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L'inventioll concerne un procédé de contrôle des
effets de réactivité dus aux variations de puissance dans les
réacteurs nucléaires à eau préssurisée utilisant le déplace-
ment dans les assemblages combustibles de grappes mobiles de
matériau absorbant ainsi que le bore soluble pour la correction
des effets à long terme de réactivité.
Le fonctionnement des réacteurs de puissance peut
se concevoir comme une juxtaposition ou une superposition de
trois types de fonctionnements fondamentaux.
Ces trois types de fonctionnement sont :
- le fonctionnement en centrale de base où la puissance demandée
est constante. Cette puissance peut être fixée à un niveau
quelconque entre 15 et 100% de la puissance nominale.
- le fonctionrlement en suivi de charge journalier suivant un
profil pratiquement constant se présentant comme une succession
de paliers à des niveaux situés entre 30 et 100 % de la puissance
nominale. Dans ce type de fonctionnement on doit pouvoir
revenir à chaque instant à la puissance nominale à très grande
vitesse.
- le fonctionnement dit en "téléréglage" où la puissance fluctue
de façon aléatoire dans une bande de puissance centrée sur une
valeur de référence P0 et d'une amplitude de l'ordre de 20 % de
la puissance de référence.
Les fluctuations peuven-t se traduire par les varia-
tions de puissance de l'ordre de 1,5 % par mn en moyenne avec
des variations exceptionnelles pouvant aller jusqu'à 18 %
par mn. Ce type de fonctionnement suppose évidemment un
retour instantané à la puissance nominale possible à tout
instant.
Dans le cas des réacteurs nucléaires, le fonctionne-
ment en suivi de charge journalier et en téléréglage pose de
très gros problèmes quant au contrale des effets de réactivité
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dus aux variations de puissance.
Dans les réacteurs à eau pressurisée, pour toute
variation de puissance d'une puissance P1 à une puissance P2,
on doit compenser des changements de réactivité dus:
- à court terme, aux variations de température du modérateur
et du combustible lors des variations de puissance demandées
à la turbine.
- à moyen et long termes, la production de xénon dont les
variations sont décalées dans le temps par rapport aux varia-
tions de la puissance demandée.
Ces deux effets sont de signe contraire, au moinspendant les premières heures, si le premier ne dépend pratiquement
que de la variation de puissance ~ P = Pl - P2, le second
dépend en outre de l'historique du coeur avant la variation de
puissance et du temps écoulé depuis cette variation.
D'autre part, de fa,con pratique, les variations de
la puissance fournie par les réacteurs sont obtenues par
déplacements dans les assemblages combustibles de grappes de
matériau absorbant les neutres comportant un nombre plus ou
moins grand d'éléments absorbants de forme allongée ou crayons.
Les distributions de puissance dans le réacteur
sont évidemment aff~ectées par l'insertion des grappes de régula-
tion dans les assemblages combustibles et pour satisfaire les
critères de,sûreté, on doit maintenir à une valeur minimale
les variations des distributions spatiales de puissance dans
le réacteur lors de l'insertion des grappes de régulation.
D'autre part, la distribution axiale de puissance
est sensiblement en équilibre à tout moment du cycle, compte
tenu de la distribution axiale de densité d'eau existant à pleine
puissance, lorsque les grappes de régulation sont sorties. La
modification de cette distribution de densité d'eau consécutive
à une variation de niveau de puissance conduit à un déséqui-
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libre de réactivité en faveur de la partie haute de coeur.
On a imaginé divers dispositifs de régulation devant
permettre une certaine compensation des effets décrits ci-
dessus. Ces systèmes de régulation utilisent des grappes de
matériau absorbant longues et fortement absorbantes. De telles
grappes fortement absorbantes sont dites "grappes noires".
Un premier type de système de régulation utilises
de telles grappes noires faiblement insérées dans les assembla-
ges combustibles, la plus grande part des effets de réactivité
étant compensée par des corrections importantes apportées à la
concentration en bore soluble contenu dans le modérateur par
introduction soit d'un composé de bore soluble, soit d'eau pure
dans le circuit primaire.
Un second type de système de régulation utilise des
grappes noires fortement insérées dans les assemblages combus-
tibles ainsi que des grappes partielles disposées dans le bas du
coeur pour rétablir la distribution spatiale du flux fortement
perturbée par les grappes noires fortement lnsérées. On opère
une compensation additionnelle correspondant à l'évolution du
; 20 xénon, par contrôle du bore soluble dans le circuit primaire.Dans tous les cas la position des grappes noires dans
le coeur est commandée de fac,on à maintenir la température
moyenne du coeur à une valeur de référence qui est fonction
de la puissance demandée à la turbine.
Les deux systèmes ont des inconvénients qui rendent
leur utilisation délicate dans le cas du fonctionnement du
réacteur en suivi de charge ou en téléréglage.
Dans le cas du premier système de régulation, on ne
peut en effet garantir un retour instantané à la puissance
nominale car l'action sur le bore soluble n'est pas instantanée.
D'autre part l'action sur le bore soluble doit être extremement
importante lors de variations de charges rapides du réacteur,
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notamment en fin de vie du combustible.
Dans le cas du second syst~me de régulation, on est
amené ~ faire fonctionner le réacteur à puissance élevée avec
de fortes insertions de grappes courtes qui perturbent très
sensiblement les distributions de flux local et spatial ce qui
est défavorable pour le respect des normes de sécurité.
Enfin dans les deux cas, les actions sur le bore
soluble et sur les grappes courtes sont manuelles, ce qui rend
malaisé la conduite de la centrale.
On a pensé à utiliser des grappes de régulation moins
absorbantes que les grappes noires pour éviter de trop perturber
les distributions de flux dans le coeur du réacteur.
Les grappes de matériau absorbant sont généralement
réunies par groupes dont les mouvements sont commandés à partir
d'un dispositif unique. A l'intérieur de cet ensemble certains
groupes peuvent être alégés en réactivité par exemple en
limitant dans les grappes de ces groupes le nombre de crayons
de matériau absorbant ou la quantité de matériau par crayon.
De façon quantitative, le caractère plus ou moins
absorbant d'un groupe formé d'un ensemble de grappes de matériau
absorbant sera déterminé par son anti-réactivité mesurée en
pcm. (pour cent mille ou lC ). Cette anti-réactivité détermine
l'effet soustractif du groupe lors de son introduction sur le
facteur de multiplication effectif du réacteur keff.
C'est ainsi qu'un groupe dit groupe noir fortement
absorbant aura une anti-réactivité supérieure à 1.000 pcm et
qu'un groupe plus faiblement absorbant qu'on appellera groupe
gris aura une anti-réactivité nettement inférieure à 1.000 pcm.
De tels groupes gris ont cependant l'inconvénient
d'agir moins rapidement sur la réactivité, ce qui est préjuci-
ciable au maintien d'une température du coeur très voisine de
la température de référence déterminée uniquement en fonction
de la puissance demandée au réacteur.
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l~9~Z33
Le but de l'invention est donc de proposer un procédé
de contrôle des effets de réactivité dus aux variations de
puissance dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée utili-
sant de déplacement dans les assemblages combustibles de grappes
mobiles de matériau absorbant ainsi que le bore soluble pour
la correction des effets à long terme de réactivité qui puisse
effectivement être utilisé dans le cas de suivi de charge
journalier ou de téléréglage de la centrale, qui ne perturbe pas
trop les distributions de flux dans le réacteur et qui préserve
à chaque instant une capacité maximale de retour instantané
"à la puissance nominale du réacteur".
Dans ce but, on déplace, en fonction de la puissance
demandée à la turbine uniquement, des groupes composés de
grappes de matériau absorbant dont l'un au moins a une anti-
réactivité inférieure à 700 pcm, pour faire varier la puissance
du réacteur,
- on déplace simultanément un groupe, appelé groupe R, composé
de grappes très absorbantes en fonction de la différence
existant à chaque instant entre la température moyenne du coeur
du réacteur et une température de référence, fonction du niveau
de puissance demandé, ce groupe pouvant se déplacer entre des
bornes de réglage définies par le mode de fonctionnement du
réacteur et l'état d'évolution du coeur de ce réacteur,
- enfin, on fait varier la concentration en bore soluble du
fluide primaire du réacteur de fac~on à maintenir le groupe R
dans sa plage lors de la correction des effets à long terme
de réactivité.
On va maintenant décrire en se référant aux figures
jointes en annexe un mode de réalisation du contrôle des effets
de réactivité par le procédé de l'invention, dans le cas d'un
suivi de charge journalier et dans le cas d'un fonctionnement
en téléréglage de la centrale.
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Les figures 1 à 4 sont relatives à l'évolution de
divers paramè-tres dans le cas d'un suivi de charge journalier.
Les figures 5 à 9 sont relatives à l'évolution de
divers paramètres dans le cas d'un fonctionnement en téléréglage
de la centrale.
Dans l'exemple de réalisation choisi, le réacteur est
un réacteur du type à eau pressurisée à 3 boucles qu'on désire
faire fonctionner en suivi de charge journalier et téléréglage.
Pour cela on utilise un ensemble de quatre groupes
de grappes de matériau absorbant dont les deux premiers appelés
Gl et G2 sont des groupes gris c'est-à-dire des groupes dont
l'anti-réactivité est inférieure à 700 pcm et de préférence
comprise entre 400 et 700 pcm. Les deux autres groupes consti-
tuant l'ensemble, appelé ensemble "gris", sont deux groupes
noirs Nl et N2. dont l'anti-réactivité est égale ou supérieure
à 1.000 pcm.
Cet ensemble gris est manoeuvré dans son ensemble
de telle sorte que les groupes se mettent successivement en
place dans le réacteur soit par déplacements successifs des
groupes les uns par rapport aux autres, soit par déplacements
d'ensemble de plusieurs groupes.
La disposition de l'ensemble gris dans le réacteur
est définie de fac~on bi-univoque à partir du niveau de puissance
demandé à la turbine. La mise en place de cet ensemble gris
peut donc être entiarement automatisé par asservissement de
l'insertion des grappes à un signal dérivé du signal de demande
de charge de la turbine. Cette insertion fonction de la
puissance est prédéterminée analytiquement et ajustable sur
le site en fonction d'essais périodiques de fa,con à tenir
compte de l'évolution du coeur.
La structure de l'ensemble gris, et les recouvrements
des divers groupes le constituant sont choisis de fa,con à
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minimiser les perturbations de flux local et spatial compte
tenu d'une part de l "'effet de redistribution axiale" de densité
de l'eau provoquant un basculement de la distribution de
puissance vers le haut du coeur lors d'une baisse de puissance
et du fait que la distribution axiale de puissance est entrainée
vers le bas du coeur du réacteur lorsqu'on inserre les grappes de
régulation.
On cherche donc à optimiser, pour toutes les posi-
tions de l'ensemble gris dans le réacteur, la répartition du
flux.
Indépendamment de l'ensemble gris qui vient d'être
décrit, on dispose également d'un ensemble gris qui vient d'être
décrit, on dispose également d'un ensemble de régulation composé
de grappes noires et donc très absorbants appelé groupe de
régulation ou groupe R.
Le groupe R est commandé de façon à maintenir la
température moyenne du coeur à une valeur la plus voisine
possible d'une température de référence qui n'est fonction que
de la puissance demandée à la turbine et qui est la température
optimale de fonctionnement du réacteur. La régulation par le
groupe R doit être telle que l'écart de température entre la
température moyenne du coeur et la température de rérérence ne
soit jamais supérieur à ce qui peut être toléré par la turbine.
Etant donné sa forte anti-réactivité, le groupe R ne
subit que des déplacements de faible amplitude pour maintenir
la température du coeur. L'insertion du groupe R reste d'autre
part toujours relativement faible, le groupe étant maintenu
dans une bande de fonctionnement prédéterminée en fonction du
~ type de fonctionnement du réacteur (suivi de charge journalier
; 30 ou téléréglage) et en fonction de l'état du coeur du réacteur.
Un dispositif d'alarme ou un dispositif de régulation
automatique permet lorsque le groupe R approche ou franchit
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l'une des deux frontières de la bande qui lui a été assignée,
d'agir manuellement ou automatiquement sur la concentration
en bore soluble, soit par ajout d'un composé soluble du bore dans
le circuit primaire, soit au contraire par ajout d'eau pure
dans ce circuit pour ramener le groupe R dans la bande de
réglage prédéterminée.
L'action sur la concentration en bore soluble a donc
le double rôle de compenser les effets à long terme du xénon
comme dans les systèmes antérieurs et de ramener le groupe de
régulation dans sa bande de réglage en cas de dépassement ou
de risque de dépassement des limites assignées à ce groupe
de régulation.
Dans certains cas où le système de dilution du bore
soluble risque d'être utilisé à la limite de ses capacités, en
fin de cycle du combustible, un refroidissement automatique
du réfrigérant primaire ou un retrait partiel de l'ensemble
gris permettra de suivre le programme de charge demandé à la
turbine.
De façon assez exceptionnelle et dans certains cas
de suivi de charge, une insertion du groupe de régulation R
sera utilisée pour ramener à la normale une distribution de
flux tendant à se déplacer vers le haut du coeur.
C'est ce qu'on appellera l'utilisation du groupe de
régulation pour le contrôle d'un oscillation xénon naissante.
En effet le poids "relatif" des grappes grises ne
peut être absolument optimal à tous les niveaux de puissance,'
le calcul et la conception de ces grappes grises ainsi que
leur inclusion à l'intérieur de groupes manoeuvrables dans leur
ensemble est optimisé pour une certaine plage de puissance
mais lors de variations demandées à certains niveaux de puissance,
la distribution axiale de puissance peut être déséquilibrée vers
le bas du coeur. Ce déséquilibre peut entrainer une oscilla-
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tion xénon, lorsque le coeur est instable.
Toutefois le déséquili~re initial de puissance est
plus faible qu'avec les systèmes traditionnels. L'amplitude
de l'oscillation xénon est donc plus faible et n'entraîne pas
de pics axiaux de puissance de trop forte amplitude pendant
un temps au moins égal à la période de l'oscillation.
Il suffit donc de contrôler l'oscillation pendant
sa deuxième demi-période c'est-~-dire quand le déséquilibre de
puissance s'est inversé et que la distribution de puissance tend
à présenter un pic dans le haut du coeur.
Il suffit alors d'insérer le groupe de régulation R
d'environ 10% pendant quelques heures pour stabiliser le coeur.
Cette insertion du groupe R peut être rendue automati-
que en fonction des conditions de fonctionnement.
;~ Il est bien entendu que cette fonction du groupe de
régulation n'est pas prioritaire vis à vis de sa fonction
principale de régulation.
Dans le cas de fonctionnement en téléréglage, la
bande de manoeuvre du groupe R est élargie de fa~on à ce que le
groupe R puisse également compenser sans sortir de sa plage
les faibles variations de réactivité dues aux variations de
xénon associées à ce mode de fonctionnement. Ainsi, dans le cas
du téléréglage autour d'une puissance de référence PO constante,
; aucune action sur le bore n'est nécessaire.
Sur les figures 1 à 4 on voit l'évolution de différents
paramètres dans le cas d'un suivi de charge journalier, la puis-
sance demandée au réacteur exprimée en fraction de la puissance
nominale de ce réacteur au coursd'une durée de 24 heures étant
représentée sur le diagramme de la figure 1.
On voit sur ce diagramme que, pendant les deux premi-
ères heures du cycle de fonctionnement, le réacteur fonctionne
à puissance nominalej que pendant les six heures suivantes le
~a94z33
réacteur fonctionne à 70 % de la puissance nominale et que
pendant le reste du cycle, le réacteur fonctionne à sa puissance
nomirlale .
Le diagramme de la figure 2 représente en fonction
du temps et pour la même période de 24 heures, la position
de l'ensemble gris n'est determinée que par la puissance demandée
au réacteur et que pendant la priode de 6 heures où l'on désire
réduire la puissance fournie par le réacteur, on inserre l'ensem-
ble gris de 80 % à l'intérieur des assemblages combustibles.
La figure 3 donne pendant le même intervalle de
temps la position du groupe de régulation en fraction d'inser-
tion de ce groupe de régulation dans les assernblages cornbusti-
bles. On voit que cette insertion varie sensiblement entre 5
et 15 % ce qui est donc très inférieur à l'insertion de l'ensem-
ble gris et que pendant une période correspondant au contrôle
d'une oscillation xénon, on décale la bande de réglage du groupe
R dans le sens d'une insertion plus importante.
La figure 4 représente un diagramme donnant les
écarts de la concentration en bore par rapport à une valeur
moyenne correspondant à la concentration en début du cycle
considéré.
On voit que l'évolution de la concentration en bore
soluble a pour effet d'une part de compenser les effets à long
terme du xénon en ramenant le groupe de régulation R dans sa
plage lorsque ce groupe de réglage est sur l.e point de franchir
les limites qui lui ont été assignées et d'autre part de décaler
la bande de réglage de R lors du contrôle d'une oscillat1on.
La figure 5 représente la puissance demandée au
réacteur au cours d'une période de 24 heures à l'intérieur de
laquelle on fait fonctionner le réacteur en téléréglage pendant
un certain temps à l'intérieur de cette période de 24 heures.
Pendant les dix premières heures approximativernent
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" ~9~233
la centrale fonctionne en suivi de charge ~ 100 % de la puissance
nominale puis à ~0 % de cette puissance nominale et ~ partir de
la dixième heure la centrale fonctionne en téléréglage avec une
modulation de la puissance dans une bande de largeur sensiblement
15% de la puissance nominale du réacteur.
La figure 6 représente le signal de téléréglage
correspondant au programme de puissance représenté à la figure 5.
Le signal de téléréglage reste constamment nul jusqu'à
l'entrée en téléréglage de la centrale. Ce signal de téléréglage
est reçu par tout un parc de centrales dont chacun participe
au téléréglage du parc pour une fraction de sa puissance nominale
pouvant atteindre 20 % de cette puissance nominale.
La figure 7 représente un diagramme donnant la frac-
tion d'insertion de l'ensemble gris en fonction du temps, cette
courbe étant homothétique de la courbe représentant la puissance
en fonction du temps.
La figure 8 représente la réaction d'insertion du groupe
de régulation en fonction du temps pendant la p~riode de 24
heures considérée. On voit que la bande de manoeuvre de ce
groupe de r~gulation 5 est modifiée lors du passage du suivi
de charge journalier au fonctionnement en téléréglage.
Enfin la figure 9 représente des variations de la
concentration en bore autour d'une valeur moyenne pour la
compensation des effets à long terme du xénon dans le fonctionne-
ment en suivi de charge et la remise dans sa bande de réglage
uniquement du groupe de régulation R, dans le cas du téléréglage
où le groupe R compense également l'évolution du xénon.
On voit que les avantages du système qui vient d'être
~- décrit sont nombreux et qu'en particulier ce système permet un
fonctionnement automatique du réacteur soit en suivi de charge
. . ,
journalier soit en téléréglage, tout en préservant à chaque
instant un retour instantané à la puissance nominale.
- l~9~Z33
En effet à chaque niveau de puissance correspond une
position de l'ensemble gri.s de fa~on bi-univoque et la posi-
tion de 1'ensernble gris peut donc être rendue variable automati-
quement en fonction du programme de puissance dernandée.
Les réglages de la température du coeur se font
simultanément par des déplacements de faible amplitude du groupe
de régulation. Le système selon l'invention a l'avantage
également de minimiser les perturbations de flux en cas de
suivi de charge avec des rampes rapides. Ce systeme permet
également un fonctionnement en téléréglage sans intervention
de l'opérateur et avec une usureréduite de certains équipements
primaires tels que les mécanismes de déplacement des grappes.
Mais l'invention ne se limite pas au mode de réalisa-
tion qui vient d'être décrit, elle en comprend au contraire
toutes les variantes et l'on peut modifier des points de détail
sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
C'est ainsi que l'ensemble gris utilisé pour la
régulation de la puissance du réacteur en fonction de la puissan-
ce nécessaire à la turbine peut être formé suivant que l'on
a affaire a un réacteur à eau préssurisée à deux, trois ou quatre
boucles chargé en éléments cornbustibles de 10 à 14 pieds de
hauteur, de deux trois'ou quatre groupes dont l'un au moins
est un~groupe gris c'est~à-dire.un groupe ayant une anti-réacti-
vité inférieure à 700 pcm.
L'action sur la concentration du bore soluble peut
être déclenchée au moment où le groupe 5 approche ou franchit
l'une des deux frontières de façon manuelle grâce à une alarme
ou de facon automatique en fonction de sa position du groupe R
ou de son mouvement suivi à chaque instant par des moyens de
contrôle automatique.
Le groupe R peut aussi avoir une position de référence
et l'action sur le bore peut être déclenchée dès que le groupe R
s'éloigne d'un pourcentage déterminé de cette position.
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