Brevet FR3013886A1 — publié le 20150529

Réacteur nucléaire comportant des barres et des grappes de commande La présente invention concerne un réacteur nucléaire comportant des barres et des grappes de commande. Plus particulièrement, l'invention concerne un réacteur nucléaire qui comporte des grappes de commande comportant des barres de commande étendues munies chacune d'une tige de commande et d'une pluralité de crayons absorbants associés à chacune de celles-ci. En fait l'invention cherche à concevoir un réacteur nucléaire de ce type, dans lequel le pilotage du coeur du réacteur puisse être réalisé sans bore soluble dans le circuit primaire de celui-ci. On conçoit alors que ceci nécessite d'augmenter l'anti-réactivité des grappes de commande. Or, les mécanismes de contrôle de ces grappes de commande, situés sur le couvercle de la cuve du réacteur, sont plus encombrants radialement qu'un seul assemblage. Ils sont donc répartis de façon à ce qu'environ un assemblage sur deux soit équipé d'une grappe et en particulier d'une tige ou barre de commande. Cependant ceci limite le nombre de barres de commande susceptibles d'être insérées dans le coeur du réacteur et donc l'anti-réactivité totale de ces barres de commande classiques. En effet, l'état de la technique qui fait référence dans ce domaine est le système à grappes de commande. Pour parvenir à piloter le coeur du réacteur nucléaire sans bore, de nombreuses variantes de conception sont apparues. Ainsi l'une des solutions consiste à changer la composition des barres de commande de façon à ce qu'elles soient plus anti-réactives sans changer leur conception initiale. Mais là encore, cette solution semble ne pas fournir suffisamment d'anti-réactivité pour pouvoir se passer du bore soluble. Une autre possibilité est d'augmenter le nombre d'aiguilles ou de crayons absorbants sur chaque barre ou grappe de commande. Cependant, cette solution a également ses limites car l'anti-réactivité supplémentaire qu'elle permet n'est pas très élevée et elle nécessite une adaptation de la puissance ou de la taille du coeur du réacteur. Une autre solution encore proposée dans l'état de la technique, consiste à ajouter des barres de commande qui ne sont pilotées par aucun mécanisme mais uniquement par le débit primaire du réacteur. Une autre solution envisagée également pour augmenter l'anti-réactivité des barres de commande consiste à augmenter le nombre de mécanismes de commande. Ceci est notamment possible de deux façons : - 1) soit en diminuant la pression primaire du réacteur, ce qui limite les contraintes mécaniques sur les mécanismes de contrôle et en augmentant la taille des assemblages. C'est notamment le cas sur toute la filière des réacteurs à eau bouillante. Mais cette option n'est pas envisageable sur les réacteurs à eau pressurisée sans conduire à une reconception importante de l'assemblage et à une forte diminution des performances du réacteur ; - 2) soit en utilisant des mécanismes de contrôle des barres de commande hydrauliques qui sont directement intégrés dans la cuve du réacteur et le circuit primaire. Le fait qu'il n'y a dans ce cas pas à tenir la pression permet de les faire beaucoup plus compacts et donc de pouvoir disposer d'un mécanisme par assemblage. Cependant cette technologie n'est pas encore mûre, ni qualifiée auprès des autorités de sûreté nucléaire. Elle nécessite encore un travail de recherche et de développement très important et ne pourra pas être disponible rapidement tout en se traduisant par une complexité accrue et un surcoût très important. Le but de l'invention est donc de chercher à résoudre ces problèmes en proposant un moyen de couvrir un plus grand nombre d'assemblages combustible avec des barres de commande afin d'augmenter l'anti-réactivité totale des barres malgré la limitation sur le nombre de mécanismes. A cet effet, l'invention a pour objet un réacteur nucléaire du type comportant des assemblages combustibles associés à des moyens de contrôle de leur réactivité comportant une combinaison de tiges de commande associées à une pluralité de crayons absorbants et centrées entre des assemblages. Suivant d'autres caractéristiques du réacteur selon l'invention, prises seules ou en combinaison : - les crayons associés présentent chacun une extrémité de fixation, reliées ensemble à une tige de fixation commune adaptée pour être emmanchée et bloquée dans un évidement de liaison correspondant prévu à l'extrémité de la tige de commande ; - l'extrémité correspondante de la tige de commande comporte une semelle de fixation de la tige de fixation des crayons ; - la semelle de fixation comporte plusieurs évidements de réception de tiges de fixation correspondantes de plusieurs groupes de crayons associés ; - la semelle de fixation comporte au moins deux évidements diamétralement opposés ; - la semelle de fixation comporte quatre évidements disposés à 90° les uns par rapport aux autres ; - la semelle de fixation présente la forme générale d'une croix dont chaque branche comporte un évidement ; - le ou chaque évidement de la tige de commande comporte des moyens formant mors de fixation par serrage de la tige de fixation dans l'évidement de liaison ; - la semelle de fixation est fixée par vissage à l'extrémité de la tige de commande ; - l'extrémité de la tige de commande présente une forme générale tronconique adaptée pour s'engager dans un trou de forme complémentaire de la semelle et cette extrémité de la tige est filetée et s'étend au-delà de la semelle et est adaptée pour recevoir des moyens formant écrou de serrage de la semelle sur la tige ; - il comporte des assemblages combustibles de section carrée placés les uns à côté des autres et dont au moins certains sont associés à des grappes de commande et en ce que chaque tige de commande de grappe est centrée entre quatre assemblages adjacents formant un groupe d'assemblages ; - chaque tige de commande comporte quatre ensembles de crayons absorbants associés chacun à l'un des assemblages adjacents du groupe d'assemblages ; - chaque ensemble de crayons absorbants couvre un demi-assemblage ; - au moins certains assemblages combustibles sont intégrés dans deux groupes d'assemblages adjacents du réacteur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en perspective de côté d'un exemple de réalisation d'une grappe de commande entrant dans la constitution d'un réacteur de l'invention, - la figure 2 représente une vue en perspective de côté d'une telle grappe de commande, - la figure 3 représente une vue de détail illustrant la fixation de crayons absorbants sur une tige de commande dans une telle grappe, - la figure 4 représente une vue de dessus d'une semelle entrant dans la constitution d'une telle grappe, - la figure 5 représente une vue de dessous de cette semelle, - les figures 6, 7, 8, 9 et 10 illustrent le montage de crayons et d'une semelle entrant dans la composition d'une telle grappe, - les figures 11 et 12 illustrent respectivement un assemblage et la répartition sur quatre assemblages d'une barre de commande entrant dans la constitution d'un réacteur selon l'invention, - la figure 13 illustre schématiquement les assemblages d'un coeur entrant dans la constitution d'un réacteur selon l'invention, - la figure 14 illustre l'implantation de moyens de contrôle de la réactivité des assemblages entrant dans la constitution d'un réacteur selon l'invention, - les figures 15 et 16 illustrent schématiquement une variante d'implantation de moyens de contrôle de la réactivité des assemblages entrant dans la constitution d'un réacteur selon l'invention, et - les figures 17, 18 et 19 représentent des vues de dessus illustrant schématiquement des exemples de réalisation d'écrans entrant dans la constitution de la variante de réalisation illustrée sur les figures 15 et 16. L'invention se rapporte effectivement à un réacteur nucléaire comportant des grappes de commande. Une grappe désignée par la référence générale 1 est ainsi représentée sur les figures 1 à 5. De façon classique, chaque grappe de commande comporte une tige de commande désignée par la référence générale 2, associée à des pluralités de crayons absorbants associés. L'une de ces pluralités de crayons est désignée par la référence générale 3 par exemple sur ces figures. En fait dans le réacteur selon l'invention, les crayons associés de chaque pluralité, présentent chacun une extrémité de fixation. Ces extrémités de fixation sont alors reliées ensemble à une tige de fixation commune des crayons de la pluralité, sur la tige de commande. En fait ces extrémités de fixation sont reliées au niveau d'une tige de fixation, adaptée pour être emmanchée et bloquée par exemple par serrage dans un évidement de liaison prévu à l'extrémité de la tige de commande 2. Ainsi, par exemple et comme cela est illustré sur ces figures, on peut constater que les crayons associés tels que par exemple le crayon désigné par la référence générale 4, présentent une extrémité de fixation 5 reliée à une tige de fixation 6, commune aux crayons de la pluralité de crayons correspondante, et qui est adaptée pour être emmanchée et bloquée par exemple par serrage, dans un évidement prévu à l'extrémité de la tige de commande 2. Dans l'exemple illustré, l'extrémité correspondante de la tige de commande 2 comporte une semelle 7 de fixation des tiges de fixation des extrémités des crayons associés des pluralités. En fait, cette semelle de fixation 7 peut comporter plusieurs évidements de réception de plusieurs tiges de fixation correspondantes de plusieurs groupes ou pluralités de crayons associés. Ainsi par exemple, cette semelle de fixation 7 comporte au moins deux évidements diamétralement opposés et dans l'exemple de réalisation illustré, cette semelle de fixation 7 comporte quatre évidements disposés à 90° les uns par rapport aux autres autour de la tige de commande. La semelle présente en fait par exemple la forme générale d'une croix dont chaque branche comporte un évidement de réception d'une tige de fixation d'une pluralité correspondante de crayons. Ainsi et comme on peut le voir plus clairement sur les figures 6, 7 et 8, le ou chaque évidement de la semelle de la tige de commande comporte des moyens formant mors de fixation par serrage de la tige de fixation dans l'évidement correspondant. Ainsi par exemple, la semelle 7 comporte dans l'une de ses branches, par exemple 8, un évidement muni de moyens formant mors de serrage 9, de réception et de blocage par serrage, de l'extrémité 6 de fixation correspondante des crayons de la pluralité concernée. Ceci permet alors d'engager ensemble les différentes tiges de fixation des différentes pluralités de crayons absorbants associés dans les évidements correspondant de la semelle et d'assurer la fixation de ceux-ci en même temps. La disposition des crayons les uns par rapport aux autres visible en particulier sur la figure 5, sera décrite plus en détails par la suite. On notera simplement que ceux-ci sont adaptés pour être insérés dans les assemblages du coeur. De plus et comme cela est illustré par exemple sur la figure 6, l'extrémité de la tige de commande 2 peut présenter une forme générale tronconique désignée par la référence générale 10 sur cette figure, et être adaptée pour s'engager dans un trou de forme complémentaire du centre de la semelle. L'extrémité de la tige de commande 2 peut alors être filetée et s'étendre au-delà de la semelle 7, pour recevoir et coopérer avec des moyens formant écrou de serrage de la semelle 7 sur la tige de commande 2. Dans l'exemple illustré sur cette figure 6, deux écrous formant l'un l'écrou et l'autre contre-écrou, désignés par la référence générale 11, sont en effet engagés sur une portion d'extrémité filetée 12 de la tige de commande. Une rondelle 13 peut également être utilisée entre les moyens formant écrous de serrage et la semelle. Le fonctionnement des moyens formant mors de serrage de fixation de la tige de fixation des crayons d'une pluralité dans un évidement de la semelle est illustré sur les figures 7 à 10. On remarque en effet à la lumière de ces figures que les tiges de fixation des extrémités des crayons des différentes pluralités peuvent être engagées dans les évidements correspondants de la semelle. Puis les moyens formant mors de serrage sont vissés afin de bloquer par serrage ces tiges dans les évidements et solidariser les crayons à la tige de commande. Une telle structure présente un certain nombre d'avantages. En effet, elle permet de limiter le volume de matière, le nombre de pièces utilisées et l'encombrement général de l'ensemble et donc de ne pas trop perturber ou bloquer l'écoulement primaire du réacteur. Ce choix limite également les contraintes thermo-hydrauliques et les instabilités induites sur la semelle. Les liaisons tiges de fixation/semelle/tige de commande doivent être démontables, afin d'autoriser une mise en place des grappes de contrôle dans un logement au sein des assemblages combustibles avant de les lier à la tige du mécanisme de commande à travers la semelle. Cette liaison à encastrement et serrage par vissage est réalisée à travers un contact conique maintenu en position grâce à un système d'écrou et de contre-écrou en appui sur une rondelle par exemple. Ceci supprime entièrement tout risque de desserrage de l'ensemble et résout ainsi la problématique de chute intempestive d'une pièce quelconque dans le coeur du réacteur. Il permet également d'autoriser un certain jeu fonctionnel permettant d'ajouter un certain degré de souplesse dans la liaison. Ceci permet également d'obtenir un positionnement précis (bonne coaxialité des éléments assemblés) ainsi qu'un meilleur coefficient de frottement au niveau des zones d'adhérence entre pièces. Les figures 7 à 9 et 10 illustrent par exemple la cinématique d'approche des tiges de fixation des crayons et de la semelle de la tige de commande. On notera également que la fixation par les moyens formant mors de serrage, permet d'insérer les grappes de contrôle par le bas, et d'effectuer le serrage et le maintien en position par serrage par le haut. Cette opération peut donc être réalisée manuellement et à distance, de façon rapide et simple à l'aide par exemple d'un outil de serrage de grande longueur comme par exemple de plusieurs mètres de long. Enfin, elle permet également de fixer les grappes de commande une à une sans déformation de la semelle. Par ailleurs, une telle solution minimise également les risques de corps migrants en supprimant les pièces mobiles susceptibles de se détacher et donc de tomber dans le coeur. Ainsi la liaison qui utilise le double écrou permet d'éviter que ceux-ci ne se desserrent et ne se détachent. Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés, cette liaison pouvant également être soudée ou autre pour exclure toute possibilité de rupture de celle-ci. L'utilisation de moyens formant mors de serrage permet également d'éviter toute chute de pièce. Ainsi, chaque barre de commande est décomposée en plusieurs sous-ensembles ce qui en simplifie la conception et le montage. Ceci permet alors de couvrir l'ensemble des assemblages du coeur avec des barres de commande étendues. Un tel assemblage est représenté sur la figure 11 et désigné par la référence générale 20. En fait, le coeur du réacteur peut comporter des assemblages combustibles de section carrée placés les uns à côté des autres, comme cela est illustré sur la figure 12, les assemblages étant désignés par les références générales 21, 22, 23 et 24, pour former des groupes d'assemblages. Ces groupes d'assemblages sont alors disposés les uns à côté des autres pour former le coeur du réacteur comme illustré sur les figures 13 et 14. Chaque tige de commande correspondante d'une grappe est alors centrée entre quatre assemblages adjacents formant un groupe d'assemblage comme cela est illustré sur la figure 12. Cette disposition est reconduite pour les autres groupes et assemblages comme cela est illustré sur les figures 13 et 14. L'axe de la ou de chaque tige de commande, par exemple schématisé et désigné par la référence générale 25 sur cette figure 12, est alors centré entre les quatre assemblages 21, 22, 23 et 24 formant le groupe d'assemblage 26. Ainsi, et comme illustré sur la figure 13, on peut couvrir l'ensemble des assemblages du coeur avec des barres de commande étendues couvrant la surface de deux assemblages. Ceci permet alors de fournir l'anti-réactivité nécessaire pour piloter le coeur sans utiliser de bore soluble. Mais contrairement aux autres systèmes de barres de commande étendues, dans le réacteur selon l'invention, chaque barre étendue est constituée de quatre quarts de barre, répartis dans différents assemblages adjacents. Ceci explique la disposition particulière des crayons évoquée notamment en regard de la figure 5. Ces quatre morceaux de barre sont ensuite assemblés de façon à n'être piloté que par un seul mécanisme de barre de commande. Dans cette configuration, chaque barre a la même taille qu'un mécanisme de contrôle de barre de commande et il est donc possible de piloter chaque barre individuellement. Si chaque assemblage contient deux quarts de barre, on peut ainsi couvrir l'ensemble du coeur. Ceci est par exemple illustré sur la figure 13 qui montre un exemple de coeur de 76 assemblages utilisant ce principe. On peut ainsi montrer que pour respecter les symétries du coeur, il est nécessaire d'utiliser une géométrie ayant un nombre pair d'assemblages. Ainsi, dans un réacteur selon l'invention, on propose de concevoir un nouvel élément modulaire de barres de commande couvrant la moitié d'un assemblage. Cet élément modulaire de barres peut être similaire à une barre classique coupée en deux, c'est-à-dire prendre la même répartition et la même composition (mais sur seulement par exemple douze crayons) ou être différente (plus de crayons, composition différente, etc.). Ensuite, on assemble ces modules élémentaires pour constituer des barres plus grosses à l'aide d'un dispositif décrit ci-dessus. Sur les assemblages situés au centre du coeur, on assemble quatre modules élémentaires de barre de façon à obtenir une barre de commande étendue qui couvre deux fois la surface d'un assemblage. Mais il est également possible de n'assembler que deux ou trois éléments de façon à avoir des géométries adaptées aux assemblages par exemple au bord du coeur comme cela est illustré la figure 13. En fait et comme cela a été indiqué chaque tige de commande peut comporter quatre ensembles de crayons absorbants associés chacun à l'un des assemblages adjacents du groupe d'assemblages comme illustré. Chaque ensemble de crayons absorbants peut alors couvrir un demi-assemblage et au moins certains assemblages combustibles sont intégrés dans deux groupes d'assemblages adjacents du réacteur. Une fois assemblées, ces barres de commande étendues sont pilotées par des mécanismes de contrôle classique. Lors des opérations de rechargement, cette solution permet de charger les assemblages dans le coeur avec leurs deux éléments de barres de commande et donc d'éviter tout problème de criticité. Puis, l'assemblage des éléments de barres de commande a lieu lorsque les barres sont insérées dans le coeur. L'opération d'insertion par l'extérieur des barres étendues, qui serait problématique avec des structures classiques, n'est donc plus critique. C'est une solution qui présente également l'avantage d'être relativement peu coûteuse puisqu'elle ne nécessite que quelques éléments mécaniques supplémentaires. On peut également envisager que les assemblages combustibles du coeur soient associés à des moyens de contrôle de leur réactivité, qui comportent une combinaison de tiges de commande étendues telles que décrites précédemment, associées à des pluralités de crayons absorbants et centrées entre les assemblages et d'écrans absorbants en croix placés entre des assemblages. Ceci est par exemple illustré sur la figure 14, où l'on peut voir par exemple que des assemblages tels que par exemple les assemblages 30, 31, 32 et 33, sont associés à une combinaison d'une tige de commande, telle que décrite précédemment et associée à des pluralités de crayons absorbants, dont l'axe est centré entre les assemblages comme décrit précédemment, et d'écrans absorbants en croix placés entre ces assemblages et d'autres assemblages comme par exemple les écrans désignés par les références 34 et 35 sur cette figure 14. Chaque écran en croix peut par exemple être réalisé au moins en partie en Hafnium. Bien entendu d'autres matériaux et d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés. Ainsi par exemple on peut également imaginer que chaque écran soit réalisé en partie en carbure de bore, en acier... Les grappes de commande et les écrans absorbants sont quant à eux par exemple répartis de façon symétrique dans le réacteur comme cela est illustré. De même, on peut voir que les grappes de commande et les écrans peuvent être disposés de façon alternée selon les diagonales du réacteur. Dans le cas de la configuration illustrée sur la figure 14, les barres de commande étendues peuvent être utilisées par exemple pour assurer le pilotage du réacteur, et les écrans en croix peuvent quant-à-eux, être utilisés pour l'arrêt d'urgence et l'arrêt froid de celui-ci. Ceci permet également une certaine diversification des moyens de commande. D'autres modes de réalisation et d'autres modes d'association peuvent encore être envisagés pour ces écrans. Ainsi par exemple et comme cela est représenté sur les figures 15 à 19, les écrans peuvent également être réalisés avec une section de forme carrée c'est-à-dire comportant quatre plaques latérales et s'engageant autour d'assemblages. Ainsi par exemple sur les figures 15 et 16, on reconnaît des assemblages, comme par exemple les assemblages 40 et 41, et des écrans absorbants tels que les écrans désignés par les références 42 et 43, comme cela est visible sur la figure 15 en particulier. De façon plus détaillée et comme cela est illustré sur les figures 17, 18 et 19, différentes formes de réalisation de ces écrans peuvent être envisagées. Sur ces figures, l'assemblage correspondant est désigné par la référence 50 et l'écran par la référence 51. Celui-ci comporte alors par exemple quatre plaques 52, 53, 54 et 55 constituant des plaques latérales d'un écran réalisé alors sous une forme ou une section carrée et qui est adapté pour s'engager autour de l'assemblage, c'est-à-dire pour s'étendre autour de celui-ci au lieu de s'étendre en croix entre des assemblages comme dans le mode de réalisation décrit précédemment. Comme cela est illustré sur les figures 18 et 19, ces plaques peuvent alors être reliées à des moyens de manoeuvre communs, désignés par les références générales 56 et 57 respectivement sur les figures 18 et 19. En fait ces moyens de manoeuvre peuvent comporter une barre centrale de manoeuvre désignée par la référence générale 58 à partir de laquelle s'étendent des bras de fixation latéraux unique ou multiples pour chaque plaque, comme cela est illustré sur ces figures 18 et 19. Ainsi un bras de fixation unique entre la plaque et la barre centrale peut être envisagé comme cela est illustré sur la figure 18 ou plusieurs bras de fixation de chaque plaque peuvent également être envisagés comme illustré sur la figure 19. Bien entendu d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés.5 REVENDICATIONS1.- Réacteur nucléaire du type comportant des assemblages combustibles associés à des moyens de contrôle de leur réactivité comportant une combinaison de tiges de commande (2) associées à une pluralité de crayons absorbants (3) et centrées entre des assemblages. 2.- Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les crayons associés (4) présentent chacun une extrémité de fixation (5), reliées ensemble à une tige de fixation commune (6) adaptée pour être emmanchée et bloquée dans un évidement de liaison correspondant (7) prévu à l'extrémité de la tige de commande (2). 3.- Réacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité correspondante (10) de la tige de commande (2) comporte une semelle de fixation (7) de la tige de fixation (6) des crayons. 4.- Réacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la semelle de fixation (7) comporte plusieurs évidements de réception de tiges de fixation (6) correspondantes de plusieurs groupes de crayons associés. 5. Réacteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la semelle de fixation (7) comporte au moins deux évidements diamétralement opposés. 6.- Réacteur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la semelle de fixation (7) comporte quatre évidements disposés à 90°les uns par rapport aux autres. 7.- Réacteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la semelle de fixation (7) présente la forme générale d'une croix dont chaque branche (8) comporte un évidement (7). 8.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque évidement (7) de la tige de commande (2) comporte des moyens (9) formant mors de fixation par serrage de la tige de fixation (6) dans l'évidement de liaison. 9.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la semelle de fixation (7) est fixée par vissage à l'extrémité de la tige de commande (2). 10.- Réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'extrémité de la tige de commande (2) présente une forme générale tronconique (10) adaptée pour s'engager dans un trou de forme complémentaire de la semelle (7) et en ce que cette extrémité (12) de la tige est filetée et s'étend au-delà de la semelle (7) et est adaptée pour recevoir des moyens formant écrou de serrage (11) de la semelle sur la tige. 11.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des assemblages combustibles de section carrée placés les uns à côté des autres (21, 22, 23, 24) et dont au moins certains sont associés à des grappes de commande et en ce que chaque tige de commande de grappe est centrée (en 25) entre quatre assemblages adjacents formant un groupe d'assemblages (26). 12.- Réacteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque tige de commande comporte quatre ensembles de crayons absorbants associés chacun à l'un des assemblages adjacents du groupe d'assemblages. 13.- Réacteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque ensemble de crayons absorbants couvre un demi-assemblage. 14.- Réacteur selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'au moins certains assemblages combustibles sont intégrés dans deux groupes d'assemblages adjacents du réacteur.