (en trait plein) - la figure 4 représente l'évolution du nombre de captures (en 1020 captures/cm3) en fonction de la cote (en cm) prise à partir de l'extrémité inférieure de l'aiguille absorbante, dans le cas d'une aiguille comportant un seul type de pastilles (en pointillés-courbe I), dans le cas d'une aiguille comparable à celle qui est décrite dans le document FR-A-2 570 214 (en traits mixtes-courbe II) et dans le cas des aiguilles illustrés sur les figures 1 (en trait plein-courbe III) et 2 (en traits tiretés-courbe IV) ; et - la figure 5 représente, avec les mêmes notations l'évolution du gonflement volumique (en %) des pastilles en fonction de la cote (en cm) à partir de l'extrémité inférieure d'une aiguille absorbante, dans les quatre cas envisagés sur la figure 4. Exposé détaillé de deux formes de réalisation Dans les deux formes de réalisation illustrées respectivement sur les figure 1 et 2, l'aiguille absorbante conforme à l'invention comprend de façon connue une gaine métallique allongée 10, réalisée par exemple en acier. Les extrémités (non représentées) de la gaine 10 sont munies d'évents poreux permettant d'une part la circulation du métal liquide de refroidissement du coeur dans la gaine et d'autre part l'évacuation des gaz relâchés par le matériau absorbant (hélium dans le cas du carbure de bore) et résultant des réactions de captures neutroniques. La partie active de chacune des aiguilles absorbantes est constituée par un empilement de pastilles 12 monté avec un jeu radial 13 prédéterminé à l'intérieur de la gaine 10. Ces pastilles 12 sont réalisées en un matériau absorbant les neutrons, habituellement constitué par du carbure de bore. Etant donné que le bore contenu dans le carbure de bore est constitué de deux isotopes, le bore 10 et le bore 11 dont seul le premier est un absorbant neutronique, les exigences neutroniques imposent d'enrichir le carbure de bore en bore 10, puisque le bore naturel n'en contient qu'environ 20 %. Par ailleurs, étant donné que le carbure de bore est une céramique, les pastilles 12 sont obtenues, comme on l'a déjà indiqué, par frittage de poudres fines (taille de grains inférieure à 5 um) à haute température (plus de 2000"C) . Il est à noter qu'une simple modification des conditions de frittage (température et pression) permet d'obtenir des matériaux de densités variables, entre 70 % et près de 100 % de la densité maximale théorique. Il est à noter également que le procédé de frittage ne permet cependant pas d'obtenir un corps totalement dense à des coûts réalistes. Par conséquent, il existe toujours une porosité résiduelle fixée à environ 4 % dans les matériaux utilisés habituellement. Pour compléter la description générale des aiguilles absorbantes, on observe également sur les figures 1 et 2 que chacun des empilements de pastilles 12 est logé dans une chemise tubulaire 14, perforée ou non. Lors de la fabrication des aiguilles, le jeu existant entre les pastilles 12 et la chemise tubulaire 14 est juste suffisant pour permettre le montage des pastilles. En revanche, il existe alors entre la chemise 14 et la gaine 10 le jeu radial 13 dont le comblement détermine la durée de vie de la barre de contrôle à laquelle appartient l'aiguille absorbante. La chemise 14 a pour principale fonction de retenir les morceaux de carbure de bore lorsque les pastilles 12 se fragmentent. Un espace ménagé en partie supérieure contient un ressort permettant le maintien de la colonne de pastilles en cas de transitoires brutaux (chute des barres lors des arrêts d'urgence par exemple). Conformément à l'invention, les pastilles 12 comprennent au moins deux types de pastilles différentes, définissant au moins deux groupes de pastilles placés bout-à-bout à l'intérieur de la gaine 10. De plus, les pastilles des différents groupes se distinguent les unes des autres au moins par le fait que les pastilles du groupe inférieur ont une densité plus faible que les pastilles du groupe supérieur. Ainsi, dans la première forme de réalisation de l'invention illustrée sur la figure 1, l'empilement de pastilles 12 comprend deux groupes de pastilles constituant un groupe supérieur 16 et un groupe inférieur 18. Le groupe supérieur 16 est formé de pastilles identiques 12a dont l'enrichissement et la densité sont traditionnels. Plus précisément, ces pastilles 12a sont formées de carbure de bore enrichi à environ 90 % en bore 10 et leur densité est supérieure à 90 % de la densité maximale théorique. En revanche, le groupe inférieur 18 est formé de pastilles identiques 12b dont l'enrichissement et la densité sont inférieurs à ceux des pastilles 12a. Plus précisément, les pastilles 12b du groupe inférieur 18 sont réalisées en carbure de bore enrichi à environ 55 % en bore 10 et dont la densité est comprise entre environ 80 % et environ 90 % de la densité maximale théorique. A titre d'exemple, la densité de ces pastilles 12b est d'environ 84 % de la densité maximale théorique. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 2, l'empilement de pastilles 12 comprend trois groupes différents de pastilles incluant un groupe supérieur 16, un groupe inférieur 18 et un groupe intermédiaire 20. Dans chacun de ces trois groupes, les pastilles sont identiques. En revanche, les pastilles sont différentes d'un groupe à l'autre. Dans cette deuxième forme de réalisation de l'invention, les groupes supérieur 16 et inférieur 18 sont formés de pastilles 12a et 12b identiques aux pastilles 12a et 12b des groupes portant les mêmes références dans la première forme de réalisation. Le groupe intermédiaire 20 est formé de pastilles 12c de carbure de bore dont l'enrichissement en bore 10 est de 76 % environ et dont la densité est comprise entre 80 % et 90 % de la densité maximale théorique. La densité de ces pastilles 12c peut notamment être sensiblement égale à 84 % de la densité maximale théorique, comme celle des pastilles 12b du groupe inférieur 18. Conformément à l'invention, la réduction de la densité du matériau formant les pastilles 12b et, éventuellement, 12c situées dans la partie inférieure de l'aiguille absorbante permet, à taux d'irradiation égal, d'allonger la durée de vie de l'aiguille en retardant le début du gonflement dans la partie basse de celle-ci, soumise à l'irradiation la plus intense. Cet accroissement de la durée de vie s'accompagne d'une réduction du coût de fabrication puisqu'il est beaucoup moins coûteux de réaliser des pastilles de faible densité. En outre, il est à noter que l'efficacité globale de l'aiguille reste par ailleurs inchangée. En ce qui concerne l'effet de la réduction de la densité des pastilles sur le gonflement sous irradiation, on se référera à la figure 3. Sur cette figure, la courbe A, en traits discontinus, représente l'évolution du gonflement volumique (en %) d'un carbure de bore dont la densité est égale à environ 96 % de la densité maximale théorique, en fonction du nombre de captures des neutrons (en 1020 captures/cm3). La courbe B, illustrée en trait plein représente l'évolution du gonflement volumique d'un carbure de bore dont la densité est égale à environ 84 % de la densité maximale théorique, en fonction du nombre de captures des neutrons (en 1020 captures/cm3). La comparaison des courbes A et B de la figure 3 montre clairement que le gonflement du carbure de bore est retardé lorsque la densité diminue. Plus précisément, le carbure de bore de densité 84 % ne commence à gonfler significativement que pour des nombres de captures supérieurs à environ 5.1021 captures/cm3.Au-delà, sa vitesse de gonflement est similaire à celle du carbure de bore de densité 96 %. Dans les deux cas, cette vitesse de gonflement est d'environ 0,16 % en volume par 1020 captures/cm3. Sur la base de ces résultats, des simulations ont été effectuées afin de comparer le comportement des aiguilles conformes à l'invention, décrites précédemment en se référant aux figures 1 et 2, à celui des aiguilles existantes, en ce qui concerne leur efficacité globale et en ce qui concerne leur durée de vie. Plus précisément, ces simulations ont été effectuées sur quatre types d'aiguilles absorbantes, dont les caractéristiques sont données dans le tableau 1. TABLEAU 1 Type d'aiguille cote axiale (an) enrich. densité de a 9 10B type I-1 seul type de 0 110 90 96 pastilles type II-2 types de 0 35 48 96 pastilles (2 enrich. densité) 35 110 90 96 type III-2 types de 0 35 55 84 pastilles (2 enrich. 2 densités) 35 110 90 96 type IV-3 types de 0 20 55 84 pastilles (3 enrich. 2 densités) 20 48 76 84 48 110 90 96 Les aiguilles du type I sont formées d'un seul type de pastilles, présentant toutes une efficacité maximale. Les aiguilles du type Il sont comparables à celles qui sont décrites dans le document FR-A-2 570 214. Elles sont formées de deux types de pastilles, qui ont toutes la même densité relative. Les aiguilles de type III correspondent à celles qui ont été décrites précédemment en se référant à la figure 1. Enfin, les aiguilles du type IV correspondent à celles qui ont été décrites en se référant à la figure 2. Les figures 4 et 5 donnent les résultats des simulations effectuées sur ces quatre types d'aiguilles absorbantes, pour une durée d'irradiation fictive d'environ 350 jepp dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides tel que le réacteur expérimental français Phénix. Sur la figure 4, on a représenté le nombre de captures des neutrons (en 1020 captures/cm3), pour la durée d'irradiation précitée, en fonction de la cote de l'aiguille (en cm), prise à partir du bas de celle-ci. Les courbes I;II;III et IV correspondent respectivement aux cas des aiguilles de type I, de type II, de type III et de type IV. Dans le cas des aiguilles de type I le profil axial de nombre de captures décroît approximativement de façon exponentielle à mesure que l'on s'éloigne du bas de la barre absorbante. Dans le cas des aiguilles de type II, une discontinuité apparaît à la côte 35 cm, qui provient du changement d'enrichissement à cette cote. I1 est à noter que la diminution d'efficacité en partie basse garantit, malgré tout, le pilotage et l'arrêt du réacteur. Du point de vue de l'efficacité, illustré par la figure 4, les aiguilles de type III ne se distinguent pas des aiguilles du type II, cela s'explique par le fait qu'elles ont été conçues pour avoir la même efficacité locale d'absorption neutronique. En revanche, les aiguilles de type IV présentent deux discontinuités, aux côtes 20 cm et 48 cm, de sorte que leur efficacité locale d'absorption neutronique est différente de celle des aiguilles de types II et III, dans leurs parties centrales. L'efficacité globale de l'aiguille est cependant identique à celle des aiguilles de types II et III. Sur la figure 5, on a représenté le gonflement volumique (en !), toujours pour la même durée d'irradiation fictive, en fonction de la cote de l'aiguille (en cm) prise à partir du bas. Comme sur la figure 4, les références I, II, III et IV désignent respectivement les courbes obtenues par simulation, c'est-à-dire le gonflement prévisible, pour les aiguilles de type I, de type II, de type III et de type IV. Dans le cas d'une aiguille de type I, le gonflement en pied de barre absorbante est très élevé (environ 40 % en volume). Un tel gonflement est supérieur au comblement du jeu pastilles-gaine, et donc au-delà du critère de fin de vie. Dans les trois autres cas (aiguilles de types II, III et IV), le gonflement calculé est inférieur à 25 % en volume. Dans le cas des aiguilles selon l'invention (types III et IV), des performances supérieures à celles des aiguilles de type II sont obtenues. Ainsi, le gonflement de l'aiguille de type III est limité à moins de 15 % en partie basse. Dans le cas des aiguilles de type IV, le gonflement est même réduit à moins de 18 % sur la hauteur totale de l'aiguille. Les simulations illustrées par les courbes des figures 4 et 5 confirment donc que les aiguilles selon l'invention permettent d'augmenter la durée d'utilisation des barres absorbantes sans en diminuer 1 'efficacité. REVENDICATIONS 1. Aiguille absorbante pour barre de contrôle de réacteur nucléaire à neutrons rapides, comprenant une gaine métallique (10) et un empilement de pastilles (12) en un matériau absorbant les neutrons incluant au moins deux groupes (16,18,20) de pastilles différentes (12a,12b,12c), placés bout à bout dans la gaine avec un jeu radial prédéterminé, caractérisée par le fait que le matériau formant les pastilles (12) a une densité plus élevée dans un groupe supérieur (16) de pastilles que dans un groupe inférieur (18) de pastilles. 2. Aiguille absorbante selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la densité du matériau formant les pastilles (12b) du groupe inférieur (18) est comprise entre environ 80 E et environ 90 % de la densité maximale théorique de ce matériau, alors que la densité du matériau formant les pastilles (12a) du groupe supérieur (16) est supérieure à 90 % de cette densité maximale théorique. 3. Aiguille absorbante selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le matériau formant les pastilles (12) a une concentration en isotope à forte section efficace d'absorption des neutrons plus élevée dans le groupe supérieur (16) que dans le groupe inférieur (18). 4. Aiguille absorbante selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le matériau formant les pastilles (12b) du groupe inférieur (18) présente une concentration d'environ 55 % en isotope à forte section efficace d'absorption des neutrons, alors que le matériau formant les pastilles (12a) du groupe supérieur (16) présente une concentration d'environ 90 e en cet isotope. 5. Aiguille absorbante selon la revendication 4, caractérisée par le fait que l'empilement de pastilles (12) comprend un groupe intermédiaire (20) formé de pastilles (12c) réalisées dans un matériau de densité et de concentration intermédiaires entre celles des matériaux formant les pastilles des groupes inférieur et supérieur. 6. Aiguille absorbante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le matériau absorbant les neutrons est du carbure de bore enrichi en 10B, à forte section efficace d'absorption des neutrons.