Brevet FR2008029A1 — publié le 19700116

î 2Û08029 La présente invention a pour objet un procédé pour charger un réacteur nucléaire à haute température refroidi par gaz avec une charge d'éléments de coeur en morceaux, plus particulièrement sous forme sphérique, le coeur du réacteur étant divisé en plusieurs g chambres parallèles à l'axe, des dispositifs de chargement et de déchargement étant prévus pour chacune des chambres. On connaît déjà un réacteur nucléaire refroidi par gaz (Brevet USA 3 034 689 ; Revue "Atomkernenergie" 5» année (i960) cahier 3, pag®93-96), dont le coeur est divisé en sept chambres qui sont cons-10 tituées par six cylindres creux en graphite entourant un autre volume. Dans les parois des cylindres creux en graphite se trouvent des conduits pour les barres de contrôle» les éléments de combustible de forme sphérique sont introduits par en haut simultanément dans les sept chambres et ils sont à nouveau retirés à l'extrémité inférieure 15 par un grand tube ; les sphères de la chambre centrale s'écoulent en premier, puis ensuite les sphères des chambres extérieures. Dans un autre réacteur nucléaire du même type (brevet USA 3 228 852), chacune des sept chambres comporte, outre son propre dispositif de chargement, également son propre dispositif de déchargement. 20 Pendant le fonctionnement du réacteur, le chargement et le déchargement des différentes chambres s'effectue de façon continue, c'est-à-dire que toutes les chambres sont traversées simultanément par les sphères de combustible. Par ailleurs, on se reporte également à la demande de brevet 25 allemand n° P 14 64 803.4, qui décrit un réacteur nucléaire dont le coeur est partagé. Ici, toutefois, il n'y a pas d'éléments de combustible dans le volume situé dans l'axe du coeur et ce dernier sert de zone de mélange pour le gaz de refroidissement qui a été chauffé. Comme on l'a déjà mentionné, dans les réacteurs nucléaires con-30 nus comportant des amas de sphères, toutes les chambres sont chargées simultanément avec les éléments de combustible. Il est évident que les sphères de combustible, après avoir traversé le coeur du réacteur, n'ont pas subi une combustion régulière, étant donné qu'elles parcourent des trajets de différentes longueurs, et que 35 les sphères se trouvant au bord sont encore ralenties par le frottement. Au tube de déchargement du coeur apparaissent donc des sphères de combustible de n'importe quel âge dont on doit examiner le degré de combustion avant de les réutiliser. Afin d'obtenir à l'intérieur du coeur du réacteur une densité de puissance aussi ré-40 gulière que possible, il est indispensable de mettre les sphères 69 14389 2 2008029 de combustible ayant subi la plus longue combustion dans la zone médiane du coeur du réacteur et de charger les autres chambres avec des éléments de combustible frais. Pour cette raison il est donc nécessaire d'avoir une installation de mesure de combustion afin de 5 pouvoir faire la différence entre les sphères de combustible utilisées et celles qui ont été moins utilisées. La présente invention se propose, dans un réacteur nucléaire à haute température refroidi par gaz du type décrit ci-dessus, d'obtenir pour les éléments de coeur un temps de séjour aussi uni-10 forme que possible et, de ce fait, dans le cas d'éléments de combustible, d'obtenir une combustion régulière, ainsi qu'un flux de neutrons régulièrement réparti sur la section transversale du coeur du réacteur. Elle veut en outre permettre de supprimer l'installation de mesure de combustion. 15 Selon l'invention, les éléments de coeur traversent les diffé rentes chambres de chargement du coeur du réacteur dans le sens de la chute et ces chambres dé chargement se suivent de façon telle que l'on otojfient un temps de séjour presque uniforme des éléments de coeur dans le coeur du réacteur0 Les éléments de coeur, pour 20 cette raison, passent plusieurs fois de suite du haut en bas dans les différentes chambres de chargement du coeur du réacteur. Du fait justement que les tubes de déchargement des éléments de coeur se trouvent placés au centre sous les différentes chambres de chargement, les trajets que suivent, par exemple les sphères se 25 trouvant au bord et les sphères centrales traversant le milieu de la chambre dans le coeur du réacteur, ne s'écartent plus aussi fortement les uns des autres, comme on pouvait le constater dans les installations plus anciennes dans lesquelles le coeur n'était pas partagé. La succession mentionnée ci-dessus des différentes chambres 30 de chargement procure un équilibrage supplémentaire. Ceci signifie un temps de séjour presque identique des éléments de coeur dans le coeur du réacteur et, en conséquence, - dans le cas d'éléments de combustible - une combustion régulière. Après le premier passage des éléments de coeur dans une ou plusieurs des chambres parallèles 35 à l'axe, ces éléments passent une seconde fois dans une ou plusieurs autres chambres parallèles à l'axe, sans mesure de combustion. Après ce deuxième passage, les différences statistiques dans le degré de combustion des éléments de combustible ont encore diminué et cette opération se répète à chaque nouveau passage des sphères dans le 40 coeur du réacteur. Etant donné que chaque chambre a son propre 69 14389 3 2008029 dispositif de chargement et de déchargement, les sphères ne peuvent pas se mélanger à celles d'un autre passage et il n'est donc plus nécessaire d'examiner le degré de combustion des éléments de combustible . 5 Lors du dernier passage dans le coeur du réacteur, les éléments de coeur peuvent passer dans les chambres les plus éloignées vers le centre ou, au cas où. elle existe, dans une chambre située dans l'axe du coeur, ce qui diminue la densité des neutrons au centre du coeur du réacteur et assure de ce fait une densité de puissance plus 10 régulière sur la section transversale du coeur. La combustion des éléments de combustible a alors atteint un degré tel qu'ils peuvent être évacués du réacteur. Il n'est pas nécessaire de mesurer le degré de combustion, étant donné que les éléments de combustible, après plusieurs passages, ne présentent plus de grandes différences dans 15 leur degré de combustion. Dans le cas où les chambres traversées par les éléments de combustible ont exactement les mêmes dimension^ on peut calculer, d'après la loi de probabilité de G-auss, que la dispersion relative de la combustion des éléments de combustible est réduite après le deuxième passage de la valeur V2*T après le troisiè-20 me passage de la valeur V3~ete. Si l'on tient compte du fait qu'une installation de mesure de la combustion dans des conditions de fonctionnement normales travaille avec une précision de 5 % au plus et que cette valeur se■trouve encore dégradée du fait de la présence de produits de fission toxiques, on peut voir facilement que, après 25 un nombre déterminé de passages, la dispersion de la combustion des éléments de combustible est devenue si faible que l'on peut se passer d'une installation de mesure de combustion. Selon la présente invention, les éléments de coeur ne sont pas introduits simultanément dans toutes les chambres du coeur du réac-30 teur-comme cela est le cas dans l'état actuel de la technique — mais l'on charge d'abord une chambre ou un groupe de chambres et les autres chambres sont traversées l'une après l'autre par les éléments de coeur. Etant donné que les éléments de coeur ne peuvent pas se mélan-35 ger, on sait exactement combien de passages ils ont déjà effectués, ce qui donne une indication sur leur degré de combustion lorsqu'il y a une chambre centrale dans le coeur du réacteur, pour obtenir une densité de puissance plus îJBiforme, les éléments de combustible sont envoyés dans cette chambre avant d'être complètement consommés. 40 Dans ce cas également, on peut se passer d'une installation 69 14389 4 2ÔG8029 de mesure de combustion. Toutefois, avec les réacteurs nucléaires connus, cette installation est indispensable afin de différencier les éléments de combustible selon leur degré de combustion et de pouvoir alors les répartir dans les différentes chambres. 5 Etant donné que chacun des éléments de coeur traverse le coeur du réacteur un même nombre de fois, tous ces éléments sont exposée aux mêmes efforts mécaniques pendant l'opération de chargement ; c'est-à-dire qu'ils reçoivent le même nombre de chocs» Le risque que quelques-uns des éléments de coeur soient exposés à de trop 10 nombreux chocs et se brisent se trouve de ce fait exclu. Un autre avantage consiste en ce que les dispositifs de chargement et de déchargement peuvent être de réalisation plus simple étant donné qu'il n'y a pas besoin de retirer d'éléments de coeur pour en mesurer le degré de combustion. Chaque élément de coeur 15 frais est introduit dans une première chambre, passe de celle-ci dans une seconde, une troisième et finalement, après avoir travers sé la chambre centrale - dans le cas où celle-ci'existe - est retiré du réacteur» Le guidage des éléments de coeur peut ainsi être considérablement simplifié et l'on peut économiser un certain nom-20 bre de machines. Les dispositifs de chargement et de déchargement peuvent être les mêmes pour toutes les chambres, ce qui diminue sensiblement leur coûtv car les frais de développement pour une construction déterminée représentent une fraction importante de l'ensemble des frais de fabrication. 25 II faut noter qu'il peut être très avantageux de ne pas in troduire les éléments de coeur dans le coeur du réacteur par le réflecteur de plafond, mais au contraire de placer des tubes de chargement dans les cloisons de séparation entre les différentes chambres parallèles à l'axe et de laisser sortir les sphères à ces 30 endroits. La course de chute des sphères n'est que de quelques centimètres par rapport à quelques mètres avec les procédés utilisés .jusqu'à maintenant. Selon un autre développement avantageux du procédé selon la présente invention, on introduit dans le coeur du réacteur non seu-35 lement des éléments de combustible, mais également des éléments de matière fertile ; les éléments de combustible et les éléments de matière fertile traversent ensemble plusieurs des chambres parallèles à l'axe l'une après l'autre jusqu'à la combustion totale des premiers. Ils sont alors amenés à une installation de différen— 40 ciation qui, par exemple, trie selon le poids les sjJières de combus 69 14389 5 2008029 tible de la masse des sphères de matière ' fertile et provoque leur évacuation hors du circuit de chargement. Avant le passage dans d'autres chambres parallèles à l'axe, on ajoute aux éléments de matière fertile des éléments de combustible frais, lorsque ceux-ci 5 sont presque complètement épuisés, l'ensemble des éléments de coeur, c'est-à-dire éléments de combustible et éléments de matière fertile, traversent la chambre située dans l'axe du coeur du réacteur et sortent du circuit de chargement. De façon appropriée, la chambre située dans l'axe du coeur est 10 entourée par une paroi de graphite concentrique et la zone annulaire raccordée vers l'extérieur à cette chambre est divisée en plusieurs autres chambres par un certain nombre de cloisons de graphite radiales. On peut prévoir des conduits pour les barres de contrôle aussi bien dans la paroi de graphite concentrique que dans les cloi— 15 sons radiales. Dans le cas de réacteurs nucléaires particulièrement importants, il peut être avantageux de diviser la chambre centrale en plusieurs chambres. Ceci permet de placer d'autres barres de contrôle à proximité du centre du coeur. 20 Deux exemples de réalisation de réacteur nucléaire permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention sont représentés schématiquement sur le dessin annexé, dans lequel ; - la figure 1 montre une coupe à travers le coeur d'un réacteur uniquement chargé avec des éléments de combustible, et 25 - la figure 2 montre une coupe à travers le coeur d'un réacteur chargé avec des éléments de combustible et des éléments de matière fertile. la figure 1 montre en coupe le coeur circulaire d'un réacteur qui est divisé en plusieurs chambres. Une chambre centrale 1 est en-30 tourée par une paroi de graphite cylindrique 2 ; tin volume annulaire reste libre entre cette paroi et le réflecteur 3 qui entoure le coeur du réacteur. Ce volume annulaire est divisé en six autres chambres de 5 à 10 par des cloisons intermédiaires 4 qui sont également en graphite et de même épaisseur. Il n'est pas nécessaire que ces eham-35 bres aient les mêmes dimensions. Les sept chambres sont toutes équipées de leur propre installation de chargement et de déchargement. Aussi bien dans la paroi de graphite 2 que dans les cloisons intermédiaires 4, on prévoit des conduits 11 destinés à recevoir des barres de contrôle conformément 40 au procédé selon l'invention, le chargement du réacteur s'effectue 69 14389 6 2008029 de la façon suivante : Dans les deux chambres 5 et 6 en vis-à-vis sont introduites des sphères de combustible non encore utilisées ; après avoir traversé ces chambres, elles sont retirées et amenées aux chambres 7 5 et 8. Après qu'elles aient traversé également les deux autres chambres en vis-à-vis 9 et 10, - et sans que l'on mesure leur degré de combustion -, elles passent une quatrième fois dans le coeur du réacteur où elles traversent la chambre centrale 1. Après avoir quitté cette chambre, elles sont retirées du cir-10 cuit de chargement. Comme déjà décrit ci-dessus, après chaque passage des sphères de combustible dans le coeur du réacteur, la dispersion statistique relative de leur degré de combustion a déjà été réduite d'une valeur déterminée, de sorte que-les différences qui subsistent encore 15 dans le degré de combustion des différentes sphères sont maintenant acceptables. De ce fait, il: ù*est plus nécessaire d'effectuer une mesure du degré de combustion. Etant donné que les sphères de combustible après leur passage dans la chambre centrale 1 sont déjà très forte-20 ment usées, la densité de neutrons, et de ce fait, également la densité de puissance, ont déjà considérablement diminué dans cette zone. La figure 2 représente une coupe à travers un réacteur nucléaire qui comporte également une chambre centrale 1 ainsi qu'un volume 25 annulaire qui, cette fois n'est pas divisé en six.mais en sept autres chambres, 12,13 ... 18. Toutes les autres caractéristiques telles que la disposition des barres de contrôle et l'équipement de chaque chambre avec son propre dispositif de chargement et de déchargement sont les mêmes que dans le réacteur nucléaire représenté sur 30 la figure 1 et ont donc été omis sur la figure 2. Le chargement s'effectue de la façon suivante : Dés éléments de combustible et de matière fertile frais sont introduits dans la chambre 12, sont retirés de celle-ci et amenés à la chambre 13. Après avoir traversé cette chambre, et à sa suite la chambre 14, 35 les deux types de sphères traversent ensuite la chambre 15. Dans le dispositif de déchargement de cette chambre est prévue une installation de différenciation qui trie les sphères qui sortent selon leurs différences de poids et séparent ainsi les sphères de combustible des sphères de matière fertile. Les sphères de combustible qui sont 40 complètement épuisées après quatre passages dans le coeur sont 69 14389 7 2008029 complètement évacuées du circuit de chargement. Toutefois, les sphères de matière fertile effectuent encore quatre passages, car elles disposent d'une durée de vie considérablement plus longue* lorsque les éléments de combustible épuisés sont retirés on 5 ajoute aux éléments de matière fertile des éléments de combustible frais qui parcourent ensemble l'une après l'autre les chambres 16, 17 et 18, Enfin, les éléments de coeur traversent la chambre centrale 1 et aussi bien les éléments de combustible que les éléments de matière fertile sont alors évacués du réacteur nucléaire. 69 14389 s 2008029 fiEVEUMCATIOHS 1. Procédé pour charger un réacteur nucléaire à haute température refroidi par gaz avec une charge d'éléments de coeur en morceaux, notamment de forme sphérique, le coeur du réacteur étant divisé en plusieurs chambres de chargement parallèles à l'axe pour rece-5 voir les éléments de coeur avec des dispositifs de chargement et de déchargement prévus pour chacune des chambres, caractérisé en ce que les éléments de coeur traversent les différentes chambres de chargement du réacteur nucléaire dans le sens de la chute et que la succession de ces chambres est déterminée de telle sorte que l'on 10 obtient un temps de séjour presque uniforme des éléments de coeur dans le coeur du réacteuro 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, aussi bien les éléments de combustible que les éléments de matière fertile, effectuent simultanément plusieurs passages dans certaines 15 des chambres parallèles à l'axe, qu'ensuite, aprè? avoir traversé une installation de différenciation, les éléments de combustible usés sont évacués du cycle de chargement et que de nouveaux éléments de combustible sont introduits dans une autre chambre parallèle à l'axe qu'ils traversent en même temps que les éléments de matière 20 fertile, et en ce que les éléments de combustible et les éléments de matière fertile, après avoir traversé d8autres chambres parallèles à l'axe, traversent à leur dernier passage dans le coeur du réacteur la chambre située dans l'axe de ce dernier. 3. Réacteur nucléaire pour mettre en oeuvre le procédé selon 25 les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre située dans l'axe du coeur est entourée par une paroi concentrique en graphite et que les chambres parallèles à l'axe sont formées par un certain nombre de cloisons de graphite traversant radialement la zone annulaire extérieure. 30 4. Réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé en ee que la chambre entourée par une paroi concentrique en graphite est elle-même également divisée en plusieurs chambres.