PREMIER M I N I S T R E C E A •" R 2 6 8 3

COMMISSARIAT AL'ÉNERGIE ATOMIQUE

LE REACTEUR PEGASE

par

Roger ARDITTIHISPANO SUIZA

Robert DAUTRAYCOMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE

Victor RAIEVSKICOMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE

lors de ses travaux sur "PEGASE"

Avec la collaboration de

A. DEVILLE, P. FAUROT,J. LACOUR. B. LEROUGE

du Commissariat à l'Energie Atomique.

Rapport C E A - R 2683

Genève 1964, A Conf. 28/P/48

C E N T R E D ' É T U D E S

mOl N U C L É A I R E S DE S A C L A Y

C E N T R E D ' É T U D E SNUCLÉAIRES DE CADARACHE

C>:^-P '.»'•• - ;.n*)n"- !VVer, PAFTBAY Robert, RAIPVSKY Victor, DSVILLEA->dré, r . U . n r>aU, LACCUR Je*n. LEROUGE Bernard,

LJ: UKACTHUR rrG.\5E.Sommaire. - Le réactevr Pégase est conçu pour essayer les éléments combustibles

ces r£ac:s*:r? de ?i:i£ss.nee refroidis* au gaz. L'expérience a montré que les

réacteurs d'essais polyvalents classiques ne se prêtent pas a ces essais. D'au-

tre part l'introduction de ces éléments à tester dans des réacteurs de puissan-

ce existent, pose de nombreux problèmes, qui en limitent l'intérêt.

Pégase, destiné & satisfaire ces besoins expérimentaux, se compose

d'an coeur parallélépipédique en uranium enrichi, modéré et refroidi par de

l'eau sous pression. Ce coeur sert de source de neutrons à huit boucles auto-

nomes, contenant les éléments à tester, et situées tout autour du coeur. Le

coeur et les huit boucles autonomes sont immergés dans une piscine d'irradia-

tion. Chaque boucle est posée au fond de la piscine. Il est donc possible de re-

».ul<jr une boucle «lu coeur, ou de l'enlever de la piscine, sans interférer avec le

fonctionnement des autres boucles. . /.C'A-II SSôS - ARD1TTI Roger, DAUTRAY Robert, RA1EVSKY Victor, DEVUJ.EAiukv. f.AUROT Paul, l-ACOUR Jean, LEROUGE Bernard,

Tlih RHACTOR PEG4.RE.Summary. -

The reactor Pégase is designed for testing fuel elements for gas-cooled

power reactors. Expe**'ence has shown that the classical multi-puxpose test reac-

tors are not well'adapted to these tests. On another side, the introduction of these

test elements into the existing power reactors involves numerous problems, which

limits their interest.

Pégase, which is designed to satisfy these experimental needs, is compo-

sed of a parallelepipediccore of enriched Uranium, moderated and cooled by pres-

surized water. This core is used as a neutron source for eight autonomous loops,

containing the elements to be tested, and situated around the core. The core and

the eight loop* are immersed in a irradiation pool. Ihe loops are placed on the

bottom of the pool so, it i«5 possible to move a loop away from the core, or to re-

move )t ivs'm the pool without interfering with the operation of the other loops. . /.n*he irradiation conditiors are adjusted, moking the synthesis of the folio-

Les conditic-s d'irradiation sont mises au point en faisant la synthèse

des travaux suivants :

- Etudes sur Peggy, maquette critique à puissance nulle de Pégase

(en service depuis 1961) : mesures neutroniques de niveau de flux, derépartition radiale et axiale du flux sur les expériences . influence des poisoit6

consommables et des mouvements des barres de contrôle, mise au point de dis-

positifs (réflecteurs, écran?, etc . . . ) rendant optima les performances.

- Etudes sur deux boucles autonomes prototypes chauffées électrique-

ment aux puissances nominales de fonctionnement (en service depuis 1961) : mi-

se au point des mesures thermodynamiques ; bilans thermiques ; paramètres deréglage des régimes ; passage en convection naturelle.

- Etudes sur Pégase en fonctionnement en puissance : mesures thermo-

dynamiques sur les circuits du coeur et des boucles autonomes ; mesures neu-

troniques . etc . . .Le réacteur Pégase a divergé le 4 avril 1963 et a atteint la puissance

nominale de 30 MW le 28 mai 19C3.1964 - Commissariat à l'Energie Atomique - France 12 p.

wing development works.

- Experimental studies on Peggy, a zero power critical, facilites, mock

up of Pégase in operation since 1961 : measurements of neutron flux level, radial

and axial fly distributions on the experiments. Effect of burnable poisons and of

movements of the control rods ; adjustement of devices (reflectors, screens etc . . )needed for optimum performances.

- Experimental work on two prototypes autonomes loops, heated electri-

cally to the nominal operating power (in operation since 1961) : development of

the thermodynamic measurements, thermal balances parameters for control of

the operating conditions, natural convection.

- Studies on Pégase operating under power ; thermodynamic measurements

on the core circuits on the indépendant loop circuits ; neutronic measurements,

etc . . .

The reactor Pégase went critical on the 4th of April 1963 and reached

the nominal power of 30 kW on the 28th of May 1963.1964 - Commissariat à l'Energie Atomiaue - France 12 p.

Les rapports du COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE sont, à partir du no 2200t

en vente à la Documentation Française, Secrétariat Général du Gouvernement, Direction dela Documentation, 16, rue Lord Byron, PARIS Vlllème.

The CE,A. reports starting with n° 2200 are available at the Documentation Française,Secrétariat Général du Gouvernement, Direction de la Documentation, 16, rue Lord Byron,PARIS Vlllème.

LE REACTEUR PEGASEpar

Roger ARDITTIHispano Suiza

Robert DAUTRAYCommissariat à l'Energie Atomique

Victor RAIEVSKI *'Commissariat à l'Energie Atomique

lors de ses travaux sur Pégase

UTILISATION

Le réacteur Pégase est spécialement conçu pour essayer les éléments

combustibles des réacteurs de puissance refroidis au gaz. Dans le programme

français, ceci comprend d'une part les réacteurs modères au graphite, utilisant

de l'uranium naturel métallique, telles que les centrales de Chinon ;d'autre part

les réacteurs modérés à l'eau lourde dont un prototype, E. L. 4, est en construction :

dans ce dernier cas, c'est une portion de tube de force du futur réacteur renfermant

les grappes de crayons d'oxyde d'uranium, le tube de guidage et l'isolement ther-

mique que nous voulons essayer.

Les essais doivent pouvoir s'effectuer non seulement dans des conditions

nominales prévues dans les réacteurs de puissance, mais également dans des

conditions plus sévères afin de connaître les possibilités ultimes et 3es marges de

sécurité des combustibles étudiés. Dans ce dernier cas, l'éventualité d'une détériora-

tion même assez importante du combustible doit pouvoir être envisagée.

L'expérience a montré que les réacteurs expérimentaux polyvalents clas-

siques ne se prêtent pas à ces essais pour combustibles de réacteurs de puissance

à gaz. D'autre part, l'introduction de ces éléments à tester dans des réacteurs de

puissance existants, pose des problèmes de géométrie (diamètre du canal... ),de

thermodynamique (pression, température, débit), de puissance spécifique. D'autre

1) Avec la collaboration de : André DEVÏLLE, Paul FAUROT, Jean LACOUR,

Bernard LEROUGE du Commissariat à l'Energie Atomique.

part, dans de tels réacteurs, il est difficile d'envisager des expériences pouvant

conduire à des risques sérieux de pollution.

Pégase est destiné à satisfaire ces besoins expérimentaux. Il se compose

essentiellement d'un coeur de forme parallélépipédique (hauteur de 0, 91 mètre ;

section horizontale carrée de 0, 45 x 0, 45 m. ), en uranium enrichi, modéré et re-

froidi par de l'eau sous pression, ce coeur servant de source de neutrons à 8 boucles

autonomes contenant les éléments à tester et situés tout autour du coeur. Le coeur

et les 8 boucles autororr.es sont immergés dans une piscine d'irradiation.. Chaque

boucle est posée sur un chariot au fond de la piscine. Il est donc possible de reculer

une boucle du coeur, ou de ltenlever de la piscine sans interférer avec le fonctionne-

ment des autres boucles.

LA "SOURCE DE NEUTRONS" ET SES SERVICES :235

Le coeur de Pégase comporte 8, 9 kg d'uranium enrichi à 90 % de U,

répartis dans 21 éléments combustibles normaux et 4 éléments de contrôle. La puis-

sance nominale est de 30 MW ce qui correspond à un flux moyen de neutrons thermi-14 / 2

que s de 1 x 10 neutrons/cm s. Nous avons pu réduire 1<5 rapport entre la puissance

spécifique au centre du coeur et la puissance spécifique moyenne dans le coeur à

0, 74 (mesuré sur un coeur vierge et froid), grâce à l'emploi d'un poison neutronique

consommable, le bore. Cette bonne répartition du flux dans le coeur permet d'obtenir

un flux élevé sur les expériences. Le coeur est relativement haut (0, 91 m.) : d'autre

part, le poison consommable vu ci-dessus est dans une zone située à mi-hauteur du

coeur : il en résulte un aplatissement du flux le long de l'axe vertical du volume

expérimental. Le poison consommable permet de réduire la variation de réactivité

du coeur, le long du cycle de fonctionnement du réacteur (70 jours ; ce qui correspond

à un épuisement de 25 % du combustible du coeur. ) Ceci évite les mouvements de

trop grande amplitude des barres de compensation durant la vie du coeur.

L'EXPERIMENTATION : LES BOUCLES DE PEGASE

Problèmes généraux :

Les neutrons utilisables pour les essais sont ceux qui, fuyant le bloc-pile,

traversent les 4 parois planes et verticales du caisson du coeur, en s'échappant dans

la piscine d'irradiation. Ces neutrons rencontrent là, la deuxième partie de Pégase :

l'Expérimentation. Prenons le cas de barreaux combustibles de réacteur modéré au

graphite que nous voudrions tester. Ces barreaux sont placés à l'intérieur d'un tube

. 2 -

de force vertical en alliage d'aluminium AG3. Dans la partie intérieure du tube de

force, la géométrie d'une partie du canal du réacteur de puissance est reproduite.

Ce tube de force est placé près d'une face plane du caisson du coeur de Pégase.

Un problème important est de rendre le dégagement de chaleur dans le

combustible testé aussi homogène que possible. Pour cela, il faut se prémunir contre

les effets anisotropes, d'une part, des rayons Y venant du coeur, et d'autre part

des neutrons de fuite de ce coeur. Des écrans de plomb de 24, 5 mm d'épaisseur

couvrent chacune des 4 faces verticales du caisson du coeur, éliminant la première

cause d'inhomogénéité. Ces écrans de plomb séparent donc le caisson du coeur des

tubes de force des boucles autonomes. Pour ce qui est des neutrons fuyant le caisson

du coeur, ils sont récupérés par des réflecteurs placés en arrière du tube de force

et renvoyés sur les barreaux combustibles à tester.

Dans le tube de force circule le gaz carbonique destiné à refroidir les barreaux

combustibles. Le CO est mis dans les mêmes conditions de pression, de température,ù

de débit que dans le canal du réacteur de puissance considéré. Pour ce faire, le tube

de force est relié par des tuyauteries de départ et d'arrivée de CO , à un circuit qui

comprend les composante habituelles du circuit principal d'une boucle : motosouf-

flante assurant la circulation du CO dans le tube de force, échangeur de chaleur,

vanne de réglage permettant d'ajuster la température de CO en by-passant plus ou

moins l'échangeur , détecteur, (les possibilités de mesure nombreuses et précises

sur les expériences sont une des caractéristiques de Pégase), filtres, charpentes,

etc . . . Ce circuit principal, avec toutes ses composantes y compris le tube de force,

forme un ensemble rigide, appelé boucle autonome, (Figure l) immergé dans la pis-

cine d'irradiation. Cette boucle autonome est posée au fond de la piscine sur un

chariot, permettant ainsi d'éloigner ou de rapprocher l'ensemble (et en particulier

le tube de force) du caisson du coeur de Pégase.

Manutention des boucles autonomes,

II est possible, à tout moment, d'enlever cette boucle autonome rigide de

" son chariot préalablement éloigné du coeur et de la sortir de la piscine d'irradiation

tout en la laissant immergée dans des canaux de transfert. Cette opération peut avoir

les buts suivants :

- Extraction du barreau irradié, hors de la boucle autonome.

- Intervention sur la bouche autonome.

- Examen des barreaux testés, sans ouvrir la boucle autonome, par

* 8 - 3 -

radiographie et radioscopie à travers le tube de force dans une station prévue à cet

effet.

- etc. . .

Examinons le premier de ces trois cas. Après irradiation dans la piscine

près du caisson du coeur, la boucle dont on voudrait extraire les barreaux testés

est transportée dans un bassin de stockage à l'aide d'un portique spécial, afin de

laisser décroître l'activité des produits de fission dans ces barreaux. Ensuite, la

boucle autonome, posée sur un convoyeur, est emmenée toujours immergée en

suivant un canal de transfert dans les bassins des ateliers chauds dont le bâtiment

est attenant à celui du réacteur. Ces ateliers sont équipés d'une cellule chaude dans

laquelle la boucle autonome est ouverte par enlèvement d'un bouchon et les barreaux

extraits. Ceux-ci sont alors envoyés aux laboratoires chauds d'examen qui sont éga-

1 ement à Cadarache (L. E. C. A. )

Possibilités d'irradiation

Deux emplacements de boucles autonomes sont réalisés auprès de chaque

face verticale du caisson du coeur de Pégase (figure 2) ; d'où, au fond de la piscine,

les huit boucles autonomes en position d'irradiation. Quand une boucle autonome

est retirée de la piscine d'irradiation, elle peut être remplacée par une autre boucle

autonome déjà préparée. Pour ce faire, les boucles autonomes sont interchangeables

les unes les autres autour du coeur, c'est à dire à leurs frontières.

8 boucles autonomes, utilisables pour les barreaux de la filière graphite-gaz-

uranium naturel métallique et 6 pour la filière eau lourde-gaz-oxyde d'uranium ont

été construites.

Des exemples de points de fonctionnements sont donnés dans le tableau I.

Installations auxiliaires et connection :

Chacune des huit boucles autonomes en position d'irradiation est reliée par

des cables et tuyauteries souples à la partie fixe de la boucle, située hors de la

piscine d'irradiation, dans les locaux du bâtiment pile, prévus à cet effet; Chaque

partie fixe de boucle comprend en particulier :

- Les circuits d'alimentation électrique de la moto soufflante, du moteur de la

vanne de réglage et du réchauffeur de la boucle autonome.

- Les circuits d'alimentation, d'évacuation, de régulation de pression du CO.,

et les dispositifs de détection de rupture de gaine, de la boucle autonome.

- Les indicateurs, enregistreurs de mesures, l'électronique associée, et

- 4 -

les commanaes à distance de la boucle autonome.

Le nombre de parties fixes de boucles est également de huit (sans compter

les réserves pour secours). Chaque partie fixe de boucle est associée avec un empla-

cement de boucle autonome en piscine d'irradiation. Chaque partie fixe de boucle peut

s'adapter à tout type de boucle déjà étudié, c'est à dire aussi bien avec une boucle

autonome E. D. F. qu'avec une boucle autonome E. L. 4.

La partie fixe d'une boucle et la boucle autonome sont reliées par l 'intemé-

diaire de cables et tuvauteries. Ceux-ci cheminent dans le bâtiment de la pile jusqu'à.

la partie de la margelle de piscine d'irradiation située au-dessus de l'emplacement

de piscine, associée à la boucle fixe cons: "érée. Avant de plonger dans la piscine,

ces cables et tuyauteries sont regroupés dans des boas souples et étanches. Ces boas

sont connectés à la partie supérieure de la boucle autonome considérée, par des

coffrets de raccordement étanches.

Quand l'exploitant veut connecter une boucle à la partie fixe associée, il

soulève la boucle autonome immergée à l'aide du portique jusqu'à ce que sa partie

supérieure (c'est à dire les coffrets de raccordement), émerge (Figure 3). Ces

coffrets sont situés près de la margelle. Un opérateur placé sur cette margelle

effectue les opérations de raccord ou de séparation des boas et des coffrets.

Les études et prototypes

II a fallu de nombreux travaux préliminaires pour mettre au point l'emploi

de ces boucles autonomes : citons en particulier :

- Etudes expérimentales sur Peggy, maquette à puissance zéro de Pégase.

Nous avons étudié un ajustement convenable des réflecteurs à placer derrière les

tubes de force des boucles autonomes pour obtenir une répartition aussi homogène

que possible sur les éléments testés : ainsi à titre d'exemple, nous avons vu que

sur une «rappe à 19 crayons d'oxyde à uranium naturel de E. L. 4, en utilisant un

réflecteur de «ylucine, la variation du flux sur la couronne externe est inférieure à

10 % le creusement du flux dans la grappe est de 5 % la variation axiale du flux le

long de la grappe de 6 % ; la puissance spécifique moyenne était de 25 MW/T pour

les conditions nominales de Pégase.

Pour l'irradiation des éléments combustibles en uranium métallique destinés

aux piles à graphite, une structure d'aluminium et de cadmium ajoutée à l'effet ré-

flecteur de l'eau de la piscine est suffisante pour réduire l'anisotropie radiale du flux

à 6 %, La variation axiale de 15 % sur une longueur de 60 cm est modifiée de 7 %

*« - 5 -

par les mouvements des barres. Le flux perturbé sur les éléments E. D. F. 3 est de

6 W/g. H est obtenu par une marche du coeur de la puissance réduite de. 18 MW ou

en reculant la boucle du coeur (le mouvement d'une boucle ne perturbe pratiquement

pas les conditions d'irradiation de la boucle voisine. ) Un éloignement de 1 mm d'une

boucle E.D. F. par rapport au coeur produit une baisse de niveau de flux de 2 %. Le4

retrait complet de la boucle entraine un gain de réactivité de 3. 10- .

- Etude de prototypes de boucles autonomes de type E. D. F. et de type E. L. 4

immergées en piscine d'essai. Les faux barreaux combustibles sont chauffés électri-

quement. Un problème important a été celui de l'isolement thermique entre boucle

autonome et piscine. Il fallait réduire les fuites thermiques de la boucle autonome

dans la piscine afin de permettre certains régimes de fonctionnement. Ainsi, actuel-

lement, pour le prototype E. D. F . , pour une différence de 270 °C entre température

du gaz et température de l'eau de piscine, une pression de 25 kg/cm et un débit de

4, 8 kg/s du CO , 70 KW sont dissipés par les fuites thermiques de la boucle auto-

nome de 40 KW par l'échangeur de chaleur, ce qui est suffisant pour assurer un

réglage convenable des conditions de fonctionnement.

Le type de soufflante à paliers gazeux retenu a subi 3 500 arrêts de démarra-

ges, la vitesse de transition étant de 1 900 t/mn avec l'axe de la machine vertical.

En cas d'arrêt de la soufflante, la convection naturelle évacue 25 KW, le

critère étant une température de gê-ine maximum de 390 °C et une température de

piscine de 40 °C.

Le réacteur Pégase a divergé le 4 avril 1963 et a atteint sa puissance nomi-

nale de 30 MW îe 28 Mai 1963.

BIBLIOGRAPHIE

Rapport de sûreté sur le réacteur Pégase. Publications 1964.

«8

TABLEAU I

•

Puissance spécifique dans l'élémenttesté

Température maximum de gaine

Débit de gaz

Pression

Puissance dégagée dans le volumeexpérimental

Boucle EDF

8,4 w/g

440°

3,5

25 kg/cm

104 KW

Boucle EL4

35 W/g

600°

5, 7 kg/s

60 kg/cm2

500 KW

- 7 -

FIGURE I

Une boucle autonome- pour la filière graphite çaz uranium naturel. La boucle a étésortie de l'eau et posée à terre dans l'atelier chaud. Le long tube vertical le plus àdroite de la photographie est le tube de force renfermant le volume expérimental. Lasoufflante, d'axe vertical, supportée par un tambour en tubes soudés, est en bas. Lescinq tubes en U de la partie supérieure sont des bras de l'échangeur de chaleur. Les

cables aboutissent tous à deux coffrets de raccordement, dont l'un est visible en haut,à gauche. L'ensemble est supporté par une charpente tubulaire.

FIGURE 2

La piscine d'irradiation du réacteur Pégase durant la dernière phase de la réalisation.Les faces planes du bloc pile sont visibles au centre du cliché. Les huit chariots,formés de poutres contreventées sont visibles au fond de la piscine. En fonctionnement ,ils portent chacun une boucle autonome. Les quatre tuyauteries qui aboutissent au bloc-pile sont celles des entrées d'eau de refroidissement du coeur.

48 - 9 -

FIGURE 3

Dans la piscine d'irradiation une boucle autonome E.D. F. est soulevée par le portique.Les deux coffrets prismatiques de raccordement des cables commencent à émerger ((en haut de la photographie) afin de permettre des opérations de connection et de dé-connection. La photo est prise durant le fonctionnement en puissance du réacteurPégase, avec un effet Cerenkov contribuant à l'éclairage des équipements immergés.

• rT 0 - 10 -

N