FR3085531A1 - Structure etanche pour assemblage de maitrise de la reactivite de reacteur nucleaire a neutrons rapides - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un assemblage de maîtrise de la réactivité nucléaire (1, l'), destiné à être inséré dans un réacteur nucléaire, comprenant : - un boîtier d'assemblage (2), - une barre de contrôle (5), logée et maintenue dans le boîtier d'assemblage, la barre de contrôle pouvant être libérée et comportant : • un faisceau d'aiguilles absorbantes (52), • une coque étanche (56, 53', 56'), • une pièce métallique (55, 55') étanche et réalisée sans liaison mécanique, contenue à l'intérieur de la coque étanche avec un jeu réduit et non nul.

Description

STRUCTURE ETANCHE POUR ASSEMBLAGE DE MAITRISE DE LA REACTIVITE

DE REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES

Domaine technique

La présente invention concerne un assemblage de maîtrise de la réactivité pour réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi avec du métal liquide, notamment du sodium liquide dit RNRNa ou SFR (acronyme anglais de « Sodium Fast Reactor ») et qui fait partie de la famille des réacteurs dits de quatrième génération.

L’invention vise plus particulièrement à proposer une barre de contrôle logée dans un tel assemblage et comportant une structure étanche qui soit adaptée aux contraintes particulières des réacteurs RNR-Na.

L’application principale visée par l’invention concerne un projet de démonstrateur technologique de réacteur de quatrième génération.

De manière générale, bien que décrite en référence à l’application principale, l’invention s’applique à tous les réacteurs nucléaires, et ce quelle que soit la technologie (réacteurs à eau pressurisée REP, à eau bouillante REB, à neutrons rapides RNR), et le cycle combustible mis en œuvre.

Par « assemblage de maîtrise de la réactivité », on entend un ensemble comprenant une barre de contrôle et chargé et/ou déchargé dans/depuis un réacteur nucléaire en un seul tenant.

Par « barre de contrôle » ou « barre de commande », on entend l’ensemble des barres qui pilotent les réactions nucléaires, y compris celles uniquement destinées à l’arrêt d’urgence des réactions.

Etat de la technique

Il est connu de mettre en œuvre des barres de commande ou de contrôle afin de réguler l’activité d’un cœur de réacteur nucléaire et d’empêcher, ou du moins de limiter d’éventuels dysfonctionnements du cœur.

Les barres de commande ou de contrôle dans un réacteur nucléaire sont constituées généralement par des tubes cylindriques contenant des aiguilles absorbantes formées d’un ou plusieurs matériaux neutrophages, c’est-à-dire qui absorbent les neutrons, avec sensiblement les mêmes dimensions que les crayons ou aiguilles combustibles logés au sein des assemblages combustibles du réacteur. Elles sont logées au sein d’assemblages de maîtrise de la réactivité.

Ces barres de contrôle ont pour fonction d’absorber des neutrons afin que le flux neutronique diminue de sorte que le nombre de fissions dans le cœur de réacteur baisse, ce qui entraîne une réduction de la puissance thermique du cœur.

En fonctionnement normal, ces barres sont généralement suspendues au-dessus du cœur, c’est-à-dire au-dessus du niveau auquel sont situés les crayons combustibles. Si une situation requérant une diminution de l’activité du cœur survient, les barres peuvent être insérées au niveau des crayons combustibles pour réguler ou stopper les réactions en chaîne.

Le déplacement des barres, généralement vertical, par insertion ou retrait, permet de cette manière des changements rapides de puissance et l’arrêt du réacteur nucléaire en situation d'urgence.

Dans la plupart des réacteurs existants (sauf REB), l’insertion des barres de commande se fait du haut vers le bas.

Afin de minimiser la probabilité d’une défaillance de l’arrêt d’urgence du cœur à son déclenchement ou au moment de l’insertion des barres, il est envisagé d’intégrer au démonstrateur de réacteur de quatrième génération deux types de systèmes d’arrêt principaux du réacteur. Un système d’arrêt principal est constitué d’un assemblage de maîtrise de la réactivité maintenu par un mécanisme de barre. Dans le cadre du projet de démonstrateur, il est prévu pour des raisons de redondance que deux chaînes de contrôle-commande différentes pilotent chacune le déclenchement de la moitié de chacun des deux types de système d’arrêt principal.

Chaque type de système d’arrêt principal du réacteur intègre un type de barre de contrôle associé à un type de mécanisme de barre. Les assemblages de maîtrise de la réactivité, les mécanismes de barres de contrôle et les chaînes de contrôle-commande sont ainsi conçus pour être redondants, diversifiés et indépendants les uns des autres.

Les deux types de systèmes d’arrêt principaux sont désignés sous les acronymes RBC et RBD. Ils comportent tous deux des barres de contrôle maintenues au-dessus du niveau des crayons combustibles par les grappins électromagnétiques des mécanismes de barre. En cas de déclenchement par les chaînes de contrôle-commande, les grappins libèrent les barres de contrôle qui chutent alors par gravité jusqu’au niveau des crayons combustibles.

Ces systèmes sont qualifiés d’actifs au sens où l’insertion des barres de contrôle doit être déclenchée par les chaînes de contrôle-commande, par exemple suite à la détection par des capteurs d’une situation anormale ou suite à la perte d’un signal électrique, ou encore directement par un opérateur humain. On pourra se reporter à la publication [1],

Une des principales différences entre les systèmes RBC et RBD réside dans l’emplacement du grappin électromagnétique du mécanisme de barre : les grappins du système RBC sont situés en gaz, c’est-à-dire hors de contact du fluide caloporteur, largement au-dessus des assemblages, alors que les grappins du système RBD sont situés au contact du fluide caloporteur à l’intérieur des assemblages.

Un assemblage RBD 1 est représenté en figure 1. Cet assemblage est généralement de forme allongée selon un axe longitudinal et comprend un tube ou boîtier 2 à section hexagonale.

Le boîtier 2 comprend une portion supérieure 3 formant la tête de l’assemblage et une portion centrale 4 enveloppant une barre de contrôle 5 formant une barre neutrophage ou barre de contrôle.

La barre 5 comprend tout d’abord une tête 51 permettant d’assurer sa préhension par le grappin du mécanisme de barre, non représenté sur les figures.

Une pluralité d’aiguilles absorbantes 52 est agencée sous la tête 51 et un piston 54 formant l’extrémité distale est fixé au reste de la barre 5 par une pièce de liaison 53.

L’assemblage comporte également une portion inférieure 6 dans le prolongement du boîtier 2, formant un pied. Ce dernier possède une extrémité dont la forme est adaptée pour que le pied 6 puisse être inséré à la verticale dans les chandelles du sommier, ou support, d’un cœur de réacteur. Des ouvertures 7 sont également prévues dans le pied 6 afin de permettre la circulation dans l’assemblage du fluide caloporteur primaire, soit du sodium liquide dans le cas d’un RNRNa. Le fluide caloporteur pénètre donc au sein de l’assemblage par les ouvertures 7 et circule en remontant le long du boîtier.

Tel que représentée en figure 1, la barre de contrôle 5 n’est pas en position suspendue : elle est en butée en bas de l’assemblage, en une position axiale correspondant à la zone fissile des assemblages combustibles alentours, non représentés.

Afin d’amortir la chute de la barre de contrôle 5 lors du déclenchement du dispositif d’arrêt, un dispositif d’amortissement de la chute des barres est localisé en extrémité distale de la barre 5.

Ce dispositif d’amortissement est constitué par le piston 54. Ce dernier est adapté pour venir s’insérer dans un fourreau 8 logé dans le boîtier de forme complémentaire au piston. Le ralentissement de la chute est en effet réalisé par dissipation visqueuse lors de la pénétration du piston 54 dans le fourreau 8, le piston rencontrant une résistance à la chute due à la présence du fluide caloporteur au sein du fourreau.

Les figures 2 et 3 montrent une vue détaillée d’un dispositif d’amortissement respectivement après et avant la chute de la barre de contrôle dans le fourreau 8.

Dans le cadre de la conception d’un réacteur de génération IV, il est également prévu des dispositifs de sûreté complémentaires aux systèmes d’arrêt principaux. Ces dispositifs complémentaires de sûreté visent à prévenir une fusion du cœur en cas de défaillance des systèmes d’arrêt principaux.

Afin d’éviter une défaillance commune au déclenchement avec les systèmes d’arrêt principaux, il est prévu que le déclenchement de ces dispositifs de sûreté complémentaires soit passif : le déclenchement doit survenir sans qu’une intervention d’un moyen de détection ou d’un opérateur soit nécessaire. Il suffit qu’un phénomène physique donné, tels qu’une baisse de débit du fluide caloporteur ou une augmentation de température, se produise pour que la barre de contrôle d’un dispositif passif soit insérée.

Dans le cadre du projet de démonstrateur technologique de réacteur de génération IV, les dispositifs complémentaires sont spécifiquement conçus pour que la chute de la barre de contrôle résulte d’une diminution du débit du fluide caloporteur primaire. En effet, dans un assemblage passif tel qu’envisagé dans ce cadre, la sustentation des barres est assurée par la circulation du fluide caloporteur.

Ainsi, si le débit du fluide caloporteur tombe en-deçà d’une valeur limite, la sustentation des barres n’est plus assurée et ces dernières viennent par conséquent s’insérer au niveau des crayons combustibles pour limiter ou stopper la réaction en chaîne.

Un assemblage de ce type est connu sous l’acronyme RBH. On pourra se référer à la publication [1] ou aux demandes de brevet FR3044155 Al et FR3044156 Al au nom de la demanderesse qui décrivent un tel assemblage RBH.

Comme illustré en figure 4, un assemblage RBH 1 ’ comporte un boîtier de section hexagonale 2, une tête d’assemblage 3’, une portion centrale 4 logeant la barre de contrôle 5, ainsi qu’un pied 6 dans lequel sont réalisées des ouvertures 7 adaptées pour permettre la circulation de sodium liquide au sein du boîtier de l’assemblage.

La barre 5 comprend une pluralité d’aiguilles 52 et un pion de portance 54’ fixé au reste de la barre 5 par l’intermédiaire d’une pièce de liaison 53’.

L’assemblage RBH de la figure 4 se distingue d’un assemblage RBD notamment en ce que la barre de contrôle est maintenue en suspension uniquement par la circulation du fluide caloporteur au sein de l’assemblage.

En effet et comme plus particulièrement visible en figure 5, l’extrémité distale de la barre de contrôle 5 comporte un pion de portance 54’. En position suspendue de la barre, ce pion 54’ est logé au sein d’une virole 9 avec un jeu j 1 faible entre eux.

En raison de la circulation du fluide caloporteur primaire, qui entre par les ouvertures 7 et remonte le long du boîtier 2, la barre de contrôle 5 se trouve en sustentation sous l’effet de la perte de charge du fluide caloporteur au niveau de la virole 9. Cette perte de charge est due à la présence du jeu réduit j 1.

Il en résulte qu’en cas de baisse significative du débit du fluide caloporteur, une perte de sustentation des barres de contrôle advient, ce qui provoque son insertion subséquente au niveau du cœur du réacteur.

Cependant, dans le cadre de la conception d’un réacteur RNR-Na, des contraintes particulières pèsent aussi bien sur la conception des assemblages RBH que sur celle des assemblages RBD.

En premier lieu, lors du démantèlement du réacteur, les assemblages du cœur doivent être traités de manière à vidanger le fluide caloporteur, c’est-à-dire le sodium liquide dans le cas de réacteurs RNR-Na, ainsi qu’à laver et découper les différents composants afin de les orienter vers les différentes filières de traitement.

Il est par exemple prévu, pour le démonstrateur de réacteur de quatrième génération, que les assemblages combustibles soient lavés par immersion dans de l’eau puis stockés en piscine pour une période de décroissance radioactive, avant d’être démantelés en usine de traitement.

Ces opérations ne sont pas applicables telles quelles aux assemblages de maîtrise de la réactivité actuellement proposés, en raison notamment de la présence résiduelle de sodium liquide dans les aiguilles absorbantes et en raison de la propension du sodium à réagir violemment avec l’eau.

En effet, aucune des solutions technologiques de désodage étudiées à ce jour ne permet d’obtenir un désodage efficace et intégral de ces aiguilles absorbantes à l’échelle industrielle.

Ainsi, plutôt qu’une immersion dans l’eau, un lavage par atomisation est envisagé pour les assemblages de maîtrise de la réactivité, c’est-à-dire un lavage par projection de brouillard humide. Mais, il reste malgré tout essentiel de minimiser la quantité résiduelle de sodium liquide notamment dans l’optique d’éviter tout incident de réactivité avec l’eau.

En outre, il est souhaitable voire nécessaire de développer des parties de barres absorbantes qui soient creuses. En effet, les dimensions d’un pion d’assemblage RBH et d’un piston d’assemblage RBD par exemple, avec un diamètre de l’ordre de la dizaine de centimètres, ne permettent pas l’utilisation de pièces pleines dans le cadre du démonstrateur de générateur de quatrième génération. En raison du niveau d’irradiation significatif auquel sont soumises ces pièces, la température en leur sein serait susceptible de dépasser les limites de température imposées par les critères de sécurité des composants du réacteur.

La masse d’un pion de portance d’un assemblage RBH doit de plus être minimisée autant que possible, afin de faciliter la sustentation de la barre de contrôle par le fluide caloporteur.

Il est également préférable de minimiser la masse d’un piston d’un assemblage RBD du fait de l’utilisation d’un grappin électromagnétique pour la préhension de la barre de contrôle, même si la minimisation de la masse est un critère moins critique dans ce cas de figure que dans celui du pion de portance d’un assemblage RBH. Il s’agit cependant d’une exigence impérative dans le cas d’une barre de commande dont la séparation avec le mécanisme de barre est assurée par un électroaimant en immersion dans le sodium caloporteur.

En tous les cas, il s’avère indispensable, dans le cadre de la conception du démonstrateur de réacteur de quatrième génération, de développer des pièces creuses.

Les parties de barres absorbantes comportant des volumes de rétention potentiels de fluide caloporteur, en particulier les pièces creuses, doivent également présenter une excellente étanchéité au fluide caloporteur.

Si tel n’était pas le cas, il faudrait en effet prévoir des cavités de remplissage et de vidange de diamètre significatif, et ce pour plusieurs raisons.

Parmi celles-ci, il s’agit notamment d’être en mesure de garantir la vidange complète de la barre. En effet, une rétention éventuelle de fluide tel que le sodium liquide n’est pas aisément détectable par inspection visuelle, par exemple au travers de la tête de l’assemblage : il est donc important de limiter les quantités résiduelles de sodium, toujours dans le but de prévenir toute réaction violemment exothermique avec l’eau.

Il s’agit également de prévenir tout risque d’obturation des cavités par un phénomène de capillarité du sodium liquide en fin de vidange, car cela entraînerait ensuite la formation d’un bouchon qui empêcherait la circulation du brouillard humide lors de la phase d’atomisation en puits de lavage.

Il faut enfin permettre un accès dégagé au brouillard humide en phase d’atomisation en puits de lavage.

Mais, de telles cavités de remplissage ne représentent pas une solution adaptée. En effet, ces cavités ont également pour effet de dégrader les performances de sustentation hydraulique de la barre de contrôle d’assemblage RBH, et d’autre part de dégrader les performances d’amortissement visqueux de la barre de contrôle d’assemblage RBD.

Ce dernier point, relatif à la fonction d’amortissement visqueux, peut également concerner le pion de portance de barre d’assemblage RBH dans la mesure où il est envisageable que ce pion réalise, outre la fonction de sustentation de la barre, la même fonction d’amortissement visqueux en fin de chute que celle du piston de RBD.

Ainsi, les inventeurs ont été confrontés au problème consistant à concevoir une structure pour barre de contrôle qui, tout en étant de préférence creuse, présente un risque minimal de perte d’étanchéité au fluide caloporteur.

Cette perte d’étanchéité peut par exemple résulter d’un phénomène de corrosion, ou encore de contraintes mécaniques excessives menant à l’apparition de fissures, aussi bien avant que pendant le fonctionnement du réacteur.

Si une telle défaillance survenait, le remplissage par le fluide caloporteur d’une structure pour barre de contrôle (aussi bien dans le cas d’un assemblage RBD que RBH) conduirait à des masses de sodium liquide résiduel, après vidange, atteignant des valeurs maximales de l’ordre du kilogramme, et ce uniquement en tenant compte du sodium contenu dans ladite structure.

Une telle quantité de sodium résiduel n’est pas acceptable, car cette valeur représente la masse maximale de sodium résiduel autorisée, suite à la vidange, pour l’assemblage dans son entièreté.

Or, il est jugé que l’utilisation de procédés de soudage ou de réalisation de liaison mécanique conventionnels pour la fabrication de structures pour barre de contrôle ne permet pas d’écarter ce risque de perte d’étanchéité, avec un taux de confiance suffisant.

En outre, les barres de contrôle sont susceptibles d’avoir des vitesses élevées au moment de l’impact en fin de chute avec la butée ménagée dans le fourreau correspondant, en dépit de la présence du dispositif d’amortissement visqueux. Le choc généré à cette occasion crée des contraintes mécaniques importantes, qui impliquent un risque de défaillance de la soudure ou de la liaison mécanique si les barres ont été fabriquées par un procédé conventionnel.

Il existe donc un besoin d’améliorer les structures pour barres de contrôle d’assemblages de maîtrise de la réactivité pour réacteurs nucléaires, notamment afin de proposer des structures étanches, pouvant être creuses, tout en minimisant les risques de perte d’étanchéité, en vue de permettre leur lavage en toute sécurité en fin de vie du réacteur, sans pour autant impacter leurs fonctions principales, par exemple de sustentation et/ou d’amortissement.

Le but de l’invention est de répondre au moins partiellement à ce besoin.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention a pour objet un assemblage de maîtrise de la réactivité nucléaire, destiné à être inséré dans un réacteur nucléaire, comprenant :

- un boîtier d’assemblage,

- une barre de contrôle, logée et maintenue dans le boîtier d’assemblage, la barre de contrôle pouvant être libérée et comportant :

• un faisceau d’aiguilles absorbantes, • une coque étanche, • une pièce métallique étanche et réalisée sans liaison mécanique, contenue à l’intérieur de la coque étanche avec un jeu réduit et non nul.

Ainsi, l’invention consiste essentiellement à prévoir deux composants distincts pour la réalisation d’une structure étanche pour barre de contrôle d’un assemblage de maîtrise de la réactivité une coque externe, d’une épaisseur typiquement de l’ordre de 1 à 2 mm, contient en son sein une pièce étanche et réalisée sans liaison mécanique conventionnelle, avec un jeu mécanique réduit mais non nul. La pièce interne peut être libre au sein de la coque étanche.

Autrement dit, la structure étanche selon l’invention consiste en une coque creuse contenant une pièce, qui ne présente du fait de sa structure monobloc aucun risque de défaut de liaison mécanique ou de faiblesse structurelle au niveau d’une liaison.

Le caractère métallique de la pièce interne lui permet de disposer d’une part d’une ductilité et d’une résilience importantes, nécessaires au vu de l’ensemble des contraintes thermomécaniques en fonctionnement (par exemple en cas d’impact en fin de chute), et d’autre part d’une conductivité thermique suffisamment élevée pour éviter que la pièce atteigne des températures trop élevées au regard des contraintes de sécurité.

La solution selon l’invention apporte donc une réponse aux contraintes rencontrées par les inventeurs. L’utilisation de deux composants, l’un interne et l’autre externe, permet un découplage des fonctions assurées par la structure étanche de la barre de contrôle. La coque assure une première barrière d’étanchéité à l’encontre du fluide caloporteur et permet d’assurer l’amortissement de la barre en fin de chute dans le cas où ladite structure constitue un piston d’un assemblage RBD ou un pion de portance d’un assemblage RBH. La pièce interne crée une seconde barrière d’étanchéité qui limite la quantité de fluide caloporteur susceptible de pénétrer dans la structure étanche même en cas de perte d’étanchéité de la coque. Ainsi, grâce à l’invention, la probabilité d’un remplissage du volume de la structure étanche par le fluide caloporteur se trouve fortement réduite.

De manière avantageuse, lors d’un choc en fin de chute, les contraintes mécaniques générées sur la pièce interne au moment de l’impact sont fortement diminuées par rapport aux contraintes subies par la coque dans la mesure où le jeu développé entre les deux composants assure un découplage mécanique, ce qui réduit encore les risques de perte d’étanchéité de la pièce interne.

La coque est fabriquée et soudée sur la base de procédés d’élaboration conventionnels. En effet, les procédés de fabrication plus récents, tels que ceux envisagés pour la fabrication de la pièce interne, ne sont pas encore qualifiés pour la réalisation de composants de cœur de RNR remplissant des fonctions structurelles.

Or, grâce au découplage des fonctions décrit ci-dessus, la pièce interne peut, elle, être fabriquée par des procédés plus récents, puisque son rôle se limite à garantir l’étanchéité au fluide caloporteur en vue des opérations de vidange et de lavage en fin de vie du réacteur. Il est donc possible de tirer profit des avancées récentes effectuées dans le domaine des procédés de fabrication pour la pièce interne.

De façon avantageuse, le fait d’utiliser deux composants, coque externe et pièce interne, issus de procédés de fabrication différents, réduit fortement la probabilité d’une même défaillance pour chacun des composants. Par exemple, une éventuelle défaillance de la soudure de la coque ne sera pas reproduite sur la pièce interne.

Ainsi, selon un premier mode de réalisation, la pièce métallique interne possède une structure cellulaire fermée, c’est-à-dire une structure dont les cellules sont fermées les unes aux autres et étanches entre elles, ou semi-ouverte.

En particulier, la pièce métallique interne peut être constituée d’une mousse métallique ou d’une structure en nid d’abeille, dont les cellules ont de préférence des dimensions inférieures à 20% de l’épaisseur de la pièce métallique interne.

Par « structure en nid d’abeille », on entend une structure en sandwich dont la partie centrale, comprise entre deux plaques pleines, possède une structure cellulaire.

La porosité d’une structure cellulaire, c’est-à-dire le rapport du volume des pores sur le volume total du matériau, peut atteindre 90%.

Grâce à ces caractéristiques, la pièce interne présente une très bonne capacité d’absorption de l’énergie transmise lors d’un choc en fin de chute. En effet, une mousse présente un caractère ductile et résilient. De plus, même en cas de choc mécanique suffisamment important pour endommager à la fois la coque et la pièce interne, la structure en cellules, dont on rappelle que les cellules sont fermées les unes aux autres, limite la pénétration de fluide caloporteur à la seule zone de la pièce interne dégradée par l’impact.

Plusieurs procédés sont connus pour l’obtention d’une structure cellulaire dont les cellules sont fermées, notamment de structures sous forme de mousse métallique [2, 3, 4], On pourra citer par exemple, comme procédés utilisables, les procédés de moussage à l’état liquide, de moussage de poudres compactées et de moussage à l’état solide.

Ainsi, un premier type de procédé de fabrication d’une pièce métallique interne selon l’invention consiste à injecter du métal liquide entre une structure interne étanche et réfractaire, ayant une épaisseur de l’ordre du millimètre, et un moule externe. L’espace entre la structure interne et le moule, définissant l’épaisseur de la pièce métallique interne, n’est que partiellement rempli afin de laisser un espace libre suffisant pour l’expansion de la mousse métallique. Cette dernière est produite par insufflation directe de gaz ou par introduction préalable d’une poudre agissant comme agent moussant. On peut envisager dans ce dernier cas de recourir à une technique de fonderie sous pression et à un agent moussant à vitesse de décomposition rapide. La mousse étant alors refroidie par le contact avec le moule de façon très rapide, il n’est pas nécessaire d’envisager l’introduction de particules stabilisantes pour assurer l’homogénéité de la structure cellulaire.

Parmi les métaux susceptibles d’être utilisés pour la fabrication d’une telle mousse métallique, on peut citer plusieurs nuances d’acier et le titane, tels que les aciers austénitiques (comme l’acier 316 et autres nuances d’acier stabilisées au titane développées pour les assemblages de cœur dans le cadre des programmes Phénix et Superphénix), les aciers ferritiquesmartensitiques ou martensitiques (comme les aciers T91 ou EM10), le titane et ses alliages (par exemple le Ta6V). D’autres métaux réfractaires ou alliages métalliques à base de niobium, molybdène ou vanadium peuvent également convenir.

A la suite de cette étape de production de la mousse métallique, le moule externe est retiré. La structure interne, pour sa part, reste piégée au sein de la mousse métallique : cela n’a pas d’influence sur les performances de la pièce métallique obtenue en raison de la faible épaisseur de cette structure. Une opération d’usinage peut avoir lieu si nécessaire afin de rectifier d’éventuels défauts de la structure en mousse métallique, notamment au niveau de l’emplacement de la buse d’injection du métal liquide.

On obtient de cette manière une pièce en mousse métallique d’une épaisseur de l’ordre du centimètre.

Un deuxième type de procédé de fabrication d’une pièce métallique interne selon l’invention se fonde sur l’utilisation d’un précurseur, c’est-à-dire un métal liquide ou une poudre métallique comportant un agent moussant. Ces précurseurs peuvent être injectés dans l’espace entre une structure interne étanche et réfractaire et un moule. De façon alternative, on peut envisager une projection sur la structure interne d’un précurseur liquide intégrant un agent moussant, formant ainsi une couche de faible épaisseur sur la structure. Après une éventuelle étape d’usinage visant à rectifier l’épaisseur de cette couche, le moule est mis en place autour de la structure interne. Il est également envisageable de déposer à froid sur la structure interne une poudre métallique comportant un agent moussant puis de la compresser, avant d’éventuellement rectifier son épaisseur puis de mettre en place le moule. Quelle que soit la méthode employée pour déposer ou injecter le précurseur, une fois le moule en place, on procède au chauffage de l’ensemble afin de liquéfier le précurseur et d’assurer la décomposition de l’agent moussant. Le moule est alors rempli par l’expansion de la mousse. Comme pour le procédé de fabrication détaillé ci-avant, une opération d’usinage visant à rectifier d’éventuels défauts de la structure en mousse métallique peut avoir lieu après le retrait du moule.

L’agent moussant peut être choisi notamment en fonction de la composition de la mousse métallique et peut notamment être un hydrure ou un carbonate tel que de l’hydrure de titane, de zirconium, de magnésium ou de calcium, ou du carbonate de calcium ou de la dolomite.

De manière avantageuse, ces procédés de fabrication ne présentent pas de difficultés d’extraction de chaleur lors de l’étape de solidification de la mousse dans le moule, grâce à la faible épaisseur de la pièce métallique en mousse. Cette problématique d’extraction de chaleur est courante lors de l’utilisation de procédés de moussage en raison de la faible conductivité thermique des mousses.

Dans le cadre de l’invention, il est néanmoins envisageable que les cellules ne soient pas entièrement fermées les unes aux autres : elles peuvent être semi-ouvertes. En effet, si les orifices de communication entre deux cellules ont une dimension suffisamment faible et que le matériau utilisé n’est pas mouillé par le sodium aux températures de fonctionnement, une structure constituée de telles cellules pourrait tout de même répondre au critère d’étanchéité au sodium par refoulement capillaire du sodium liquide. Un matériau céramique de type phase MAX, tel que TÎ3SÎC2, peut être envisagé pour réaliser une telle structure.

Dans ce cas, d’autres procédés de fabrication de mousse métallique pourraient être mis en œuvre, comme par exemple le moussage d’une suspension de poudre métallique ou encore l’infiltration de métal liquide dans un moule élaboré par fabrication additive.

Selon un second mode de réalisation, la pièce métallique interne est obtenue par fabrication additive. Ce mode de fabrication permet d’éviter toute opération de soudure sur la pièce interne.

Parmi les procédés de fabrication additive adaptés au cadre de la présente invention, on pourra citer les procédés de type LMD (acronyme anglais pour Laser Melting Deposition) et de type LBM ou EBM (Laser Beam Melting et Electron Beam Melting, respectivement). Ces deux derniers procédés nécessiteraient de réaliser deux ouvertures, l’une de soufflage et l’une d’évacuation, afin d’évacuer la poudre résiduelle. Toutefois, ces ouvertures peuvent être aisément colmatées dans le cadre du même procédé de fabrication additive.

De préférence, la pièce métallique interne obtenue par fabrication additive est réalisée en un métal présentant une température de fusion élevée, typiquement supérieure à 1400 °C, pour tenir compte des conditions de fonctionnement au sein du réacteur, et présentant un bon comportement sous irradiation. Parmi les métaux susceptibles de convenir à cette application on peut citer plusieurs nuances d’acier et le titane, tels que les aciers austénitiques (comme l’acier 316 et autres nuances d’acier stabilisées au titane développées pour les assemblages de cœur dans le cadre des programmes Phénix et Superphénix), les aciers ferritiques-martensitiques ou martensitiques (comme les aciers T91 ou EM 10), le titane et ses alliages (par exemple le Ta6V). D’autres métaux réfractaires ou alliages métalliques à base de niobium, molybdène ou vanadium peuvent également convenir.

Selon une variante avantageuse, la pièce métallique interne est une pièce creuse et d’épaisseur suffisante pour assurer l’étanchéité de la pièce métallique interne. De préférence, l’épaisseur de la pièce métallique interne est de l’ordre de 0,5% à 10% de son diamètre, préférentiellement de l’ordre de 0,5% à 5% de son diamètre, lorsqu’elle est réalisée par fabrication additive. Dans le cas d’une structure cellulaire, l’épaisseur de la pièce peut alors être comprise entre 0,5 cm et 2 cm afin de respecter les contraintes thermiques pesant sur la pièce. Dans le cas d’une pièce obtenue par fabrication additive, l’épaisseur de la pièce peut être comprise entre 0,5 mm et 5 mm.

Le fait d’utiliser une pièce interne creuse permet de minimiser la masse de la barre de contrôle, ce qui est l’un des objectifs de l’invention. Cela facilite notamment la sustentation de la barre de contrôle. Une pièce creuse entraîne également une limitation de la montée en température de la pièce qui, même si elle est soumise à une irradiation importante, est suffisamment mince et poreuse (dans le cas d’une structure cellulaire) pour éviter qu’elle n’atteigne des températures rédhibitoires. Enfin, si la pièce interne est creuse, la quantité de déchets activés par irradiation lors du fonctionnement du réacteur est également minimisée.

De manière alternative, la pièce métallique interne est entièrement remplie par la structure cellulaire. En effet, lorsque les contraintes de sécurité sont moindres que dans l’application principale visée par l’invention et notamment lorsque la pièce est soumise à une irradiation moins intense, il peut être préférable de prévoir une pièce interne remplie, en particulier lorsque la pièce est réalisée en mousse métallique.

Selon une caractéristique avantageuse, la pièce métallique interne est contenue dans la coque avec un jeu mécanique réduit et non nul, dimensionné pour empêcher tout dommage excessif sur la pièce interne en cas d’impact subi par la coque, ainsi que pour restreindre la quantité de fluide caloporteur susceptible de pénétrer dans la coque en cas de perte d’étanchéité de cette dernière.

Ce jeu est de préférence inférieur à 1 mm, de préférence encore inférieur à 0,5 mm.

On note que le caractère réduit de ce jeu ne pose pas de problème structurel au cours du fonctionnement du réacteur. En effet, même en cas d’interaction mécanique entre la pièce interne et la coque (par exemple en raison de comportements différents en conditions de fonctionnement en termes de dilatation et de gonflement sous irradiation), la différence de raideur entre la coque et la pièce interne suffit à limiter les risques d’endommagement des deux composants. En particulier, lorsque la pièce interne est constituée d’une mousse métallique ou d’une structure en nid d’abeille, elle est bien adaptée pour accommoder les déformations en question sans endommager la coque.

Selon un mode de réalisation avantageux, les volumes libres de la coque étanche et/ou de la pièce métallique interne sont remplis de gaz inerte, tel que de l’hélium ou de l’argon. Ce remplissage est par exemple réalisé par fabrication de l’ensemble sous atmosphère contrôlée.

Ces volumes libres comprennent l’espace entre la pièce métallique interne et la coque, l’intérieur de la pièce métallique interne lorsque cette dernière est creuse, ainsi que les cellules de la structure de la pièce métallique interne lorsque cette dernière est réalisée en une structure cellulaire.

L’assemblage de maîtrise de la réactivité comportant la structure étanche, telle que décrite peut être un assemblage dont le déclenchement est assuré par un système de contrôlecommande (i.e. de type RBD). Dans ce cas, la structure étanche peut plus particulièrement être un piston de dissipateur visqueux d’un tel assemblage.

L’assemblage de maîtrise de la réactivité peut aussi être un dispositif complémentaire de sûreté à déclenchement passif. Dans ce cas, la structure étanche peut plus particulièrement être un pion de portance d’un assemblage de type RBH.

L’invention porte aussi sur l’utilisation d’un assemblage de maîtrise de la réactivité tel que décrit dans les paragraphes précédents dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides.

Enfin, l’invention concerne l’utilisation d’un assemblage de maîtrise de la réactivité selon l’invention dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides, le réacteur étant refroidi au métal liquide, le métal liquide étant choisi parmi le sodium, le plomb ou le plomb-bismuth.

Description détaillée

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :

- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’un assemblage RBD connu de l’art antérieur, la barre de contrôle étant en position d’insertion au niveau des crayons combustibles ;

- la figure 2 illustre en coupe longitudinale le piston d’un assemblage RBD connu de l’art antérieur, la barre de contrôle étant en position d’insertion au niveau des crayons combustibles

- la figure 3 représente en coupe longitudinale le piston de l’assemblage RBD de la figure 1, la barre de contrôle étant en position suspendue au-dessus du niveau des crayons combustibles ;

- la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d’un assemblage RBH connu de l’art antérieur, la barre de contrôle étant en sustentation au-dessus du niveau des crayons combustibles ;

- la figure 5 détaille en une coupe longitudinale le pion de portance de l’assemblage RBH de la figure 4 ;

- la figure 6 montre une coupe longitudinale d’un piston d’assemblage RBD selon l’invention, la pièce interne étant réalisée par fabrication additive ;

- la figure 7 est similaire à la figure 6 si ce n’est que la pièce interne est en mousse métallique ;

- la figure 8 illustre l’objet de la figure 7 en vue écorchée ;

- la figure 9 représente un pion de portance d’un assemblage RBH selon l’invention, la pièce interne étant réalisée par fabrication additive ;

- la figure 10 est similaire à la figure 9 si ce n’est que la pièce interne est en mousse métallique ;

- la figure 11 montre l’objet de la figure 10 en vue écorchée.

Par souci de clarté, les mêmes références désignant les mêmes éléments d’assemblage RBH et d’assemblage RBD selon l’art antérieur et selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 à 11.

Dans l’ensemble de la présente demande, les termes «vertical», «inférieur», « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus » sont à comprendre par référence par rapport à un assemblage de maîtrise de la réactivité tel qu’il est en configuration verticale dans un réacteur nucléaire.

Les figures 1 à 5 relatives à l’état de l’art ont déjà été décrites en détail en préambule et ne sont donc pas commentées ci-après.

On décrit maintenant, en référence à la figure 6, un piston de barre de contrôle d’assemblage RBD selon l’invention.

Le piston de la figure 6 peut être monté sur un assemblage RBD tel que représenté en figure 1.

Conformément à l’invention, le piston 54 de barre de contrôle est constitué d’une coque étanche 56 à l’intérieur de laquelle est logée une pièce interne 55.

Dans ce mode de réalisation, la pièce interne 55 est obtenue par fabrication additive : il en résulte que son épaisseur est réduite, en particulier en comparaison de l’épaisseur de la pièce interne 55 de la figure 7. Cela résulte du caractère non poreux de la pièce obtenue par fabrication additive.

Un jeu mécanique j2 faible, au maximum de l’ordre du millimètre, est ménagé entre la coque 56 et la pièce interne 55. La pièce 55, libre au sein de la coque 56, repose sur la partie basse de la coque 56 lorsque l’assemblage est en position verticale d’insertion.

La liaison entre la coque 56 et la pièce de liaison 53 est assurée par une soudure 57 effectuée sur la circonférence de la coque, typiquement par un procédé de soudage TIG orbital. Cette soudure 57 apparaît plus clairement en figure 8.

Le mode de réalisation de la figure 7 diffère de celui de la figure 6 en ce que le matériau de la pièce interne 55 est une mousse métallique. Cette caractéristique autorise, d’un point de vue thermique, et nécessite, d’un point de vue mécanique, une plus grande épaisseur de la pièce en raison du caractère poreux du matériau.

La figure 9 illustre un pion de portance 54’ de barre de contrôle d’un assemblage RBH, fixé à cette dernière par la pièce de liaison 53’. Dans ce mode de réalisation, la coque étanche est formée en partie par la pièce de liaison 53’ et en partie par le fond de coque 56’, ces deux pièces étant reliées par la soudure 57.

De la même manière que le piston 54 illustré en figures 6 à 8, le pion 54’ est constitué d’une coque étanche 53’, 56’ enveloppant une pièce métallique interne 55’ avec un jeu j2 réduit et non nul. La pièce interne 55’ est montée libre au sein de la coque 53’, 56’.

La pièce interne 55’ représentée en figure 9 est obtenue par fabrication additive, alors que la pièce interne 55’ de la figure 10 consiste en une mousse métallique. La différence d’épaisseur entre ces deux pièces 55’ est due aux mêmes raisons que celles expliquant la différence d’épaisseur entre les pistons des figures 6 et 7.

La figure 11 est une vue écorchée de la structure selon la figure 10.

D’autres variantes et avantages de l’invention peuvent être réalisés sans pour autant sortir du cadre de l’invention. L’invention n’est ainsi pas limitée aux exemples décrits précédemment.

Bien que décrite en référence à l’application principale visée, à savoir la réalisation de barres de contrôle, d’assemblage de maîtrise de la réactivité pour réacteur nucléaire de type RNR

Na, l’invention est également applicable à des réacteurs nucléaires utilisant d’autres caloporteurs métalliques (plomb, plomb-bismuth notamment).

Références citées [1] : https://www.researchgate.net/publication/301794315; B. FONTAINE, P.SCIORA,

M. VANIER, C.VENARD « ASTRID : an innovative control rod system to manage reactivity » [2] : Techniques de l’ingénieur, N 3800, Jonathan DAIRON, «Mousses métalliques - Structures et procédés de fabrication » [3] : Techniques de l’ingénieur, N 3801, Yves GAILLARD, «Mousses métalliques - Propriétés » [4] : Techniques de l’ingénieur, N 3802, Yves GAILLARD, « Mousses métalliques - Applications industrielles »

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Assemblage de maîtrise de la réactivité nucléaire (1, Γ), destiné à être inséré dans un réacteur nucléaire, comprenant :

   - un boîtier d’assemblage (2),

   - une barre de contrôle (5), logée et maintenue dans le boîtier d’assemblage, la barre de contrôle pouvant être libérée et comportant :

   • un faisceau d’aiguilles absorbantes (52), • une coque étanche (56, 53’, 56’), • une pièce métallique (55, 55’) étanche et réalisée sans liaison mécanique, contenue à l’intérieur de la coque étanche avec un jeu réduit et non nul.
2. 2. Assemblage selon la revendication 1, la pièce métallique interne ayant une structure cellulaire fermée ou semi-ouverte.
3. 3. Assemblage selon la revendication 2, la pièce métallique interne étant constituée d’une mousse métallique ou d’une structure en nid d’abeille, dont les cellules ont de préférence des dimensions inférieures à 20% de l’épaisseur de la pièce métallique interne.
4. 4. Assemblage selon la revendication 1, la pièce métallique interne étant obtenue par fabrication additive.
5. 5. Assemblage selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pièce métallique interne étant creuse et d’épaisseur suffisante pour assurer l’étanchéité de la pièce métallique interne.
6. 6. Assemblage selon l’une des revendications 2 ou 3 en combinaison avec la revendication 5, l’épaisseur de la pièce métallique interne étant de l’ordre de 0,5% à 10% de son diamètre, de préférence de l’ordre de 0,5% à 5% si la pièce métallique interne est obtenue par fabrication additive.
7. 7. Assemblage selon l’une des revendications 2 ou 3, la pièce métallique interne étant entièrement remplie par la structure cellulaire.
8. 8. Assemblage selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pièce métallique interne étant contenue dans la coque avec un jeu mécanique inférieur à 1 mm, de préférence inférieur à 0,5 mm.
9. 9. Assemblage selon l’une quelconque des revendications précédentes, les volumes libres de la coque étanche et/ou de la pièce métallique interne étant remplis de gaz inerte tel que de l’hélium ou de l’argon.
10. 10. Assemblage selon l’une des revendications précédentes, l’assemblage étant un assemblage de maîtrise de la réactivité dont le déclenchement est assuré par un système de contrôle-commande.
11. 11. Assemblage selon la revendication précédente, la coque étanche et la pièce interne 5 métallique formant un piston de dissipateur visqueux.
12. 12. Assemblage selon l’une des revendications 1 à 9, l’assemblage étant un dispositif complémentaire de sûreté à déclenchement passif.
13. 13. Assemblage selon la revendication précédente, la coque étanche et la pièce interne métallique formant un pion de portance.

    10
14. 14. Utilisation d’un assemblage de maîtrise de la réactivité selon l’une des revendications précédentes dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides.
15. 15. Utilisation selon la revendication précédente, le réacteur étant refroidi au métal liquide, le métal liquide étant choisi parmi le sodium, le plomb ou le plomb-bismuth.