Brevet FR3030099A1 — publié le 20160617

Réacteur nucléaire à eau pressurisée La présente invention concerne un réacteur nucléaire à eau pressurisée. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un tel réacteur comportant un coeur comprenant un assemblage de combustible nucléaire intégrant des crayons contenant du poison consommable permettant de réduire la variation de réactivité du coeur au cours d'un cycle de fonctionnement. Dans ce type d'applications on cherche à aplatir le plus possible la courbe de réactivité d'un coeur pour qu'elle soit la plus proche possible d'une courbe de réactivité idéale. En effet une courbe de réactivité typique d'un combustible nucléaire de réacteur à eau pressurisée, montre que la réactivité du combustible décroît de façon quasi linéaire au fur et à mesure de son utilisation. Si on introduit du poison consommable dans le combustible, ce poison consommable va réduire la réactivité du coeur en début de vie. Typiquement ceci se présente sous la forme de pastilles d'UO2 avec une certaine teneur en absorbant neutronique comme le gadolinium (Gd) sous la forme de Gd203 ou l'Erbium. Puis au cours de l'irradiation du coeur, ce poison va être consommé de sorte que l'anti-réactivité qu'il apporte va décroître et la réactivité va tendre vers ce qu'elle aurait été sans poison consommable (mais légèrement inférieure, la différence étant ce qu'on appelle la pénalité résiduelle). Cette courbe de réactivité du combustible est très importante pour le pilotage du coeur. En effet pour produire de l'énergie, il faut que la réactivité du coeur soit toujours nulle (ou aussi proche que possible de zéro). En première approximation on peut considérer que la réactivité du coeur est égale à la réactivité moyenne de ses assemblages moins les fuites neutroniques. Suivant le mode de pilotage du coeur, on utilise alors différents moyens pour faire en sorte que la courbe de réactivité du coeur suive une forme idéale. On trouve ainsi : - un pilotage avec bore soluble. Dans ce cas, on ajuste la concentration en bore dans le circuit primaire pour que la réactivité du combustible soit égale aux fuites (donc la réactivité coeur nulle) pour toutes les combustions. Le bore est en effet un absorbant neutronique qui va consommer la réactivité supplémentaire. 3030099 2 un pilotage sans bore soluble. Des barres de commande du coeur sont alors insérées dans celui-ci de façon à ce que la réactivité de ce coeur soit nulle. Néanmoins l'insertion de ces barres de commande dans le coeur pose plusieurs problèmes. Notamment cette insertion déforme fortement la nappe 5 de puissance et conduit à des points chauds qui sont très pénalisants du point de vue de la sûreté de fonctionnement du coeur. De plus cela augmente les risques liés à l'éjection de grappes, au retrait incontrôlé de grappes ou de groupes, etc... L'utilisation de poison consommable dans du combustible nucléaire vise alors à 10 réduire ces deux inconvénients (soit baisser la concentration en bore lorsqu'on pilote avec du bore soit limiter l'insertion des barres de commande lorsqu'on pilote sans bore). Les dispositions de poison consommable fixes dans les assemblages de combustible nucléaire les plus couramment utilisées dans les coeurs sont des arrangements que l'on appelle dans la suite de la présente description des arrangements 15 de type homogène. Cela veut dire que les crayons contenant des absorbants neutroniques sont répartis de façon homogène, c'est-à-dire de façon à être le plus étalés possible dans l'assemblage. Ce type de configuration de ces crayons est bien connu et utilisé dans l'état de la 20 technique. Son principal avantage et la raison qui pousse à écarter de cette façon les crayons absorbants, est de limiter le facteur de forme dans l'assemblage. Le facteur de forme mesure les hétérogénéités de puissance dans l'assemblage du réacteur. 25 Il est défini comme le rapport entre la puissance linéique maximale dans l'assemblage et la puissance linéique moyenne. Ce point est très important vis-à-vis de la sûreté de fonctionnement du coeur car les problèmes de crise d'ébullition (perte de refroidissement) peuvent arriver au point « le plus chaud », c'est-à-dire avec la plus forte puissance linéique. 30 En effet le fait de disposer les crayons de façon homogène dans l'assemblage fait que le flux est globalement homogène dans l'assemblage, et donc la puissance aussi, ce qui réduit le facteur de forme et est donc favorable pour la sûreté de fonctionnement du réacteur. Dans ce type de configuration, on peut optimiser principalement deux paramètres, 35 à savoir : 3030099 3 - le nombre de crayons absorbants. Ce paramètre va directement influencer l'antiréactivité en début de vie, - La teneur en Gd203 des crayons empoisonnés. Ce paramètre va influencer le taux de combustion à partir duquel le poison n'aura pratiquement plus d'anti-réactivité. 5 Plus la teneur est élevée plus le « pic Gadolinium » aura lieu tard dans l'irradiation. En effet, on observe notamment que l'utilisation de poison consommable conduit souvent à un pic Gadolinium, qui correspond au moment où la réactivité est maximale lorsque le Gadolinium est pratiquement entièrement consommé. Ceci est très pénalisant pour une gestion par rechargement complet du coeur 10 (100% du combustible neuf) piloté sans bore, car cela signifie que la réactivité très élevée au moment du pic Gadolinium doit être compensée par des barres de commande, ce que l'on souhaite limiter. Ce type de configuration est donc très limité pour une gestion par rechargement complet. 15 Pour une gestion par moitié (50% de combustible neuf et 50% de combustible usé) le problème est différent. En effet, la réactivité du coeur est alors la moyenne entre la réactivité du combustible neuf, qui est donc dans la partie croissante de réactivité, avant le pic Gadolinium, et la réactivité du combustible usé, qui est dans la partie décroissante de la 20 réactivité, après le pic Gadolinium. Il est alors possible d'optimiser le combustible pour que ces deux effets se compensent et que la réactivité globale du coeur soit quasiment constante. Pour une gestion par rechargement complet par contre, le pic Gadolinium fait que la réactivité est beaucoup trop élevée au-dessus des fuites. 25 Quel que soit le nombre de crayons Gd insérés, il y aura toujours un moment où la réactivité maximale sera au moins égale à celle du pic Gadolinium. Un moyen pour limiter l'impact du pic serait d'augmenter la teneur en Gd203 pour retarder le pic Gadolinium et faire en sorte qu'il arrive en même temps que la fin de l'irradiation. 30 Mais pour des raisons de sûreté de fonctionnement, il n'est pas possible d'augmenter la teneur en Gd203 à des valeurs trop élevées. En effet le Gadolinium réduit la conductivité thermique du combustible ce qui accroît le risque de fusion des pastilles. Ce risque est maîtrisable notamment en réduisant l'enrichissement des crayons gadoliniés. 35 Mais cela pose plusieurs types de problèmes et aucun procédé de fabrication n'est qualifié à l'heure actuelle pour des teneurs plus élevées que 9%. 3030099 4 Il n'est donc pas possible de retarder le pic Gadolinium au-delà de 20 000 MWj/t avec ce type de poison consommable sans avoir à qualifier par irradiation en réacteur (ce qui est long et coûteux) des teneurs en Gadolinium de l'ordre de 10 ou 12%. De plus le gain pour ces teneurs resterait limité. 5 On a également proposé d'autres arrangements de poison consommable dans l'assemblage, à savoir des arrangements hétérogènes. On en a proposé de deux types, à savoir les arrangements hétérogènes intérieurs dans lesquels les crayons contenant du poison consommable sont tous rassemblés au centre de l'assemblage et les arrangements hétérogènes extérieurs dans lesquels les 10 crayons contenant du poison consommable sont tous situés sur les bords extérieurs de l'assemblage. Ce type d'arrangement a pour avantage de fortement lisser la courbe de réactivité du combustible. En effet comme les crayons situés sur la rangée extérieure du groupement de 15 poisons vont absorber la quasi-totalité du flux en début de vie, les crayons situés au centre ne vont pas être consommés durant le début de l'irradiation. Ce n'est que lorsque la combustion moyenne de l'assemblage est suffisamment élevée pour avoir consommé le Gadolinium des couches extérieures, que les crayons du centre commencent à être consommés. 20 Ceci présente l'avantage de conserver une anti-réactivité durant plus de 20 000 MWj/t, même avec une teneur en Gadolinium standard à 8%. C'est ce que l'on appelle de I'autoprotection spatiale. Ainsi il peut être possible d'optimiser la courbe de réactivité du combustible. L'inconvénient de ces types d'arrangements est par contre qu'ils augmentent 25 significativement le facteur de forme de l'assemblage. En effet le flux et donc la puissance sont massivement repoussés dans les régions de l'assemblage où il n'y a pas de crayons empoisonnés, créant ainsi des points chauds. Le facteur de forme de l'assemblage est alors de l'ordre de 20 à 30% au lieu de 10% pour des arrangements homogènes. 30 Néanmoins cet inconvénient peut être tout-à-fait acceptable s'il fournit un avantage supérieur sur le pilotage du coeur (réduction du facteur de forme du coeur de 20%). On observe cependant que le phénomène d'autoprotection spatiale fonctionne bien et permet de conserver une anti-réactivité significative jusqu'à 30 GWj/t. Néanmoins en début de vie, l'anti-réactivité fournie par le poison consommable 35 n'est pas suffisante et conduit à une réactivité initiale assez élevée ce qui est pénalisant. 3030099 5 Ainsi pour lisser encore la courbe de réactivité, il faudrait ajouter de l'anti-réactivité en début de vie qui disparaîtrait assez rapidement pour devenir quasiment nulle vers 1520 GWj/t, soit exactement la courbe d'anti-réactivité fournie par des crayons gadoliniés insérés seuls au milieu du réseau de crayons combustibles de façon homogène. 5 Le but de l'invention est donc de proposer une solution à ce problème. A cet effet l'invention a pour objet un réacteur nucléaire à eau pressurisée comportant un coeur comprenant un assemblage de combustible nucléaire intégrant des crayons contenant du poison consommable permettant de réduire la variation de réactivité du coeur au cours d'un cycle de fonctionnement, caractérisé en ce que les crayons 10 contenant du poison consommable sont agencés de façon mixte et comprennent des crayons collés les uns aux autres en blocs (arrangement de type hétérogène) et des crayons isolés les uns des autres (arrangement de type homogène), répartis dans l'assemblage. Suivant d'autres caractéristiques du réacteur selon l'invention prises seules ou en 15 combinaison : - les crayons contenant du poison consommable comprennent au moins un bloc de crayons collés les uns aux autres placé au centre de l'assemblage et des crayons isolés les uns des autres répartis dans le reste de celui-ci ; - les crayons contenant du poison consommable comprennent plusieurs blocs de 20 crayons consommables collés les uns aux autres, placés dans les coins de l'assemblage et des crayons isolés les uns des autres répartis dans le reste de celui-ci. 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 : - les figures 1 à 4 représentent différents exemples d'arrangements mixtes de 25 crayons et de barres proposés dans la présente demande. L'idée de base de la présente invention consiste à utiliser un arrangement de poison consommable hybride ou mixte entre un schéma homogène et un schéma hétérogène. Le cumul des deux courbes d'anti-réactivité ainsi apportées, permet alors de lisser 30 la courbe de réactivité globale du coeur. Différents exemples de réalisation de ces dispositions sont représentés sur les figures 1 à 4, dans lesquels les cercles ronds blancs dont l'un est désigné par 1 par exemple, illustrent les crayons combustibles. Les cercles noirs dont l'un est désigné par 2 par exemple, illustrent les tubes de 35 guidage permettant l'insertion des barres de commande du réacteur et les cercles gris 3030099 6 dont l'un est désigné par 3 par exemple, illustrent les crayons contenant du poison consommable tel que du Gadolinium. Ainsi on voit sur ces figures, que les arrangements proposés de poison consommable sont des arrangements mixtes, c'est-à-dire contenant à la fois un ou 5 plusieurs groupes ou lignes ou blocs ou îlots ou couronnes de plusieurs crayons contenant du poison consommable collés les uns aux autres et plusieurs crayons isolés contenant du poison consommable répartis de façon homogène c'est-à-dire éloignés les uns des autres dans le reste de l'assemblage. Dans la présente demande il faut comprendre les termes ilots/groupes/lignes... 10 comme désignant un regroupement de crayons les uns à côté des autres. Différentes formes de regroupements peuvent ainsi être envisagés. Ce regroupement de crayons est à opposer aux autres crayons isolés les uns des autres. Comme expliqué précédemment, cette solution permet une marge d'optimisation 15 de la courbe de réactivité d'un assemblage combustible plus importante. En effet elle permet : - de contrôler la réactivité en début de vie grâce aux crayons répartis de façon individuelle ou homogène, - de contrôler le moment où le poison consommable n'aura plus d'impact, c'est-à- 20 dire le moment du pic Gadolinium, sans modifier la teneur en Gadolinium, grâce aux amas hétérogènes de crayons empoisonnés. Ainsi en vue d'optimiser le nombre de crayons et la teneur en poison consommable Gd, la solution offre via la géométrie des crayons empoisonnés, tout un champ d'optimisation supplémentaire. 25 Ce type d'arrangement est particulièrement intéressant pour effectuer des gestions par rechargement complet et des cycles d'irradiation très longs du coeur. Ceci est donc particulièrement adapté pour des réacteurs de faible puissance qui peuvent nécessiter de longues durées d'irradiation avec par exemple un cycle de trois ans. 30 La figure 1 illustre le cas dans lequel des crayons contenant du poison sont collés les uns aux autres en bloc par exemple au centre de l'assemblage. D'autres crayons contenant du poison sont répartis dans l'assemblage. La figure 2 illustre une variante de réalisation dans laquelle des blocs de crayons contenant du poison et collés les uns aux autres, sont placés dans les coins de 35 l'assemblage. 3030099 7 Dans cet exemple également, des crayons isolés les uns des autres sont répartis dans le reste de l'assemblage. Sur les figures 3 et 4, on a représenté d'autres exemples d'arrangements possibles. 5 En effet on peut avoir différentes géométries de regroupement des crayons associés les uns aux autres. Ces géométries peuvent par exemple être circulaires comme sur la figure 1, polygonales comme sur les figures 2 et 4, en couronnes, en lignes ou en équerres comme sur la figure 3, etc. 10 Des combinaisons de ces formes et géométries peuvent également être envisagées. Sur la figure 4, on a par exemple représenté un arrangement avec un gros îlot hétérogène central en croix et quatre îlots hétérogènes plus petits dans les coins de l'assemblage, le tout associé à des crayons empoisonnés isolés régulièrement répartis 15 dans le reste du coeur. Bien entendu d'autres dispositions peuvent être envisagées. Cet arrangement constitue alors un compromis supplémentaire entre îlots compacts de crayons empoisonnés et crayons isolés. L'effet d'autoprotection spatiale est plus faible et l'anti-réactivité apportée en début 20 de vie est plus forte. C'est une possibilité à prendre en compte pour l'optimisation, les profils de réactivité obtenus à l'aide de telles configurations présentant des propriétés de monotonie intéressantes. Un autre avantage de ce type d'arrangements mixtes est qu'il diminue le facteur 25 de forme de l'assemblage. En effet le fait de placer des crayons empoisonnés isolés dans l'assemblage, loin des îlots hétérogènes, va avoir tendance à homogénéiser l'assemblage et donc la puissance linéique. Cette solution réduit donc le principal inconvénient des arrangements 30 hétérogènes. On conçoit alors qu'une telle structure présente un certain nombre d'avantages notamment en permettant de piloter sans bore un coeur de réacteur nucléaire avec 100% de combustible neuf. Ceci se traduit par une amélioration de la sûreté de fonctionnement du réacteur 35 par un pilotage sans bore (moins de tritium, pas d'accident de dilution intempestive, pas de re-criticité durant une rupture de tuyauterie vapeur...) 3030099 8 De plus elle permet de limiter le pic de réactivité du combustible, ce qui fournit des marges vis-à-vis de la réactivité en situation d'arrêt et contribue à réduire le facteur de forme du coeur et donc les points chauds (par rapport à un coeur identique qui n'utiliserait pas la structure proposée). 5 Enfin le fait de pouvoir utiliser une gestion avec 100% de combustible neuf permet d'augmenter fortement la durée de cycle (+50% par rapport à une gestion par moitié), ce qui peut avoir des avantages en terme de disponibilité du réacteur. REVENDICATIONS1.- Réacteur nucléaire à eau pressurisée comportant un coeur comprenant un assemblage de combustible nucléaire intégrant des crayons (3) contenant du poison consommable permettant de réduire la variation de réactivité du coeur au cours d'un cycle de fonctionnement, caractérisé en ce que les crayons (3) contenant du poison consommable sont agencés de façon mixte et comprennent des crayons collés les uns aux autres en blocs et des crayons isolés les uns des autres, répartis dans l'assemblage. 2.- Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les crayons (3) contenant du poison consommable comprennent au moins un bloc de crayons collés les uns aux autres placé au centre de l'assemblage et des crayons isolés les uns des autres répartis dans le reste de celui-ci. 3.- Réacteur nucléaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les crayons (3) contenant du poison consommable comprennent plusieurs blocs de crayons consommables collés les uns aux autres, placés dans les coins de l'assemblage et des crayons isolés les uns des autres répartis dans le reste de celui-ci.