FR 2523358 A1 19830916 FR 8303574 A 19830304 2523358 ' Réacteur nucléaire avec modération de l'énergie des neutrons La présente invention se rapporte aux centrales d'énergie à réacteurs nucléaires, et concerne plus par- ticulièrement le contrôle de la réactivité de réacteurs nucléaires par un déplacement du spectre d'énergie des neutrons afin d'augmenter le flux des neutrons thermi- ques L'effet de ce déplacement est d'augmenter le nom- bre des neutrons dont l'énergie se situe dans la plage thermique et de réduire le nombre des neutrons dont l'énergie se situe dans la plage epithermique Des neu- trons dont l'énergie se trouve dans la plage thermique sont en équilibre thermique avec le caloporteur dans le réacteur L'invention concerne plus particulièrement des réacteurs dont le caloporteur est de l'eau légère, à savoir un modérateur efficace Dans la mesure o l'inven- tion peut s'appliquer à des réacteurs avec d'autres calo- porteurs, son application par exemple à des réacteurs dont le caloporteur est de l'eau lourde reste dans son cadre. En plus de concerner des réacteurs dont le calo- porteur est de l'eau légère, l'invention concerne des réac- réacteurs dont le coeur contient des tubes scellés conte- nant un gaz qui peut être de l'hélium ou tout autre gaz qui ne nuit pas au réacteur La caractéristique ou la propriété de modération du gaz est différente et nette- ment inférieure à celle du caloporteur Pour changer la modération du réacteur, les tubes sont cassés et le gaz dans ces tubes est remplacépar du caloporteur augmentant la modération Un réacteur de ce genre est décrit dans la demande de Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 228 007 déposée le 23 Janvier 1981 au nom de R r 4 arlatt Cette demande de Brevet est incorporée à titre de référence dans la présente description, et concerne un réacteur dans lequel des tubes scellés remplis de gaz sont inter- calés dans tout ou partie des éléments combustibles et 2523358- sont montées entre les buses supérieure et inférieure de chaque élément La buse supérieure de chaque élément qui contient le tube porte des pointes ou des lames décalées chacune d' une courte distance par rapport au sommet d'un tube correspondant Les tubes sont rompus automatiquement au cours du fonctionnement du réacteur. Quand le réacteur fonctionne et les tubes sont bombardés avec des neutrons, ils se gonflent Finalement, les tubes atteignent une hauteur telle que leurs parties supérieures o O sont engagées par les pointes et sont rompues Du calo- porteur remplace le gaz dans les tubes rompus et la modé- ration des neutrons est accrue Les tubes se gonflent à des vitesses différentes sous l'effet du bombardement des neutrons de sorte que les variations de modération 1.5 sont modérées et il ne se produit aucune forte augmenta- tionde puissance thermique Il est cependant souhaitable que oe changement de modération par la rupture des tubes soit contrblé de façon méthodique par des commandes sé- lectives d'un opérateur, avec le système de réacteur ré- glé de façon appropriée pour éviter toute réaction exces- sive à l'interruption Un objet de l'invention est donc d'atteindre cet objectif et de proposer un système de réacteur nucléaire dontla modération est changée par la rupture de tubes dans le coeur, mais dans lequel la rup- ture des tubes peut tre contrôlée par des commandes de contrôle à l'extérieur de la cuve sous pression du réac I teur Il est nécessaire que la rupture soit faite avec une pénétration minimale de la cuve sous pression et que le mécanisme de rupture soit sûr Il est également sou- haitable que le mécanisme puisse être installé dans des réacteurs en cours de fonctionnement. L'invention concerne donc un système de réac- teur nucléaire comprenant un réacteur nucléaire qui comporte un coeur constitué par des éléments combustibles, un dispositif pour conduire un caloporteur par le coeur, ce caloporteur ayant une propriété prédéterminée de modé- ration d'énergie des neutrons* plusieurs tubes scellés dans le coeur, chacun de ces tubes contenant une matière ayant une propriété de modération d'énergie des neu- trons différentes de celle du caloporteur et un dispo- sitif agencé pour engager au moins certains de ces tu- bes afin de les ouvrir pour permettre au caloporteur de remplacer la matière dans les tubes en changeant ainsi le spectre d'énergie des neutrons du réacteur; ce réac- teur nucléaire se caractérise par le fait qu'un mécanis- me actionné hydrauliquement est accouplé avec le disposi- tif d'ouverture pour l'actionner et engager certains des tubes pour les ouvrir, un dispositif étant prévu à l'ex- térieur du réacteur et relié au dispositif hydraulique afin de commander tl'actionnement du dispositif d'ouver- ture. Le dispositif d'actionnement hydraulique com- porte un ou plusieurs cylindres hydrauliques Dans l'ap- pareil selon l'invention, quand la pénétration dans la cuve sous pression est minimale, un ou plusieurs mattre- cylindres se trouvent dans le caloporteur à l'intérieur de la cuve sous pression Chaque mattre-cylindre comporte un piston qui peut Otre appelé un mattre-piston et il est entra né linéairement par une vis, cette dernière étant entraînée par un écrou à billes La vis et l'écrou à billes sont dans une cavité fermée hermétiquement, com- muniquant avec l'intérieur de la cuve sous pression. Un stator destiné à entraîner ou faire tourner un rotor qui à son tour fait tourner l'écrou à billes est disposé à l'intérieur de la cavité,-mais peut être mis sous ten- sion par l'extérieur de cette dernière Le stator, lors- qu'il est sous tension sous l'effet de la commande d'un mécanisme de contrôle, entra ne l'écrou, faisant avancer le piston L'entra nement du piston par vis et écrou à billes décrit ci-dessus fait partie de certains réacteurs courants, et sert à entraîner des barreaux de commande partiels Des entraînements courants sont décrits dans les Brevets des Etats Unis d'Amérique N Os 2 882 428 et 3 027 472 Plusieurs mattre c ylindres peuvent entraîner directement les lames qui rompent les tubes, ou un seul maltre-cylindre peut autoriser les pistons, qui sont ap- pelés des pistons asservis, dans des cylindres asservis pour permettre aux laries de rompre les tubes Les cy- lindres mattres et asservis coopèrent par le mouvement d'un flux hydraulique entratn 4 par le maitre-piston dans les cylindres asservis Le fluide entra Ine les pis- tons asservis Le caloporteur sert de fluide hydraulique, Lorsqu'il y a lieu que l'invention soit in orporée dans deszéacteurs en fonctionnement, les barreaux de contrôle partiel peuvent être remplacés per des mattre-cylindres et lescylindres asservis peuvent être ajoutés. D'autrescaractéristiques et avantages de l'in- vention seront décrits au cours de la description qui va suivre d'un exemple de éalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure I est une vue partielle, partiellement schématique, illustrant les caractéristiques essentielles de l'invention, la Figure 2 est une vue partielle et schématique montrant la coopération des cylindres maltreset asservis dans la mise en oeuvre de linvention, la Figure 3 est une vue partielle et schématique suivantla manière dont le piston d'un cylindre asservi entratne les pointes ou les lames qui rompent les tubes scellés pour la mise en oeuvre de l'invention, la Figure 4 est une vue partielle et schématique d'une variante de l'invention dans laquelle plusieurs mattre-pistons entraînent des pointes par des pistons as- servis associés, et la Figure 5 est une vue partielle schématique montrant une variante de l'invention dans laquelle un mattre-piston extérieur à la cuve sous pression entratne des pistons asservis par des clapets réglés sélectivement. Les Figures 1 2, 3 montrent les caractéristiques essentielles d'un dispositif pour réacteur nucléaire selon l'invention Ce dispositif comporte un réacteur nucléaire 11 et un mécanisme 13 de commande de contrôle destiné à contrôler sélectivement le spectre du flux de neutrons à la volonté d'un opérateur Le réacteur Il est repré- senté en coupe longitudinale, cette coupe étant faite le long d'un plan central passant par l'axe du réacteur 11 Ce dernier est généralement symétrique autour du plan de coupe. Le réacteur 11 comporte une cuve sous pression , constituée par une coquille 17 cylindrique circulaire et un dôme 19 Le dame 19 comporte une collerette 21 qui engage la surface supérieure de la coquille Il et qui est fixée de façon étanche aux gaz sur cette surface La col- lerette et la coquille sont assemblées par des boulons 23 et le joint entre elles est soudé. A l'intérieur de la cuve sous pression 15 se trouve un tambour de coeur 25 Un manchon 27 est vissé sur la partie inférieure du tambour La coquille 17 com- porte des ouvertures 29 et 31 d'entrée et de sortie pour faire passer le caloporteur dans le réacteur Ce dernier contient des parties internes supérieures 33 et des par- ties internes inférieures 35. Les parties internes supérieures 33 contiennent les bareaux de contrôle 37, les barreaux 39 qui en- tratnent les barreaux de contrôle et les brides ou man- chons 41 qui guident les barreaux de contrôle 37 Les parties internes inférieures 35 contiennent le coeur 43 et les éléments associés Le noyau 43 comporte un certain nombre d'éléments combustibles 44 Un élément combustible typtique est représenté sur la Fig 1 de la demande de Brevet précitée Le noyau 43 se trouve dans une coquille 46 qui est à son tour supportée par le tambour de coeur 25 L'entratnement 39 des barreaux de contrôle passe dans les manchons 45 scelléscbfaçon étanche à la pression sur le dôme 19 dans les mécanismes étanches 47 qui sont com- mandés par l'extérieur de la cuve sous pression 15. Chaque élément combustible 44 comporte plu- sieurs barreaux combustibles 48 (Fig 3) et en outre, plusieurs tubes 50 (Fig 3) contenant un gaz comme de l'hélium Les éléments combustibles 44 sont, sous cet as- pectt similaires aux éléments combustibles décrits dans la demande de brevet précitée Les tubes 50 sont en général réalisés en alliage ZIRCALOY En général, l'épaisseur des parties supérieuresde ces tubes est réduite La pression de l'helium dans les tubes 50 est à peu près la m 8 me que la pression dans les barreaux combustibles 48. Le coeur 43 est maintenu entre un support supé- rieur 49 et un support inférieur (non représenté) Le support supérieur de noyau 49 comporte une collerette 51 Une rondelle élastique 53 est intercalée entre la collerette 51 et la partie supérieure du tambour de coeur 25 Les brides 41 sont supportées sur le support supérieur de coeur Le support supérieur 49 comporte des trous 55 alignés avec les brides par lesquelles les bar- reaux de contrble 37 pénètrent dans le coeur 43 Une plaque 57 (Fig 1 et 3) se trouve au-dessus du coeur. Des colonnes creuses 59 sont disposées entre la plaque du coeur et la surface supérieure du support supérieur 49 Comme le montre la Fig 1, plusieurs colonnes 59 peuvent être associées avec chaque élément combustible 44 La plaque 57 comporte les trous 61 (Fig 3) Les colonnes 59 sont supportées sur des pieds 63 Du calo- porteur circule par les trous 61 et entre les pieds 63. Chaque ensemble combustible 44 est monté entre une buse supérieure 65 (Fig 3) et une buse inférieure (non re- présentée mais désignée par 26 dans la demande de Brevet précitée). Le caloporteur, provenant généralement de la sortie du générateur de vapeur de l'ensemble de réacteur nucléaire, passe dans la partie annulaire 67 entre la coquille 17 et le tambour de coeur 25 par l'entrée 29, comme le montre la flèche 69 Ensuie, le caloporteur se divise dans deux branches représentées par les flèches 71 et 73 La majeure partie (flèche 71) du caloporteur passe par le fond dutambour de coeur, monte ensuite dans le coeur et passe par les buses inférieures (non représentées) et la partie annulaire 75 entre la coquil- le 46 et le tambour 25 comme le montrent les flèches 77 et 79 La vapeur provenant du coeur passe par les buses supérieures 65 comme le montrent les flèches 81 et sort par la sortie 31 comme l'indique la flèche 83 La plus petite partie du caloporteur représentéepar laflèche 73 circule dans l'espace 85 entre le dôme 19 et le support supérieur 49 comme le montrent les flèches 87 Cette par- tie passe par les brides 41 comme l'indiquent les flè- ches 89 et sort par la sortie 31. Au moins un mattre-cylindre 91 (Figure 2) se trouve dans l'espace 85 entre le dôme 19 et le support supérieur Dans le cylindre 91 se trouve un piston 93 q Wtune vis 95 peut faire monter et descendre La vis 95 passe dans un manchon 97 étanche aux gaz, à travers le dôme 19 et elle est accouplée avec un écrou (non repré- senté) dans un mécanisme 99 qui est autorisé, par un mécanisme de commande de contrôle 13 extérieur au réac- teur 11, à tourner et à déplacer la vis par sa rotation. Comme le montre la Fig 2, le piston 93 a un diamètre nettement plus petit que la vis 95 Le mouvement possible de la vis peut être nettement supérieur au mouvement vou- lu du piston 93 Pour que la vis ne heurte pas le cylin- dre 91, une butée (non représentée) peut être prévue pour elle Un canal ou un tube 101 est branché, par un clapet 103, entre l'espace 85 et l'intérieur 105 du maitre- cylindre 91 sous le piston 93 Le clapet 103 permet au caloporteur de pénétrer à l'intérieur 105 du cylindre, mais l'empêche desortir. Le réacteur 11 comporte plusieurs mattre- cylindres 107 munis chacun d'un piston 109 (Figures 2 et 3) Chaque cylindre 107 est monté à l'extrémité inférieure d'une colonne 53 entre les pieds 63 de la colonne Chaque piston comporte une tige de piston 111 Dans chaque cy- lindre 107 se trouve un ressort 113 pour rétracter le pis- ton 109 et la tige 111 Les espaces 115 au-dessus des pistons 109 des mattre-cylindres 107 sont en communica- tion avec l'espace 105 au-dessous du piston 93 du mattre- cylindre 91 par les conduites horizontales 117 et des Conduites verticales 119 Quand le piston 91 (Fig 2) est déplacé vers le bas, du fluide passant par les con- duites 119 et 117 dans les espaces 115 déplace les pistons 109 et leurs tiges 111 vers le bas contre l'ef- fet des ressorts 105 La tige de piston 111 est repré- sentée rétractée par un rotor 113 en traits pleins sur la Fig 3 et avancéesous l'action du fluide dans l'es- pace 105, en pointillés. Un support 121 (Fig 3) est suspendu par une plaque d'adaptateur 123 dans chaque buse, par des res- sorts 125 Le support comporte des branches 127 qui pas- sent dans des trous de la plaque d'adaptateur 123 Les branches portent un support de pointes 129 portant des pointes 131, faisant chacune saillie vers le bas, vers un tube 50 Chaque pointe peut tre centrée sur le haut d'un tube 50 en un état espacé d'une course distance. Les pointes sont faites d'une matière pouvant résister aux effets corrosifs du caloporteur En général, un al- liage INCONEL ou HASTAL O peut remplir cette fonction. Dans la mise en pratique usuelle de l'inven- tion, les barreaux de commande 37 sont introduits dans le coeur 43 pour régler le réacteur 11 à l'état sous- critique lorsqu'un changement du spectre d'énergie des neutrons doit être produit Ensuite, le mécanisme 13 de comnande de contrôle est actionné pour que le mattre- piston 93 se déplace vers le bas Du fluide hydraulique est injecté dans les cylindres asservis 107 pour les dé- placer vers le bas avec leurs tiges 111 Le support 121 et le support des pointes 129 se déplacent vers le bas de sorte que les pointes 131 ouvrent les tubes 50 Du caloporteur remplace le gaz dans les tubes, augmentant la conversion des neutrons epithermiques en des neutrons thermiques Etant donnné que l'ensemble de réacteur nu- cléaire se trouve à l'état sous-critique pendant le très court intervalle pendant lequel les tubes 50 sont ouverts, les dispositions pour décaler le spectre d'éner- gie des neutrons sont sûres. Un réacteur 11 courant contient environ cent sous-ensembles combustibles Chaque sous-ensemble con- tient environ deux cent cinquante barreaux combustibles 48 Chaque sousensemble comprend généralement vingt tubes contenant un gaz Un maîtrecylindre 107 peut par exemple être associé avec chaque sous-ensemble et peut supporter 20 pointes 131 pour ouvrir des tubes 50 dans chaque sous-ensemble Les supports de pointes 121 peu- vent être réglés de manière que les pointes 131 se trou- vent à des distances des sommets des types 50 diminuant progressivement Une partie seulement des tubes 50 sont ouverts à la fois quand le support se déplace vers le bas A volonté, un tube 50 dans chaque sous-ensemble, ou environ 100 tubes peuvent être ouverts à la fois. Par exemple, le mattre-piston 93 a un diamètre de 6,3 mm et une course de 1000 mm et chaque piston as- servi 109 a un diamètre de 50 mm et une course de 25 mm. Par exemple, la force applicable par le mattre-piston est environ 445 N Etant donné que le rapport des surfaces du maltre-piston et du piston asservi est 64, la force appliquée par chaque piston asservi 109 est 28500 N La force appliquée à chacune des 100 pointes 131 est 285 N. Chaque pointe est aigue Selon une supposition raisonna- ble, la surface d'impact avec le tube de chaque pointe est 0,025 mm La pression appliquée au-dessus de chacun des 100 tubes 50 à un instant donné est 440 106 Pa Cette pression convient pour rompre les sommets et ouvrir les tubes Un mattre-cylindre convient pour rompre les tubes 50 et il produit le décalage voulu du spectre d'énergie des neutrons. Dans le mode de réalisation de la Figure 4, plusieurs mattre-cylindres 141 sont prévus dans le réac- teur 11 Il peut y avoir par exemple 12 maître-cylindres. Plusieurs cylindres asservis 143 sont entraînés par le piston 145 de chaque maître-cylindre 141 Le piston 147 de chaque cylindre asservi 143 entraîne plusieurs pointes 149 Les pointes 149 entraînées par chaque piston as- servi 147 peuvent être disposées pour percer les tubes d'un sous-ensemble 44. Dans le mode de réalisation de La Fig 5, un ou plusieurs mattre-cylindres 151 sont disposés à l'ex- térieur du réacteur 11 Le fluide hydraulique que comn- prime le mattre-piston 153 dans le mattre-cylindre pro- vient par un clapet 155 de la conduite 157 par laquelle circule le caloporteur du réacteur 11 Lorsqu'il est comprimé par le piston 153, le fluide hydraulique cir- e cule vers les cylindres asservis 159 dans le réacteur par les onduites 161 et les clapets 163 Les conduites pénètrent dans la coquille 17 de la cuve sous pression Les clapets 163 se trouvent dans le réacteur Les joints entre les conduites 161 et la cuve 17 sont hermé- tiquement étanches à la pression Les dcapets 163 sont réglés pour que les débit vers les cylindres asservis 159 soient déclenchés dans des positions progressivement différentes du mattre-piston 153 Les pistons 155 dans les cylindres asservis avancent les pointes 167 pour rom- pre les tubes 50 Pour recevoir plusieurs conduites 161, le mattrecylindre doit avoir un diamètre supérieur à 6,3 mams par exemple environ 25 mm. Plusieurs modes de réalisation de l'invention ont été décrits ci-dessus mais de nombreuses modifica- tions peuvent y être apportées sans sortir de son cadre ni de son esprit. il REVENDICATIONS 1 Ensemble de réacteur nucléaire, comprenant un réacteur nucléaire ( 11) qui comporte un coeur ( 43) constitué par des éléments combustibles ( 44), un dispo- sitif ( 29, 31) pour faire passer un caloporteur dans le- dit coeur, ledit caloporteur ayant une propriété prédé- terminée de modération d'énergie des neutrons, plusieurs tubes scellés ( 50) dans ledit coeur, chacun desdits tubes contenant une matière ayant une propriété de mo- dération d'énergie des neutrons différente de celle dudit caloporteur et des dispositifs ( 131, 149, 167) destinés à engager certains au moins desdits tubes pour les ouvrir et permettre au caloporteur de remplacer la- dite matière dans lesdits tubes, en changeant ainsi le spectre d'énergie des neutrons dans ledit réacteur, ca- ractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme d'entratne- ment hydraulique ( 91, 141, 151) accouplé avec lesdits dispositifs d'ouverture pour les actionner et engager lesdits certains tubes ( 50) afin de les ouvrir, et un dispositif ( 13, 99) prévu à l'extérieur du réacteur et accouplé avec ledit dispositif hydraulique pour commander l'actionnement desdits dispositifs d'ouverture. 2 Ensemble de réacteur nucléaire selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le caloporteur est de l'eau et les tubes 450) contiennent une matière n'ayant pratiquement aucune propriété de modération d'énergie des neutrons. 3 Ensemble de réacteur nucélaire selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif hydraulique comporte au moins un cylindre ( 91, 141, 151) contenant un fluide hydraulique, un piston ( 93, 145, 153) mobile dans ledit cylindre pour comprimer le fluide hy- draulique dans ledit cylindre et un dispositif ( 107, 143, 159) accouplant ledit piston avec les dispositifs d'ouver- ture, réagissant au fluide comprimé en actionnant lesdits dispositifs d'ouverture sans l'effet du mouvement dudit Piston. 4 Ensemble de réacteur nucléaire selon La re- vendication l, caractérisé en ce que le dispositif hy- draulique comporte un mattre-cylindre ( 91, 14 L, L 51) contenant un fluide hydraulique, un mattre-piston ( 93, 145, 153) mobile dans ledit mattre-cylindre pour com- primer ledit fluide hydraulique, plusieurs cylindres asservis ( 107, 143, 159) des dispositifs accouplés avec ledit ma re-cylindre et réagissant au fluide comprimé par ledit mattre-piston en transmettant du fluide vers lesdits cylindres asservis sous l'effet du mouvement dudit maitre-piston, un piston asservi ( 109, 147) dans chacun desdits cylindres asservis, mobile sous l'effet de la pression du fluide transmis vers chaque piston asservi et des dispositifs ( 131, 149, 167) accouplés avec chacun desdits pistons asservis pour actionner les dispositifs d'ouverture associés avec chacun desdits pistons asservis. Ensemble de réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cylindre ( 91) est disposé dans le réacteur nucléaire en contact avec le caloporteur, ledit cylindre comprenant un canal qui contient un calpet( 103) pour relier l'intérieur du cy- lindre avec le caloporteur afin que ce dernier circule dans ledit cylindre et devienne le fluide hydraulique dans le cylindre, ledit clapet étant réglé de manière à permettre le passage dudit caloporteur à l'intérieur dudit cylindre sous l'effet de la pression du calopor- teur à l'extérieur dudit cylindre et pour empocher le passage dudit caloporteur à partir de l'intérieur dudit cylindre quand la pression du caloporteur à l'intérieur dudit cylindre augmente sous l'effet dudit piston( 93).