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DESCRIPTION Grappe de commande pour un réacteur nucléaire.
L'invention concerne une grappe de commande pour un réacteur nucléaire et en particulier une grappe de commande pour un réacteur nucléaire à eau sous pression destinée à être introduite dans les tubes de guidage d'un assemblage de combustible.
Les réacteurs nucléaires à eau sous pression comportent des assemblages de combustible prismatiques, juxtaposés constituant le coeur du réacteur dans lequel se produit le dégagement de chaleur fourni par la fission des pastilles d'uranium enrichi contenu dans les crayons constituant les assemblages.
La régulation ou l'arrêt de la réaction nucléaire fournissant la chaleur qui est transmise au fluide caloporteur constitué par de l'eau sous pression sont réalisés par des grappes de commande constituées chacune par un faisceau de vingt-quatre crayons absorbants constitué chacun par une gaine tubulaire contenant du carbure de bore qui absorbe les neutrons. La grappe de commande comporte un support de grappe constitué par un pommeau de manutention de la grappe sur lequel sont fixées, dans des dispositions rayonnantes, des membranes de fixation des crayons absorbants.
Les crayons absorbants sont fixés à l'une de leurs extrémités sur l'une des membranes du support de grappe, de manière que les crayons absorbants de la grappe soient tous parallèles entre eux et soient répartis autour d'un axe central de la grappe constituant l'axe du faisceau, suivant une disposition symétrique reproduisant la disposition des tubes de guidage d'un assemblage de combustible. Dans cette disposition symétrique, les axes des crayons absorbants sont disposés sur des surfaces cylindriques coaxiales ayant pour axe commun l'axe du faisceau.
Cette disposition symétrique des crayons absorbants permet d'introduire les vingt-quatre crayons absorbants de la grappe de contrôle dans le réseau des
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vingt-quatre tubes-guides d'un assemblage de combustible disposé dans le coeur du réacteur, de manière que la grappe de contrôle participe au réglage de la réactivité du coeur du réacteur.
Les grappes de contrôle sont déplacées dans le coeur du réacteur, suivant la direction verticale, de manière à réguler la puissance du réacteur nucléaire, en fonction de l'appauvrissement de l'uranium enrichi des pastilles contenues dans les crayons de combustible et des variations de la demande d'énergie du réseau.
Le déplacement des grappes de contrôle suivant la direction axiale des tubes-guides des assemblages de combustible est réalisé par des mécanismes de commande placés sur le couvercle de la cuve du réacteur nucléaire.
Les grappes de commande sont d'autre part guidées, au-dessus du coeur, par des tubes de guidage faisant partie des équipements internes supérieurs du réacteur et disposés dans l'alignement des assemblages de combustible dans lesquels on introduit les grappes de commande.
Les tubes de guidage des équipements internes supérieurs du réacteur comportent des cartes de guidage placées à des intervalles réguliers suivant une partie substantielle de la longueur du tube de guidage et des dispositifs de guidage continus occupant la partie inférieure du tube de guidage.
Après un temps de fonctionnement plus ou moins long, le frottement des gaines des crayons absorbants des grappes de contrôle dans les éléments de guidage peut entraîner une usure et plus spécialement une ovalisation de l'alésage des éléments de guidage qui sont reliés entre eux par des ouvertures permettant le passage des membranes du support de grappe, sur lesquelles sont fixés les crayons absorbants.
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Le phénomène d'usure peut être amplifié de façon qu'il produise une usure prématurée des éléments de guidage, sous l'effet des vibrations des gaines des crayons absorbants à l'intérieur des cartes et des fourreaux continus de guidage, engendrées par le passage du fluide de refroidissement, notamment lors des transitoires du fonctionnement. En outre, les gaines des crayons absorbants des grappes de commande subissent également une usure en fonctionnement qui peut nécessiter leur remplacement.
Afin de limiter l'usure des crayons des grappes de commande et des éléments de guidage des équipements internes supérieurs, on produit une circulation du fluide de refroidissement dans les équipements internes supérieurs du réacteur, à la sortie du coeur, assurant le plaquage des crayons absorbants contre les éléments de guidage des équipements internes supérieurs. On obtient ainsi une limitation ou une suppression des vibrations des crayons absorbants dans le réacteur en fonctionnement, ce qui permet de limiter la vitesse d'usure des crayons et des éléments de guidage.
Le fluide de refroidissement est dirigé, à la sortie de chacun des assemblages de combustible équipés d'une grappe de commande, de manière que chacun des crayons absorbants de la grappe de commande soit plaqué contre la surface interne de ses éléments de guidage, dans une direction radiale.
Cette modification de la circulation du fluide de refroidissement à la sortie du coeur qui permet d'éviter toute vibration excessive des crayons absorbants et de limiter l'usure des crayons présente toutefois l'inconvénient de provoquer un frottement important entre le crayon absorbant et ses éléments de guidage, du fait que le crayon qui est de forme cylindrique, parfaitement rectiligne et à section constante est plaqué dans une direction radiale, contre la surface intérieure des éléments
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de guidage.
De ce fait, le déplacement axial des grappes de crayons absorbants se trouve freiné, en particulier, lors d'un arrêt d'urgence du réacteur nucléaire qui nécessite de faire chuter les grappes de commande pour les placer dans leur position d'insertion maximale dans les assemblages de combustible, en un temps qui doit être le plus court possible. Le plaquage des crayons absorbants des grappes de commande contre leurs éléments de guidage par la circulation d'eau de refroidissement a donc tendance à augmenter le temps de chute des grappes de commande dans leur position d'insertion maximale.
Le but de l'invention est donc de proposer une grappe de commande pour un réacteur nucléaire comportant un support de grappe et une pluralité de crayons absorbants comportant chacun une gaine tubulaire allongée renfermant un matériau absorbant les neutrons, fixés à l'une de leurs extrémités sur le support de manière à constituer un faisceau dans lequel les crayons absorbants présentent des axes longitudinaux qui sont tous parallèles entre eux, la forme de cette grappe de commande permettant de faciliter et d'accélérer sa chute lors d'un arrêt d'urgence du réacteur nucléaire, en particulier dans le cas où la circulation du fluide de refroidissement du réacteur nucléaire provoque un plaquage des crayons absorbants des grappes de commande contre leurs éléments de guidage dans les équipements internes supérieurs du réacteur nucléaire.
Dans ce but, chacun des crayons de la grappe est inscrit à l'intérieur d'une surface cylindrique ayant pour axe l'axe du crayon et dont le diamètre est supérieur au diamètre extérieur nominal de la gaine du crayon.
De préférence, chacun des crayons absorbants comporte suivant sa longueur, au moins deux bossages
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annulaires en saillie radiale par rapport à la surface externe de la gaine du crayon.
L'invention est également relative à une grappe de commande dans laquelle les crayons sont répartis autour d'un axe central de la grappe, suivant une disposition symétrique reproduisant une disposition de canaux de guidage continu d'un tube de guidage des équipements internes supérieurs du réacteur nucléaire, de manière que les axes des crayons soient disposés dans des positions angulaires régulièrement répartis autour de l'axe de la grappe sur au moins un cylindre ayant pour axe l'axe de la grappe de commande, et caractérisée en ce que chacun des crayons absorbants présente, suivant une partie au moins de sa longueur, des ondulations parallèles à un plan tangent au cylindre suivant lequel est disposé l'axe du crayon absorbant.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, deux modes de réalisation d'une grappe de commande suivant l'invention et son utilisation dans un réacteur nucléaire à eau sous pression.
La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical d'une cuve d'un réacteur nucléaire à eau sous pression.
La figure 2 est une vue en élévation d'un tube de guidage des équipements internes supérieurs du réacteur nucléaire.
La figure 2A est une vue en coupe suivant AA de la figure 2.
La figure 2B est une vue en coupe suivant BB de la figure 2.
La figure 2C est une vue en coupe suivant CC de la figure 2.
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La figure 2D est une vue en coupe suivant DD de la figure 2.
La figure 2E est une vue en coupe suivant EE de la figure 2.
La figure 3 est une vue en élévation latérale et en coupe partielle d'une grappe de commande selon l'art antérieur.
La figure 4 est une vue en coupe transversale schématique d'un élément de guidage continu d'un crayon absorbant de la grappe représentée sur la figure 3 montrant l'effet de plaquage d'un crayon par le fluide de refroidissement du réacteur nucléaire.
La figure 5 est une vue en élévation et en coupe partielle d'une grappe de commande suivant l'invention et suivant un premier mode de réalisation.
La figure 6 est une vue en coupe par un plan vertical d'une partie d'un crayon absorbant de la grappe de commande représentée sur la figure 5.
La figure 7 est une vue en élévation et en coupe partielle d'une grappe de commande suivant l'invention et suivant un second mode de réalisation.
La figure 7A est une vue de dessus de la grappe suivant A de la figure 7.
La figure 8A est une vue partielle en élévation suivant A de la figure 8B d'une partie d'un crayon absorbant de la grappe selon l'invention représentée sur la figure 7.
La figure 8B est une vue latérale en élévation suivant B de la figure 8A.
Les figures 9 et 10 sont des vues en coupe transversale schématique d'éléments de guidage continu du réacteur nucléaire dans lesquels sont introduits des crayons absorbants d'une grappe de commande suivant l'invention et suivant le premier et le second modes de réalisation, respectivement.
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Sur la figure 1, on voit la structure 1 d'un réacteur nucléaire à eau sous pression sur laquelle repose la cuve 2 du réacteur renfermant le coeur 3 constitué par des assemblages de combustible 5 prismatiques disposés avec leurs axes dans la direction verticale. Le coeur 3 est placé à l'intérieur des équipements internes inférieurs 6 comportant en particulier un cloisonnement entourant le coeur.
Au-dessus du coeur 3 sont disposés des équipements internes supérieurs 7 comportant une plaque supérieure 8, une plaque inférieure 9 constituant la plaque supérieure du coeur et des tubes de guidage 10.
Chacun des tubes de guidage 10 comporte une partie supérieure 10a fixée sur la plaque supérieure 8 des équipements internes supérieurs et une partie inférieure lOb engagée par l'intermédiaire de broches de guidage dans la plaque inférieure 9 des équipements internes supérieurs.
Les grappes de contrôle 11 du réacteur nucléaire qui peuvent être déplacées verticalement par des dispositifs de commande 12 sont mobiles, chacune entre une position supérieure à l'intérieur d'un tube de guidage 10 des équipements internes supérieurs et une position inférieure où ils sont engagés complètement dans un assemblage de combustible 5.
Sur la figure 2, on voit un tube de guidage 10 des équipements internes supérieurs du réacteur nucléaire représenté sur la figure 1.
Le tube de guidage 10 comporte une partie supérieure 10a fixée par des vis sur la plaque supérieure 8 des équipements internes dans laquelle sont disposées des cartes de guidage, respectivement 14 et 15, représentées sur les figures 2A et 2B.
La partie 10a du tube de guidage est fermée à sa partie supérieure par une plaque 16 comportant une ouver-
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ture permettant le passage du pommeau de la grappe relié à une tige du dispositif de commande de déplacement 12 de la grappe de commande.
Chacune des cartes de guidage 14 et 15 comporte une ouverture centrale 19 de passage du pommeau de la grappe et des ouvertures radiales 20 et 21 permettant le passage des membranes et des crayons absorbants. Le pommeau et les membranes fixées dans des dispositions radiales sur le pommeau de la grappe constituent le support de grappe assurant le maintien des crayons absorbants du faisceau.
Les ouvertures 20 des cartes de guidage comportent chacune un canal de guidage 22 à leurs extrémités permettant le guidage d'un crayon absorbant périphérique de la grappe fixé à l'extrémité de la membrane correspondante.
Chacune des ouvertures 21 des cartes de guidage comporte un canal de guidage 23 à son extrémité permettant le guidage d'un crayon périphérique de la grappe et un canal de guidage intermédiaire 23'permettant le guidage d'un crayon interne de la grappe de crayons absorbants. Chacune des grappes comporte seize crayons périphériques et huit crayons internes.
Chacune des cartes de guidage comporte huit ouvertures radiales telles que 20 et huit ouvertures radiales telles que 21.
La carte de guidage 14 est fixée par des vis 25 engagées dans des trous taraudés 24 usinés dans la partie périphérique de la carte de guidage, dans une direction radiale. La carte de guidage 15 est fixée par des vis engagées dans des trous 29 de la carte et dans des plaques de fixation 30 de la partie supérieure 10a du tube de guidage sur la plaque supérieure 8 des équipements internes.
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Dans la partie lOb du tube de guidage sont fixées à intervalles réguliers des cartes de guidage 32 à section sensiblement carrée comportant à leur périphérie des ergots de fixation 33 qui sont engagés dans des ouvertures 35 de l'enveloppe de la partie inférieure lOb du tube de guidage à section carrée. Cette partie lOb est constituée de deux demi-capots qui peuvent être assemblés après engagement des cartes de guidage.
Les cartes de guidage 32 de forme carrée comportent des ouvertures radiales semblables aux ouvertures des cartes supérieures 14 et 15. Dans sa partie inférieure, le tube de guidage lOb comporte des éléments de guidage continu 36 et 37 constitués respectivement par des canaux de guidage usinés dans l'enveloppe à section carrée du tube de guidage continu et des goussets comportant deux canaux de guidage 38, 38', disposés dans une direction radiale par rapport à l'enveloppe du tube de guidage continu.
L'enveloppe du dispositif de guidage continu comporte des ergots 40 qui sont engagés dans des ouvertures 41 traversant la paroi des deux demi-enveloppes de la partie inférieure du tube lOb.
La partie inférieure des dispositifs de guidage 36 et 37 est fixée sur la bride inférieure 43 reposant sur la plaque inférieure des équipements internes supérieurs 9.
Sur la figure 3, on a représenté une grappe de commande suivant l'art antérieur désignée de manière générale par le repère 45.
La grappe de commande 45 comporte un support de grappe 46 constitué par un pommeau de grappe 47 sur lequel sont fixées par soudage, dans des dispositions radiales, des membranes 48 sur lesquelles sont fixés les crayons absorbants 50 de la grappe de commande. Les membranes 48 comportent des goussets à l'intérieur desquels
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est introduite et fixée par soudage ou par vissage une partie d'extrémité d'un crayon absorbant 50. Chacune des membranes est prévue pour assurer le support d'un ou de deux crayons absorbants.
Les membranes 48 sont disposées autour du pommeau 47, dans des dispositions angulaires correspondant à la disposition angulaire des ouvertures radiales 20 et 21 des cartes de guidage discontinu des tubes de guidage des équipements internes supérieurs ou encore à la disposition radiale correspondante des canaux de guidage 36 et des goussets 37 de guidage continu.
L'ensemble de la grappe de commande 45 comporte donc huit membranes permettant d'assurer chacune la fixation de deux crayons absorbants et huit membranes assurant chacune la fixation d'un crayon absorbant à son extrémité qui sont intercalées chacune entre les membranes assurant le support de deux crayons absorbants.
La grappe 45 comporte un axe 49 autour duquel sont répartis, de manière régulière, les crayons absorbants 50. La grappe 45 est guidée à l'intérieur d'un tube de guidage tel que le tube 10 représenté sur la figure 2, de manière que l'axe 49 de la grappe se trouve placé suivant l'axe vertical 51 du tube de guidage passant par les centres des cartes de guidage réparties suivant la longueur du tube de guidage 10 et constituant l'axe du tronçon de guidage continu du tube de guidage.
De ce fait, la répartition des crayons absorbants 50 autour de l'axe 49 de la grappe de commande est identique à la répartition des canaux de guidage des cartes et du guidage continu autour de l'axe 51 du tube de guidage.
Comme il est visible par exemple sur les figures 2D et 2E représentant des sections transversales de la partie de guidage continu du tube de guidage, les canaux de guidage verticaux 36,38, 38'du guidage continu ont des axes qui sont situés sur des surfaces cylindriques
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coaxiales ayant toute pour axe l'axe 51 du tube de guidage.
Les axes des canaux de guidage sont répartis angulairement, de manière régulière, autour de l'axe 51 du tube de guidage.
L'ensemble des canaux de guidage de l'ensemble des crayons absorbants d'une grappe de commande est donc disposé d'une manière régulière et symétrique autour de l'axe 51 du tube de guidage.
La disposition des crayons absorbants 50 de la grappe de commande 45 étant identique à la disposition des canaux de guidage du tube de guidage 10, les axes 52 des crayons 50 sont disposés sur des surfaces cylindriques coaxiales ayant toutes pour axe l'axe 49.
Sur la figure 4, on a représenté, en section transversale, un canal de guidage vertical 38 disposé dans la partie d'extrémité externe d'un gousset 37 du guidage continu du tube de guidage 10. On a également représenté sur la figure 4, la section transversale d'un crayon absorbant 50 dont une partie se trouve à l'intérieur du canal de guidage continu 38, pendant le fonctionnement du réacteur nucléaire. Le canal 38 assure le guidage du crayon absorbant 50, lors du déplacement dans la direction axiale de la grappe de commande.
Comme indiqué plus haut, l'axe 52 du crayon absorbant 50 se trouve sur une surface cylindrique 53 ayant pour axe l'axe 49 de la grappe dont la trace constituée par un cercle a été représentée sur la figure 4.
Pendant le fonctionnement du réacteur, la circulation de l'eau de refroidissement à la sortie du coeur est telle que des pressions sont appliquées sur chacun des crayons absorbants des grappes de commande, de manière à les plaquer contre la partie interne des canaux de guidage continu.
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Sur la figure 4, on a représenté par la flèche 54, la force exercée par le fluide de refroidissement du réacteur sur la partie du crayon absorbant 50 disposée à l'intérieur du canal de guidage continu 38. La force 54 produit une légère flexion du crayon absorbant, de manière à plaquer une partie de sa surface externe sur une partie de la surface du canal de guidage 38 située vers l'intérieur du tube de guidage. Le crayon absorbant 50 maintenu en appui avec une certaine pression contre la surface interne du canal de guidage 38, par l'eau de refroidissement du réacteur nucléaire en circulation n'entre plus en vibration à l'intérieur du canal 38, ce qui limite sa vitesse d'usure en fonctionnement.
Toutefois, du fait que le crayon absorbant vient en contact avec la partie interne de la surface du canal de guidage 38, pratiquement sur toute la longueur du guidage continu, il ne subsiste pratiquement pas d'interstice entre le crayon absorbant et le guidage continu permettant le passage de l'eau de refroidissement vers l'intérieur du tube de guidage. L'eau de refroidissement est donc susceptible d'exercer une forte pression contre la partie du crayon absorbant disposé dans le guidage continu, si bien que la pression de contact entre le crayon absorbant et le canal de guidage peut être forte.
Il en résulte un frottement important lors des déplacements dans la direction axiale verticale de la grappe de commande dont les crayons absorbants viennent frotter avec une pression importante contre les parties internes des éléments de guidage du tube de guidage des équipements internes supérieurs.
Dans le cas d'un arrêt d'urgence du réacteur, on cherche à faire retomber les grappes de commande dans leur position d'insertion maximale dans les assemblages du coeur du réacteur, sous l'effet de leur propre poids, en un temps minimal. Le frottement important entre les
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crayons absorbants et les canaux de guidage continu provoque un freinage de la grappe et donc un allongement du temps nécessaire pour obtenir l'insertion maximale des grappes.
Sur la figure 5, on voit une grappe de commande 55 suivant l'invention qui comporte un support de grappe 56 analogue au support de grappe 46 d'une grappe suivant l'art antérieur telle que représentée sur la figure 3. Le support de grappe 56 comporte un pommeau de manutention 57 et des membranes 58 fixées par soudage sur le pommeau dans des directions radiales. Les crayons absorbants 60 sont fixés par leur partie d'extrémité supérieure sur les membranes 58 du support de grappe 56. Les crayons absorbants 60 sont fixés de manière à former un faisceau dans lequel les crayons sont parallèles entre eux et disposés de manière à pouvoir être introduits simultanément dans les éléments de guidage d'un tube de guidage des équipements supérieurs d'un réacteur nucléaire tel que représenté sur la figure 2.
La disposition générale des crayons absorbants 60 autour de l'axe 59 de la grappe est donc identique à la disposition générale des crayons 50 de la grappe de commande 45 selon l'art antérieur représentée sur la figure 3.
Cependant, à la différence des crayons absorbants 50 de la grappe 45 selon l'art antérieur, qui présentent une forme cylindrique à section parfaitement constante, les crayons absorbants 60 de la grappe 55 suivant l'invention présentent des bossages 63 en saillie radiale répartis suivant leur longueur.
Sur la figure 6, on a représenté une partie d'un crayon absorbant 60 de la grappe de commande de la figure 5.
Le crayon absorbant 60 comporte une gaine tubulaire 61 constituée par un tube métallique à paroi mince
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renfermant un matériau absorbant les neutrons. La gaine 61 est fermée à l'une de ses extrémités par un bouchon de fermeture 64 en forme d'ogive.
Les bossages 63 sont réalisés par expansion diamétrale de la gaine 61 dans certaines zones réparties suivant la longueur du crayon.
Les bossages comportent une partie centrale 63a sensiblement cylindrique dont le diamètre extérieur est sensiblement supérieur au diamètre nominal de la gaine 61. On appelle diamètre nominal extérieur de la gaine tubulaire 61 le diamètre extérieur du tube cylindrique de départ dans lequel on a réalisé des bossages 63, par exemple par expansion mécanique du tube qui subit une déformation plastique. Le diamètre nominal de la gaine est également le diamètre extérieur des parties courantes de la gaine situées entre les bossages 63.
Les bossages 63 comportent de part et d'autre de la partie centrale cylindrique 63a deux parties tronconiques 63b et 63c assurant une transition progressive entre la partie centrale 63a du bossage et la surface des parties courantes de la gaine de part et d'autre du bossage 63. Les parties 63b et 63c du bossage facilitent la pénétration du crayon absorbant dans l'eau de refroidissement remplissant les canaux de guidage de la grappe, dans le réacteur en service.
Sur la figure 6, on a tracé en traits mixtes deux génératrices d'une surface cylindrique 65 dans laquelle est inscrite la gaine 61 du crayon 60. La surface 65 a pour axe l'axe 62 du crayon 60 et pour diamètre le diamètre des parties 63a des bossages. Le diamètre du cylindre 65 tangent aux parties 63a des bossages 63 est donc supérieur au diamètre de la partie courante de la gaine 61, c'est-à-dire au diamètre nominal du crayon.
Les bossages 63 de la gaine du crayon 60 sont répartis suivant la longueur du crayon de manière que la
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distance entre deux bossages successifs soit inférieure à la moitié de la longueur de la zone de guidage continu d'un tube de guidage des équipements internes supérieurs du réacteur nucléaire. De cette manière, les crayons absorbants de la grappe de commande viennent en contact avec la surface interne des canaux de guidage continu suivant au moins deux bossages 63, dans toutes les dispositions d'insertion partielle de la grappe dans le coeur du réacteur.
Par exemple, dans le cas d'un réacteur nucléaire à eau sous pression d'une puissance de 1000 MWe, la longueur du guidage continu est de 1 m ; dans ce cas, la distance entre deux bossages consécutifs de la gaine des crayons absorbants des grappes de commande est inférieure à 0,50 m et on prévoit sept bossages suivant la longueur de chacun des crayons. Le diamètre du cylindre 65 tangent aux bossages 63, dans lequel est inscrite la surface extérieure du crayon combustible est supérieur d'environ 0,4 mm au diamètre de la partie courante des crayons dont le diamètre nominal est un peu inférieur à 10 mm. Toutefois, ce diamètre est inférieur au diamètre intérieur d'un canal de guidage des équipements internes supérieurs du réacteur.
Sur la figure 9, on a représenté la section transversale d'un crayon 60 à l'intérieur d'un canal de guidage 68 de la partie de guidage continu d'un tube de guidage des équipements internes supérieurs du réacteur nucléaire. Le canal de guidage 68 est un canal de guidage situé vers l'intérieur d'un fourreau de guidage tel que le canal de guidage 38'représenté sur la figure 2D. Deux ouvertures 66 et 66'de passage d'une membrane de la grappe débouchent dans le canal 68.
Les forces exercées par l'eau de refroidissement en circulation dans le réacteur qui s'exercent sur le crayon 60 dans des directions radiales et vers l'inté-
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rieur de la grappe ont été représentées par leur résultante 69 qui produit un placage du crayon 60 contre la surface interne du canal de guidage 68. Le crayon 60 vient en contact avec la surface interne du canal de guidage continu 68, par l'intermédiaire d'au moins deux bossages en saillie 63, de sorte qu'entre les bossages en appui 63, l'eau de refroidissement du réacteur peut circuler autour de parties courantes du crayon présentant un diamètre nominal inférieur au diamètre des parties centrales des bossages 63 venant en contact avec le canal 68.
Les zones de contact 67 et 67'du crayon absorbant avec le canal de guidage 68 ont une aire réduite du fait de la faible-hauteur des zones 63a de la gaine (par exemple de l'ordre de 2 mm). Les forces radiales exercées par l'eau de refroidissement sont également réduites. Il en résulte que le frottement entre les crayons de la grappe de commande et les canaux de guidage continu reste faible. La grappe de commande peut donc retomber dans le coeur en position d'insertion maximale en un temps très court, lors d'un arrêt d'urgence.
Malgré cela, les crayons de la grappe de commande restent parfaitement maintenus dans le réacteur en fonctionnement du fait de la mise en appui des bossages sur la surface interne du guidage continu. On évite ainsi la mise en vibration et l'usure des crayons.
Sur les figures 7,7A, 8A et 8B, on a représenté un second mode de réalisation d'une grappe de commande 75 suivant l'invention. Le support de grappe qui est identique au support 56 de la grappe de commande 55 représentée sur la figure 5 ne sera pas décrit à nouveau. La disposition générale des crayons 70 de la grappe 75 est également identique à la disposition générale des crayons 60 de la grappe de commande 55. Cette disposition va toutefois être précisée plus loin en regard des figures 7 et
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7A, dans la mesure où les crayons de la grappe de commande selon le second mode de réalisation ont une orientation définie en fonction de leur position dans la grappe.
Les axes 72 des crayons absorbants 70 sont situés sur des surfaces cylindriques coaxiales ayant pour toutes pour axe l'axe 79 de la grappe de commande 75. La disposition des crayons 70 sur les surfaces cylindriques coaxiales sont représentées sur la figure 7A. Les crayons 70 de la grappe 75, à la différence des crayons d'une grappe de commande suivant l'art antérieur qui sont parfaitement rectilignes, présentent des ondulations 73 qui sont visibles sur certains crayons 70 seulement de la grappe 75 telle que représentée sur la figure 7, pour les raisons qui seront indiquées plus loin.
Pour faciliter la représentation et rendre visibles les ondulations, l'amplitude de ces ondulations a été fortement exagérée sur la figure 7.
Sur la figure 8A, on a représenté un tronçon d'un crayon absorbant 70 d'une grappe de commande suivant l'invention, en élévation latérale suivant une première direction et sur la figure 8B, le même tronçon en élévation latérale et suivant une direction B perpendiculaire à la direction suivant laquelle est vue l'élévation latérale de la figure 8A.
Comme il apparaît en comparant les figures 8A et 8B, les ondulations 73 du crayon absorbant 70 sont des ondulations planes, c'est-à-dire parallèles au plan de la figure 8A. Les deux génératrices 74 et 74'du crayon 70 délimitant le contour du crayon sur la figure 8A ont une forme sensiblement sinusoïdale. En revanche, les génératrices 74a et 74a'délimitant le contour du crayon 70 sur la vue de la figure 8B sont parfaitement rectilignes. Les ondulations 73 du crayon absorbant 70 sont parallèles au
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plan de la figure 8A et perpendiculaires au plan de la figure 8B.
L'axe 72 du crayon absorbant 70 n'est pas parfaitement rectiligne mais présente la forme d'une sinusoïde identique à la sinusoide constituant les génératrices 74 et 74'. Comme il est visible sur la figure 8B, l'axe 72 du crayon absorbant 70 se trouve en revanche dans un plan parallèle au plan de la figure 8A, c'est-à-dire un plan parallèle aux ondulations. La trace 72'du plan parallèle aux ondulations contenant l'axe 72 sur le plan de la figure 8A sera par la suite considérée comme axe moyen rectiligne du crayon absorbant 70.
Les ondulations ont un pas P représenté sur la figure 8A qui est inférieur à la longueur de la zone de guidage continu d'un tube de guidage du réacteur nucléaire et une amplitude a légèrement inférieure au jeu radial entre le crayon absorbant 70 et la surface intérieure cylindrique d'un canal de guidage continu 38.
Dans un exemple d'application à des grappes de commande d'un réacteur nucléaire d'une puissance électrique de 1000 MW, on a utilisé des grappes de commande comportant des crayons absorbants présentant sur toute leur longueur, des ondulations dont le pas P est voisin de 600 mm et dont l'amplitude a mesurée sur une génératrice est de l'ordre de 0,4 mm.
Chacun des crayons 70 de la grappe 75 est inscrit à l'intérieur d'une surface cylindrique 76 dont deux génératrices ont été représentées sur la figure 8A, ayant pour axe l'axe 72'du crayon et pour rayon le rayon de la gaine du crayon augmenté de l'amplitude a des ondulations.
Sur la figure 7A, on a représenté une coupe transversale de la grappe de crayons absorbants montrant que les vingt-quatre crayons absorbants de la grappe de commande comportent des axes qui sont disposés sur cinq
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surfaces cylindriques coaxiales dont les traces circulaires sur le plan de la figure 7A ont été représentées.
Sur la surface cylindrique de plus petit diamètre, au centre de la grappe, sont disposés les axes de quatre crayons absorbants. Sur la surface cylindrique de diamètre immédiatement supérieur, sont également disposés quatre axes de crayons absorbants dans des positions décalées de 45 par rapport aux positions des axes des crayons disposés sur la surface cylindrique de plus petit diamètre.
Sur la troisième surface cylindrique sont disposés les axes de quatre crayons dans l'alignement des axes des quatre crayons situés sur la première surface cylindrique.
Sur la surface cylindrique externe de plus grand rayon sont disposés les axes de quatre crayons absorbants alignés avec les axes situés sur la seconde surface cylindrique.
Sur la quatrième surface cylindrique sont disposés les axes de huit crayons dans des positions intermédiaires entre les axes des crayons des première et troisième surfaces cylindriques et des axes des crayons des seconde et cinquième surfaces cylindriques.
Pour chacun des crayons absorbants 70, les ondulations du crayon sont parallèles au plan tangent à la surface cylindrique suivant laquelle est disposé l'axe du crayon. Sur la figure 7A, on a représenté les plans tangents aux surfaces cylindriques pour quatre crayons 70a, 70b, 70c, 70d et 70e répartis dans la section de la grappe. Pour des raisons de simplification de la représentation, on a représenté sur la figure 7 uniquement les cinq crayons 70a, 70b, 70c, 70d et 70e dans une vue en élévation.
Les crayons absorbants 70a, 70b et 70e dont les ondulations sont parallèles à un plan perpendiculaire au
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plan de la figure 7 ont une représentation totalement rectiligne sur la figure 7.
Le crayon 70c dont les ondulations sont parallèles à un plan parallèle au plan de la figure 7 montre les ondulations 73 du crayon avec leur amplitude maximale.
Le crayon 70d dont le plan d'ondulation fait un angle de 450 avec le plan de la figure 7 est représenté avec des ondulations 73 dont l'amplitude parait plus faible que l'amplitude des oscillations du crayon 70c.
Pour l'ensemble des crayons absorbants 70 de la grappe, les ondulations du crayon sont parallèles au plan tangent à la surface cylindrique sur laquelle est disposé l'axe du crayon absorbant, le long d'une génératrice de cette surface cylindrique constituée par l'axe moyen rectiligne du crayon.
Sur la figure 10, on a représenté un canal de guidage 78 de la partie de guidage continu d'un tube de guidage des équipements internes supérieurs du réacteur.
Le canal de guidage 78 est un canal de guidage identique aux canaux de guidage 38 représentés sur la figure 2D ménagés dans les parties d'extrémité extérieures des goussets de la partie de guidage continu.
Le canal de guidage 78 est ménagé dans la partie d'extrémité d'un gousset 77 comportant une ouverture 80 de direction radiale dirigée vers l'intérieur du tube de guidage.
On voit de plus sur la figure 10 le contour d'un crayon absorbant 70 dont une partie se trouve à l'intérieur du canal de guidage 78 pendant le fonctionnement du réacteur nucléaire.
Comme décrit plus haut en ce qui concerne le crayon absorbant 50 représenté sur la figure 4, la circulation de l'eau de refroidissement du réacteur nucléaire au niveau de la partie inférieure des équipements internes supérieurs est telle qu'une force 81 s'exerce sur le
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crayon absorbant 70, de manière à le repousser en direction de l'ouverture 80, vers l'intérieur du tube de guidage. Le crayon 70 dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre intérieur du canal de guidage 78 est repoussé par les forces exercées par l'eau de refroidissement, de manière à venir en appui contre la surface intérieure du canal de guidage 78, à l'entrée de louverture 80.
On limite ainsi les vibrations du crayon absorbant 70 qui est maintenu en appui contre une partie interne de la surface du canal de guidage 78, pendant le fonctionnement du réacteur nucléaire.
L'axe moyen rectiligne 72'du crayon absorbant 70 est situé sur une surface cylindrique ayant pour axe l'axe 79 de la grappe de commande 75, dont la trace sur le plan de la figure 10 est constituée par le cercle 83.
Selon l'invention, le crayon absorbant 70 comporte des ondulations parallèles à un plan tangent à la surface cylindrique de trace 83, dont la trace sur le plan de la figure 10 est constituée par la droite 84.
Les ondulations du crayon 70 parallèles au plan de trace 84 ont une amplitude inférieure au jeu radial entre le crayon absorbant et la surface intérieure du canal 78, c'est-à-dire à la différence entre le rayon du canal 78 et le rayon du crayon absorbant 70, et un pas inférieur à la longueur du guidage continu du tube de guidage des équipements internes supérieurs, c'est-à-dire inférieur à la longueur du canal de guidage 78.
De ce fait, comme il est visible sur la figure 10, lorsque le crayon absorbant 70 est repoussé par les forces 81 exercées par le fluide de refroidissement contre la surface interne du canal de guidage 78, il vient en contact avec cette surface interne d'un côté seulement de l'ouverture 80 dans une zone 85a de petite dimension. Il subsiste donc un passage 86a entre le crayon 70 et la surface intérieure du canal de guidage
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78, communiquant avec l'ouverture 80, d'un côté du crayon 80. Du fait de la présence des ondulations 73 du crayon 70 dont le pas est inférieur à la longueur du canal 78, le crayon absorbant 70 vient en contact avec la surface intérieure du canal 78, au voisinage de l'entrée de l'ouverture 80, suivant plusieurs zones de petites dimensions espacées d'une longueur correspondant à un demi-pas des ondulations 73.
Sur la figure 10, on a représenté en traits pleins le contour 87a du crayon absorbant 70 dans une première zone suivant la longueur du canal de guidage 78 correspondant au plan de la figure 10 et en pointillés, le contour 87b du crayon absorbant 80, dans une zone décalée d'un demi-pas des ondulations 73 suivant la longueur du crayon, par rapport à la première zone.
Dans la seconde zone, le crayon 70 vient en contact avec la surface intérieure du canal de guidage 78, à proximité de l'entrée de l'ouverture 80, dans une zone 85b de cette surface interne de petites dimensions située du côté opposé de l'ouverture 80 par rapport à la première zone de contact 85a située dans le plan de la figure 10.
Au niveau de la section 87b, décalée d'un demipas par rapport à la section 87a, un jeu 86b communiquant avec l'ouverture 80 est ménagé entre-la surface extérieure du crayon absorbant et la surface du canal de guidage 78, de sorte que l'eau de refroidissement du réacteur nucléaire peut contourner le crayon pour s'écouler par l'ouverture 80 vers l'intérieur du tube de guidage.
En outre, l'eau de refroidissement peut également s'écouler autour du crayon absorbant 70 pour passer dans l'ouverture 80, le long du tronçon du crayon absorbant 70 compris entre les sections 87a et 87b, du fait que le crayon présentant des ondulations n'est pas en contact
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avec la surface du canal de guidage 78 le long de ce tronçon de crayon.
Il en résulte que la force s'exerçant sur le crayon absorbant est réduite, de même que l'aire totale de contact entre le crayon 70 et le canal de guidage 78.
Le frottement entre le crayon 70 et le canal de guidage 78 est donc fortement réduit lors des déplacements du crayon absorbant 70 à l'intérieur du canal de guidage 78.
Cependant, du fait que le crayon absorbant 70 est maintenu en contact avec la surface intérieure du canal de guidage 78 en plusieurs points, les vibrations du crayon absorbant 70 sous l'effet de la circulation du fluide de refroidissement sont fortement limitées ou même supprimées.
Dans le cas d'un arrêt d'urgence du réacteur nucléaire, la retombée de la grappe de commande jusqu'à sa position d'insertion maximale dans le coeur se produit avec un faible frottement des crayons absorbants contre la surface de guidage des canaux du guidage continu. Du fait de l'amélioration des conditions de glissement de la grappe, le temps de retombée de la grappe en position d'insertion maximale dans le coeur du réacteur nucléaire est réduit, ce qui permet de répondre aux conditions requises par les spécifications en matière de sécurité.
En effet, pour tous les crayons absorbants de la grappe, le contact des crayons absorbants avec les canaux de guidage continu est limité à quelques zones de faible section de part et d'autre de l'ouverture mettant en communication le canal de guidage avec la partie interne du tube de guidage des équipements internes supérieurs. Ce résultat est obtenu par le fait que les ondulations du crayon sont parallèles à un plan tangent à la surface cylindrique suivant laquelle est disposé l'axe du crayon.
Bien entendu, les mêmes résultats sont obtenus aussi bien
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pour tous les crayons absorbants fixés aux extrémités des membranes de la grappe, tels que le crayon 70 représenté sur la figure 10, ces crayons se déplaçant à l'intérieur de canaux de guidage situés vers l'extérieur du tube de guidage que pour les crayons absorbants situés vers l'intérieur de la grappe et destinés à se déplacer à l'intérieur de canaux de guidage situés dans le prolongement interne de l'ouverture 80 d'un gousset 77.
Pour tous les crayons d'une grappe, réalisée suivant le premier ou suivant le second mode de réalisation, on peut donc à la fois limiter ou supprimer les vibrations du crayon et obtenir des conditions de glissement satisfaisantes du crayon dans les canaux de guidage continu d'un tube de guidage.
De préférence, la gaine des crayons absorbants qui est généralement en acier inoxydable au chrome-nickel comporte une couche externe nitrurée d'une épaisseur de 15 à 40 um, comme décrit dans le FR-A-2.604. 188. Cette couche nitrurée qui permet de limiter l'usure du crayon et de réduire le frottement entre le crayon et la surface des éléments de guidage peut être obtenue par nitruration ionique en présence d'azote sous pression réduite. La couche nitrurée peut être continue sur toute la longueur du crayon absorbant ou présente uniquement dans certaines zones soumises à l'usure. Dans le cas d'un crayon comportant des bossages, la nitruration est effectuée de préférence dans les zones de la gaine comportant les bossages.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits.
C'est ainsi que les bossages ou les ondulations peuvent présenter des caractéristiques géométriques différentes de celles qui ont été décrites. Les bossages en saillie radiale sur la surface extérieure de la gaine peuvent présenter toutes formes et dimensions compatibles avec l'utilisation de la grappe. Le formage de la gaine
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des crayons pour réaliser les bossages peut être réalisé par tout procédé tel que l'expansion mécanique ou hydraulique de la gaine. Les bossages peuvent également être constitués par des anneaux qui sont rapportés et fixés sur la surface extérieure de la gaine ou réalisés par usinage de la gaine du crayon. Les ondulations peuvent présenter une forme différente de la forme sinusoïdale.
Leurs pas et amplitudes peuvent être différents de ceux qui ont été donnés à titre d'exemple. Dans tous les cas cependant, l'amplitude radiale des bossages ou l'amplitude des ondulations doivent être inférieures au jeu radial entre le crayon absorbant et les canaux de guidage et la distance entre les bossages ou le pas des ondulations doit être inférieur à la longueur des canaux de guidage. De préférence, la distance entre les bossages ou le pas des ondulations doit être inférieur à la demilongueur des canaux de guidage continu des tubes de guidage.
Par exemple, dans le cas d'un réacteur nucléaire d'une puissance électrique de 1000 MWe, les canaux de guidage continu des tubes de guidage des équipements internes supérieurs ont une longueur voisine d'un mètre, les crayons absorbants des grappes de commande ont un diamètre externe voisin de 9,7 mm et les canaux de guidage des tubes de guidage des équipements internes supérieurs ont un diamètre intérieur voisin de 11,2 mm.
Dans ce cas, on a prévu des bossages ou des ondulations sur les crayons absorbants dont la distance axiale ou le pas sont voisins de 400 mm et dont l'amplitude est voisine de 0,4 mm.
Les bossages et les ondulations des crayons absorbants peuvent être prévues sur tout ou partie de la longueur du crayon.
L'invention peut s'appliquer au cas de toute grappe de commande pour réacteur nucléaire quelle que
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soit la disposition des crayons de la grappe nécessitée par le type d'assemblage combustible utilisé dans le réacteur nucléaire.
De manière générale, l'invention peut s'appliquer au cas de tout réacteur nucléaire refroidi par de l'eau.