CA1094233A - Procede de controle des effets de reactivite dus aux variations de puissance dans les reacteurs nucleaires a eau pressurisee - Google Patents

Abstract

L'invention a trait à un procédé de contrôle des effets de réactivité dus aux variations de puissance dans les réacteurs nucléaires à eau préssurisée utilisant le déplacement dans des assemblages combustibles de grappes mobiles de matériau absorbant ainsi que le bore soluble pour la correction des effets à long terme de réactivité. Le procédé est caractérisé par le fait, qu'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, qu'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 demandée, ce groupe pouvant se déplacer entre les bornes de réglage définies par le mode de fonctionnement du réacteur et l'état d'évolution du coeur de ce réacteur, et, enfin, qu'on fait varier la concentration en bore soluble du fluide primaire du réacteur de façon à maintenir le groupe R dans sa plage, lors de la correction des effets à long terme de réactivité.

Description

1094~.33 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

" 1C)94233 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-

- 2 -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, ~` ~094Z33 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.

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.

lO9~Z33 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

109~Z33 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 )94Z33 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-~-` 10~'12~3 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 " ~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.

Claims (5)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de contrôle des effets de réactivité dus aux variations de puissance dans les réacteurs nucléaires à
eau préssurisée utilisant le déplacement dans des assemblages combustibles de grappes mobiles de matériau absorbant ainsi que le bore soluble pour la correction des effets à long terme de réactivité, caractérisé par le fait :
- qu'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.
- qu'on déplace simultanément un groupe, appelé groupe R, composé de grappes très absorbantes, en fonction de la diffé-rence existant à chaque instant entre la température moyenne du coeur du réacteur et une température de référence, fonction du niveau de puissance demandée, ce groupe pouvant se déplacer entre des bornes de réglage définies par le mode de fonctionne-ment du réacteur et l'état d'évolution du coeur de ce réacteur, - enfin, qu'on fait varier la concentration en bore soluble du fluide primaire du réacteur de façon à maintenir le groupe R
dans sa plage, lors de la correction des effets à long terme de réactivité.

2. Procédé de contrôle suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les groupes de régulation de la puissance demandée à la turbine constituant un ensemble appelé
ensemble gris se déplacent en séquence avec recouvrement et qu'on ajuste périodiquement leur position en fonction de la puissance pour tenir compte de l'évolution du coeur du réacteur.

3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le groupe R déclenche un signal de franchissement des limites de sa plage de manoeuvre pour déterminer la nécessité d'une action sur le bore soluble.

4. Procédé suivant l'une quelconque des revendica-tions 1 et 2, caractérisé par le fait que le groupe R déclenche un signal à l'approche des limites de sa plage de manoeuvre pour la détermination automatique d'une action sur le bore soluble.

5. Procédé de contrôle des effets de réactivité dus aux variations de puissance dans les réacteurs nucléaires à
eau pressurisée utilisant de déplacement dans des assemblages combustibles de grappes mobiles de matériau absorbant, dans le cas d'un fonctionnement du réacteur en téléréglage à une puissance variant autour d'une puissance de référence déterminée, caractérisé par le fait:
- qu'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 en fonction du programme de puissance demandée, - qu'on déplace simultanément un groupe, appelé groupe R, composé de grappes très absorbantes, en fonction de la différen-ce existant à chaque instant entre la température moyenne du coeur du réacteur et une température de référence, fonction du niveau de puissance demandée, ce groupe pouvant se déplacer entre des bornes de réglage choisies de façon à compenser, en même temps que les écarts de température, grâce au groupe R
uniquement, les variations de réactivité dues aux variations du xénon, - et qu'on ne produit aucune modification de la concentration en bore soluble du fluide primaire.