Brevet FR2741185A1 — publié le 19970516

I Tube de guidage de barres de commande Cette invention concerne d'une manière générale les tubes de guidages de barres de commande, et elle a plus particulièrement trait à un tube de guidage de barres de commande capable de réduire les vibrations d'une pluralité de barres de commande qu'il contient, lequel tube de guidage de barres de commande est approprié à une utilisation dans des cuves de réacteur nucléaire à eau pressurisée. Bien que l'on connaisse dans la technique antérieure des dispositifs pour réduire les vibrations des barres de commande, on a observé que ces dispositifs de l'art antérieur présentaient certaines limitations. Il est toutefois nécessaire, pour apprécier ces limitations, de faire certains rappels sur la structure et le fonctionnement d'une cuve de réacteur nucléaire à eau pressurisée typique et de ses tubes de guidage de barres de commande associés. A cet égard, une cuve de réacteur nucléaire est un dispositif permettant de produire de la chaleur par fission contrôlée d'un maté- riau fissile produisant des neutrons, contenu dans des assemblages combustibles. Plusieurs assemblages combustibles sont regroupés dans la cuve du réacteur pour y définir un coeur de réacteur nucléaire. Un liquide caloporteur et modérateur sous pression est mis en circulation dans la cuve et à travers les assemblages combustibles pour aider au processus de fission et pour emporter la chaleur produite par la fission du matériau fissile contenu dans les assemblages combustibles. Toutefois, les neutrons produits par la réaction de fission dans le coeur du réacteur doivent être maîtrisés de manière appropriée pour des raisons de sécurité. Par conséquent, la cuve contient une pluralité de tubes de guidage de barres de commande, chaque tube de guidage étant aligné verticalement avec son assemblage combustible associé. Le tube de guidage des barres de commande contient une pluralité de barres de commande mobiles, appartenant à une grappe de barres de commande. Chaque grappe de barres de commande peut être déplacée par coulissement de sorte que les barres de commande appar- tenant à la grappe de barres de commande peuvent être introduites ou ressorties par coulissement dans chaque assemblage combustible afin de commander la réaction de fission. En outre, dans chaque tube de guidage sont disposées une pluralité de plaques de guidage comportant une pluralité de trous que vont traverser en coulissant les barres de commande respectives, de sorte que les barres de commande sont convenablement guidées et supportées latéralement par les plaques de guidage. Comme précédemment mentionné, le liquide caloporteur et modérateur circule en montant dans chaque assemblage combustible, poursuit son trajet montant et pénètre dans le tube de guidage associé à cet assemblage combustible. Le liquide caloporteur et modérateur est autorisé à sortir du tube de guidage par une pluralité d'orifices percés dans les côtés du tube de guidage. Une fois sorti du tube de guidage, le caloporteur sort de la cuve du réacteur et s'écoule vers un généra- teur de vapeur pour former de la vapeur qui, au bout du compte, produit de l'électricité d'une manière bien connue dans la technique. Le demandeur a toutefois remarqué que lorsque le caloporteur entre dans le tube de guidage pour s'y écouler vers le haut, une partie de ce caloporteur produit un écoulement turbulent qui fait vibrer les barres de commande. Ceci parce que, lorsque le caloporteur monte à l'intérieur du tube de guidage, une partie de ce caloporteur change de direction pour s'écouler par les orifices traversant le tube de guidage, ce qui provoque un écoulement turbulent dans le tube. Cette partie du caloporteur va sortir par l'orifice à cause du gradient de pression existant entre l'intérieur et l'extérieur du tube de guidage. De plus, quand le caloporteur heurte les plaques de guidage à l'intérieur du tube de guidage, il change de direction en provoquant encore un écoulement turbulent à l'intérieur du tube de guidage, ce qui fait vibrer encore les barres de commande. De surcroît, une plaque d'alignement qui ferme l'extrémité supérieure du tube de guidage conduit à une turbulence supplémentaire dans le tube de guidage puisque le caloporteur heurte la plaque d'alignement et change de direction pour sortir par l'orifice, ce qui résulte encore en une vibration supplémentaire des barres de commande. En d'autres termes, quand le caloporteur change de direc- tion, il frappe les barres de commande à une vitesse suffisante pour les faire vibrer. Cette vibration est indésirable car elle peut finalement provoquer une usure des barres de commande contre une ou plusieurs des plaques de guidage qu'elles traversent de façon coulissante. Cette usure peut éventuellement interférer avec la capacité des barres de commande à coulisser convenablement dans les trous des plaques de guidage et donc avec la capacité des barres de commande à maîtriser convenablement la réaction de fission. Par conséquent, un problème à résoudre dans ce domaine est de réduire les vibrations des barres de commande pour empêcher l'usure de ces barres. Des dispositifs permettant de réduire les vibrations des barres de commande sont connus. Le brevet US n 4 584 168, intitulé "System for Controlling Destructive Vibration of a Nuclear Control Rod" et délivré le 22 avril 1986 au nom de Franck J. Formanck, décrit un tube de guidage comprenant un tube de plaque tubulaire contenant une barre de commande entourée d'un tube intérieur monté dans le tube de plaque tubulaire. Le tube intérieur décrit dans ce brevet est étroitement emboîté autour de la barre de commande. Des liaisons annexes entre les extrémités supérieure et inférieure du tube intérieur servent à diriger le caloporteur afin de maîtriser les vibrations de la barre de commande. Bien que ce brevet divulgue un tube de guidage capable de maîtriser les vibrations d'une barre de commande qu'il contient, ce brevet a besoin de liaisons annexes pour diriger le calo- porteur. Il semble que ces liaisons annexes du dispositif de Formanck peuvent donner lieu à la possible existence au moins de pièces libres qui migrent dans la cuve du réacteur, lesquelles pièces libres peuvent endommager les composants internes de la cuve si les liaisons annexes se détachent du tube intérieur. Cela est indésirable tant du point de vue économique que du point de vue de la sécurité. Par conséquent, un objet de la présente invention est de proposer un tube de guidage de barres de commande capable de réduire convenablement les vibrations d'une pluralité de barres de commande qu'il contient. La présente invention propose donc un tube de guidage de barres de commande capable de réduire les vibrations d'une pluralité de barres de commande qu'il contient. Ce tube de guidage comprend une enveloppe qui entoure les barres de commande. Cette enveloppe présente une ouverture d'entrée située en face d'un trou formé dans la plaque de coeur supérieure, lequel trou est traversé par le caloporteur de la cuve de réacteur. Le caloporteur est capable d'induire des vibra- tions des barres de commande quand il traverse ce trou et pénètre dans l'enveloppe par l'ouverture. L'ouverture de l'enveloppe est située à une distance prédéterminée au-dessus du trou afin de définir un intervalle entre l'ouverture et le trou, de sorte qu'une première partie prédétermi- née du caloporteur s'écoule sur le côté, par l'intervalle, en évitant l'ouverture. L'enveloppe a aussi la partie inférieure de sa paroi latérale qui est percée par un orifice situé près de l'ouverture en vue de la sortie d'une deuxième partie prédéterminée de caloporteur hors de l'enveloppe. Les vibrations des barres de commande sont réduites car la première partie prédéterminée de caloporteur évite l'ouverture d'entrée et la deuxième partie prédéterminée de caloporteur sort par l'orifice. Dans son aspect général, la présente invention est un tube de guidage de barres de commande à utiliser dans une cuve de pression contenant une plaque qui définit un trou permettant à un fluide de traverser, ce tube étant apte à réduire les vibrations d'une barre de commande qu'il contient et comprenant une enveloppe qui entoure la barre de commande et comporte une ouverture d'entrée disposée en face du trou afin de recevoir le fluide s'écoulant à travers le trou, ce fluide étant capable d'induire des vibrations de la barre de commande quand il pénètre par l'ouverture dans l'enveloppe, l'ouverture étant située à une distance prédéterminée au-dessus du trou pour définir un intervalle entre l'ouverture et le trou de sorte qu'une première partie prédéterminée du fluide s'écoule par l'intervalle et évite l'ouverture, l'enveloppe ayant sa partie inférieure percée par un orifice situé près de l'ouverture en vue de la sortie d'une deuxième partie prédéterminée de fluide hors de l'enveloppe, les vibrations des barres de commande étant ainsi réduites car la première partie prédéterminée de fluide évite l'ouverture d'entrée et la deuxième partie prédéterminée de fluide sort par l'orifice. Ce tube de guidage est en outre caractérisé par une plaque de guidage disposée dans l'enveloppe et comportant un trou destiné à recevoir et guider la barre de commande à travers l'enveloppe. Une caractéristique de la présente invention est la présence de longs goujons qui relient l'enveloppe à une plaque de coeur supé- rieure placée dans la cuve du réacteur et la présence d'une bride traversée par un trou qui entoure la partie inférieure de l'enveloppe, un support allongé partant de cette bride et venant en prise avec la plaque de coeur supérieure de sorte qu'un intervalle est défini entre la plaque de coeur supérieure et l'enveloppe. Un avantage de la présente invention est que l'écoulement turbulent du fluide à l'intérieur de l'enveloppe est réduit pour réduire les vibrations des barres de commande. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente inven- tion, ainsi que d'autres, apparaîtront clairement à l'homme du métier s'il se reporte à la description détaillée suivante, prise en liaison avec les dessins dans lesquels sont représentées et décrites des formes de réalisation illustratives de la présente invention. Dans ces dessins: la figure 1 montre une vue en élévation partielle d'une cuve de réacteur nucléaire à eau pressurisée classique, dont on a retiré des composants par souci de clarté, une pluralité de tubes de guidage des barres de commande étant montée dans la cuve de pression sur une plaque de coeur supérieure, la figure 2 est une vue en élévation partielle d'un tube de guidage avec une ouverture d'entrée et une pluralité d'orifices formés dans sa partie inférieure, près de l'ouverture d'entrée, la figure 3 est une vue en élévation partielle de la partie infé- rieure du tube de guidage, la figure 4A est une vue en coupe suivant la ligne 4A-4A de la figure 3, et la figure 4B est une vue en coupe suivant la ligne 4B-4B de la figure 3. Si on se reporte à la figure 1, on y voit représentée une cuve de réacteur nucléaire à eau pressurisée classique, globalement dési- gnée par 10. La cuve 10 comprend une enceinte 20 ouverte en son extrémité supérieure et comportant une pluralité de tubulures d'entrée et de tubulures de sortie 40 qui lui sont fixées (une seule tubulure de chaque sorte est représentée). Un couvercle 50 est monté au-dessus de l'enceinte 20 en étant fixé de manière étanche à l'enceinte 20 par une pluralité de goujons 55. Toujours en référence à la figure 1, la cuve 10 contient une pluralité d'assemblages combustibles 60 contenant du matériau fissile capable de produire de la chaleur en émettant des neutrons de fission. Plusieurs mécanismes 70 d'entraînement des barres de commande pénètrent dans le haut du couvercle 50, chaque mécanisme 70 compre- nant une pluralité de barres de commande allongées et coulissantes 80 (voir la Fig. 3). Chaque barre de commande 80 contient un matériau absorbeur destiné à absorber les neutrons précédemment mentionnés afin de commander convenablement la réaction de fission se produi- sant dans les assemblages combustibles 60. Si on se reporte de nouveau à la figure 1, une plaque supé- rieure de coeur 90, orientée horizontalement, est disposée dans la cuve 10 et comporte une pluralité de trous transversaux 100. Les trous 100 permettent le passage du caloporteur du réacteur qui monte à travers eux et permettent aussi le passage des barres de commande 80 entrant et sortant de l'assemblage combustible 60. De plus, une plaque supé- rieure de support 110 est située à une certaine distance au-dessus de la plaque supérieure de coeur 90 et est traversée par une pluralité de trous pour les raisons décrites ici. Une pluralité de tubes de guidage allongés, globalement désignés par 130, sont interposés entre la plaque supérieure de coeur 90 et la plaque supérieure de support 110 pour guider les barres de commande 80 verticalement dans et hors de l'assemblage combustible 60. C'est-à-dire que chaque tube de guidage est coaxialement aligné avec son assemblage combustible 60 correspondant, de sorte que les barres de commande 80 peuvent entrer et sortir de l'assemblage combustible 60 pour commander la réaction de fission dans ce dernier. Si on se reporte aux figures 2, 3, 4A et 4B, le tube de guida- ge 130 comprend une enveloppe 140, allongée et globalement tubulai- re, orientée verticalement, qui entoure les barres de commande 80. L'enveloppe 140 a une ouverture d'entrée 150 en sa partie 160 d'extrémité inférieure pour recevoir le caloporteur s'écoulant vers le haut par le trou 100 et pour permettre le déplacement des barres de commande 80 par l'ouverture 150. Pour des raisons exposées ci- dessous, l'ouverture d'entrée 150 est située à une distance prédétermi- née au-dessus de la plaque supérieure de coeur 90 afin de définir un intervalle 155 entre elles. Une bride annulaire 165, qui s'étend vers l'extérieur et est traversée par une pluralité de goujons 170 à ressort à lame, entoure la partie d'extrémité inférieure 160. Chaque goujon 170 s'engage de manière appariée dans un trou de vis associé 180 formé dans la plaque supérieure de coeur 90, pour fixer l'enveloppe 140 à la plaque supérieure de coeur 90. La bride 165 comporte en outre deux supports 185 qui descendent en contact avec la plaque supérieure de coeur 90 pour supporter le poids de l'enveloppe 140 sur la plaque supé- rieure de coeur 90. De cette manière, les supports 185 supportent sensi- blement tout le poids de l'enveloppe 140 et, par conséquent, les goujons 170 ne supportent pas tout le poids de l'enveloppe 140. On réduit ainsi le risque de voir les goujons 170 se plier ou se fracturer sous le poids de l'enveloppe 140. En outre, la partie d'extrémité infé- rieure 160 est percée par une pluralité d'orifices de forme rectangulai- re, 175a et 175b, servant à faire sortir le caloporteur de l'enveloppe 140. L'orifice situé le plus bas 175a et l'orifice situé le plus haut 175b ont chacun une section prédéterminée de 107,42 cm2 (16,65 pouces carrés) et un centre situé à une distance prédéterminée d'environ 219,20 mm et 384,3 mm respectivement (environ 8,63 pouces et 15,13 pouces respectivement) au-dessus de la plaque supérieure de coeur 90, pour les raisons décrites ci-après. En outre, l'ouverture d'entrée 150 est coaxialement alignée avec le trou 100 pour permettre à une partie prédéterminée du caloporteur s'écoulant par le trou 100 de pénétrer par l'ouverture d'entrée 150 dans l'enveloppe 140. L'enveloppe 140 a en outre une partie d'extrémité supérieure 190 placée dans le trou 120 précédemment mentionné de la plaque supérieure de support 110 pour supporter latéralement la partie d'extrémité supérieure 190 de l'enveloppe 140. Il peut y avoir au total huit orifices 175a et 175b équidistants et alignés horizontalement sur le pourtour de l'enveloppe 140. Une pluralité de fentes 220 sont également formées autour de l'enveloppe 140 pour des raisons décrites ci-dessous. Comme on le voit mieux sur la figure 4B, une pluralité de plaques de guidage 200, espacées, coaxialement alignées et orientées horizontalement, sont disposées dans l'enveloppe 140, chaque plaque de guidage 200 ayant un bord qui épouse globalement la forme de la surface intérieure de l'enveloppe 140. De plus, une pluralité de broches espacées 210 sont en prise avec le bord de chaque plaque de guidage 200, chaque broche 210 étant dimensionnée pour s'emboîter dans l'encoche 220 correspondante afin de fixer chaque plaque de guidage à l'enveloppe 140. Chaque plaque de guidage 200 est égale- ment traversée par une pluralité de trous 230 destinés à recevoir par coulissement les barres de commande 80 respectives, afin de guider les barres de commande 80 à travers l'enveloppe 140 et dans l'assemblage combustible 60. De plus, chaque plaque de guidage 200 est traversée transversalement par une pluralité de passages d'écoulement 240 permettant au caloporteur de traverser la plaque de guidage 200. La plaque de guidage 200 comporte en outre une ouverture centrale 250 destinée au passage d'un ensemble formant l'araignée des barres de commande (non représenté), couplé aux barres de commande 80 ainsi qu'au passage du caloporteur à travers la plaque de guidage 200. Lorsque la cuve de réacteur 10 est en fonctionnement, le liquide caloporteur et modérateur pénètre par la tubulure d'entrée 30 pour s'écouler vers le haut à travers les trous 100 formés dans la plaque supérieure de coeur 90. Quand le caloporteur traverse les trous , il s'écoule en direction de l'ouverture d'entrée 150. Cependant, une première partie prédéterminée (environ 20% en volume) de ce caloporteur s'écoule sur le côté par l'intervalle 155 et évite ainsi l'ouverture d'entrée 150, comme représenté par les flèches sur la figure 3. La quantité de caloporteur qui évite l'ouverture d'entrée 150 n'est donc pas disponible pour provoquer un écoulement turbulent dans l'enveloppe 140, qui conduirait sans cela à une vibration indésirable des barres de commande 80. La partie restante du caloporteur pénètre dans l'enveloppe 140 pour s'y écouler vers le haut. Toutefois, une deuxième partie prédéterminée (environ 80% en volume) de ce calo- porteur va immédiatement sortir par les orifices 175a/175b quand ce caloporteur restant passe dans l'enveloppe 140. Le caloporteur qui sort par les orifices 175a/175b n'est donc pas disponible non plus pour provoquer un écoulement turbulent dans l'enveloppe 140, qui condui- rait aussi sans cela à une vibration indésirable des barres de comman- de 80. Tout le caloporteur restant continue à monter dans l'enveloppe et rencontre la plaque d'alignement qui recouvre l'enveloppe 140. Le courant de caloporteur change alors de direction pour s'écouler vers le bas et sortir par les orifices 175a/175b. Bien qu'une certaine turbu- lence puisse ce produire dans l'enveloppe 140 lorsque le caloporteur s'y écoule en montant, cette turbulence, si elle existe, est néanmoins réduite de manière significative du fait de la taille de l'intervalle 155 et du fait de la taille et de l'emplacement des orifices 175a/175b. A titre d'exemple non limitatif, l'enveloppe 140 peut avoir une longueur totale d'environ 244 cm (96 pouces) afin d'entourer entièrement la longueur des barres de commande 80 lorsque ces barres de commande 80 sont rentrées dans l'enveloppe 140. Chaque orifice 175 de forme rectangulaire peut avoir une superficie d'environ 421,64 mm2 (environ 16,6 pouces carrés) pour permettre au liquide calo- porteur de sortir de l'enveloppe 140. L'orifice situé le plus bas 175a a son centre situé à une distance prédéterminée d'environ 219,20 mm (environ 8,63 pouces) au-dessus de la surface supérieure de la plaque de coeur supérieure 90. L'orifice situé le plus haut 175a a son centre situé à une distance prédéterminée d'environ 384,3 mm (environ 15,13 pouces) au-dessus de la surface supérieure de la plaque de coeur supé- rieure 90. L'ouverture d'entrée 150 est située entre environ 20,32 et ,4 mm (entre environ 0,80 et 1,0 pouces) au-dessus de la surface supérieure de la plaque de coeur supérieure 90 afin de définir un inter- O10 valle 155 relativement grand pour permettre à la quantité souhaitée de caloporteur d'éviter l'ouverture d'entrée 150. Ainsi, on comprendra que le choix du demandeur de placer l'ouverture d'entrée 150 à une hauteur prédéterminée au-dessus de la surface supérieure de la plaque de coeur supérieure 90 définit un inter- valle 155 relativement grand qui permet à une partie prédéterminée du caloporteur (environ 20% en volume) d'éviter l'ouverture d'entrée 150. Moins de caloporteur entrant par l'ouverture 150 correspond à moins de caloporteur entrant dans l'enveloppe 140, et donc à moins d'écoule- ment turbulent dans l'enveloppe 140. Moins d'écoulement turbulent dans l'enveloppe 140 se traduit par moins de vibrations des barres de commande 80. On remarquera dans la discussion qui précède que le fait de placer des orifices 175a/175b dans la partie inférieure de l'enveloppe 140 fait que davantage de caloporteur quitte l'enveloppe 140, plus tôt que si on place les orifices 175a/175b dans la partie intermédiaire ou dans la partie supérieure de l'enveloppe 140 comme dans les précédentes conceptions de tubes de guidage. Cela fait qu'il y a moins de caloporteur disponible pour provoquer des vibrations des barres de commande 80. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des varian- tes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. Il peut par exemple y avoir un nombre supplémen- taire d'orifices percés dans la longueur de l'enveloppe 140 pour permettre à davantage de caloporteur encore de sortir de l'enveloppe afin de réduire les vibrations des barres de commande 80. Par conséquent, il a été proposé par la présente invention un tube de guidage des barres de commande capable de réduire les vibra- tions de la pluralité de barres de commande qu'il contient, lequel tube de guidage des barres de commande peut être utilisé dans des cuves de réacteur nucléaire à eau pressurisée. REVENDICATIONS 1. Tube de guidage (130) de barres de commande à utiliser dans une cuve de pression (10) contenant une plaque (90) qui définit un trou (100) permettant à un fluide de traverser, ledit tube étant apte à réduire les vibrations d'une barre de commande (80) qu'il contient, caractérisé par une enveloppe (140) qui entoure la barre de commande et comporte une ouverture d'entrée (150) disposée en face du trou afin de recevoir le fluide s'écoulant à travers le trou, ce fluide étant capa- ble d'induire des vibrations de la barre de commande quand ce fluide pénètre par l'ouverture dans l'enveloppe, l'ouverture étant située à une distance prédéterminée au-dessus du trou pour définir un intervalle (155) entre l'ouverture et le trou de sorte qu'une première partie prédé- terminée du fluide s'écoule par l'intervalle et évite l'ouverture, ladite enveloppe ayant sa partie inférieure percée par un orifice situé près de l'ouverture en vue de la sortie d'une deuxième partie prédéterminée de fluide hors de ladite enveloppe, les vibrations des barres de commande étant ainsi réduites car la première partie prédéterminée de fluide évite l'ouverture d'entrée et la deuxième partie prédéterminée de fluide sort par l'orifice. 2. Tube de guidage selon la revendication 1, caractérisé en outre par une plaque de guidage (200) disposée dans ladite enveloppe, ladite plaque de guidage définissant un trou (230) pour recevoir le barre de commande et guider la barre de commande à travers ladite enveloppe. 3. Tube de guidage selon la revendication 1, caractérisé en outre par: (a) une bride (165) qui entoure la partie inférieure de ladite enveloppe, ladite bride étant traversée par un trou, et (b) un goujon (170) qui s'étend à travers le trou de ladite bride et se met en prise avec la plaque supérieure du coeur pour fixer ladite enveloppe à la plaque supérieure du coeur. 4. Tube de guidage selon la revendication 3, caractérisé en outre par un support (185) qui descend de ladite bride et vient en prise avec la plaque de coeur supérieure pour supporter ladite enveloppe sur la plaque supérieure du coeur.