Brevet FR2009270A1 — publié le 19700130

K 200927b La présente invention concerne une centrale nucléaire pour une station spatiale. Les réacteurs nucléaires présentent un intérêt certain comme source d'énergie dans les -stations spatiales en raison de leur puissance 5 élevée par unité de poids lorsque la puissance maximale dépasse 30 kW. Des projets déjà réalisés (par exemple SNAP 10 A) ou dont l'étude est connue, prévoient une transformation de la chaleur de fission en énergie électrique soit à l'aide de turbogénératrices soit au moyen de convertisseurs thermo-électriques ou thermo-ioniques. Les éléments communs 10 de toutes ces centrales sont par conséquent : un noyau nucléaire produisant de la chàeur et disposé de préférence à la pointe de la centrale, un réflecteur enveloppant ce noyau et pouvant être écarté en partie par pivotement pour des raisons de réglage, un écran contre les radiations nucléaires qui protège la charge utile de la station, un convertisseur thermo-électrique et un 15 dispositif de refroidissement par rayonnement présentant une grande surface et ayant le plus souvent la forme d'un cône qui dissipe la chaleur inutilisable pour la conversion à l'espace l'environnant. L'invention concerne un réacteur nucléaire dont la chaleur est prélevée au moyen d'un système de tubes de dissipation traversant le noyau 20 en deux directions, ce système transmettant la chaleur aux émetteurs de convertisseurs thermo-ioniques se trouvant à proximité du réflecteur enveloppant le noyau. La chaleur dissipée par les convertisseurs est irradiée par un cône de refroidissement. L'utilisation de tubes de dissipation de chaleur pour le transport 25 de la chaleur depuis le noyau jusqu'aux convertisseurs est déjà connue (brevet des Etats-Unis d'Amérique 3.302.042). Il est en outre connu de former le cône de refroidissement lui-même par un certain nombre de tubes de dissipation de sorte que les conditions d'échange thermique soient uniformes sur toute la surface du cône (notice du Ministère de la Recherche Scientifique de la 30 République Fédérale d'Allemagne N° FBK 67-46). Ce projet présente néanmoins l'inconvénient qu'un circuit de métal liquide doit être prévu comme transmetteur de la chaleur et comme répartiteur de la puissance entre les convertisseurs et les tubes de dissipation de la chaleur. Ce circuit nécessite une pompe et doit être protégé correctement contre des détériorations pouvant être provoquées par 35 des météorites. L'invention évite ces inconvénients. Elle part d'une station spatiale comportant les éléments suivants : un noyau produisant de la chaleur, un réflecteur pouvant être écarté en partie par pivotement pour le réglage de la réactivité du réacteur et un système de tubes de dissipation de chaleur 69 16956 2 20092/0 traversant le noyau en deux directions et transmettant la chaleur de réaction à des convertisseurs thermo-ioniques montés à proximité du réflecteur, la chaleur dissipée par les convertisseurs étant à son tour transmise à l'espace environnant par un cône de refroidissement. Selon une caractéristique essentiel-5 le de l'invention, le cône de refroidissement se' compose d'un grand nombre de tubes de dissipation de la chafeur montés parallèlement et couplés thermiquement de façon directe avec un ou plusieurs collecteurs des convertisseurs. Le cône de refroidissement se trouve de préférence essentiellement du côté de l'écran de protection qui est à l'opposé du réacteur, tandis que 10 d'autres systèmes à tubes de dissipation de la chaleur, servant au refroidissement des réflecteurs et de l'écran de protection, présentent des surfaces de rayonnement se trouvant du côté de l'écran tourné vers le réacteur. L'écran de protection contre les radiations est de préférence refroidi seulement dais la zone proche du noyau par des tubes de dissipation, tandis 15 qu'un autre système de transmission de la chaleur, par exemple un système formé par des barres de cuivre massif, est prévu pour la transmission de la chaleur produite dans la zone de l'écran qui est éloignée du noyau vers la zone des tubes de dissipation. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, des 20 plaques de protection contre les météorites sont disposées de manière espacée, par l'intermédiaire d'éléments flexibles transmettant la chaleur, sur les côtés tournés vers l'espace des tubes de dissipation, qui forment le cône de refroidissement. Les plaques de protection de tubes de dissipation voisins se recouvrent partiellement, sans se toucher, afin de protéger les isolateurs 25 électriques qui sont éventuellement nécessaires entre ts tubes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une élévation latérale, partie en coupe, d'une 30 centrale nucléaire selon 1*invention, - la figure 2 est une coupe, à plus grande échelle, d'une partie de l'enveloppe' du cône de refroidissement. La centrale nucléaire suivant la figure 1 comprend un noyau produisant la chaleur, qui n'est pas visible au dessin et qui est entouré par 35 une enveloppe en forme de réflecteur. La paroi du réflecteur recouvrant le noyau en haut est composée de quatre éléments pivotants 2, entraînés par des moteurs et permettant le réglage de la réactivité du réacteur. Cette zone est protégée contre la pénétration de météorites par un capot 3. La ciSfcipBtiGE. >•_& «±al&e,E de noyai? #jc réacteur s'effectue au F..e;'f=" ùe tubes 6e dissipation q»«i traversent 2 ■'ensemble du noyau et dont " -,:r.c- :ez extrémités est rsiiès ttermiquemesfc aux ésetteurs de convertisseurs •r.i,6t*no »ioniques 4. Les tube a de dissipation sont subdivisés en quatre groupes i-zr.-e partie éec v."entretoise à faible distance à 15intérieur Cv-~.c7i.u. L:-cne des exur&rctë:; de? tubes dépasse du noyau et est reliée à ~;::S convertisseurs aeaoc^èï à l:une des faces latérales du noyau. Les :c:.-;"r-':ic3eurs associes à 1:ut„e os. ces faces sent par exemple aon'eés en huit comportant chacune cis convertisseurs. Un.écran de prr.fcecticn contre les radiations 5 est monté teeent sous le noyau da réacteur et protège la charge utile (non repré-^ de la station spatiale, La chaleur produite par radiation nucléaire Lit:- '.'.63 parois du réflectsur et éaoe l'êcrae de protection est transmise nrx "ac^s latérales verticales de "bloc foreé par le réflecteur par l'intar--.ëc-de deux systèmes séparés 6 et 7 & tubas de dissipation et cette ■sfcalass est ensuite irradiée dans l'espace par des surfaces de rayonnement 8 se ?, 11 suffît de disposer Ses tubes de dissipation 6 pour le refroidissement de ' fecr in thermique dans la sene proche du noyau seulement et d'utiliser peur 1s . artie qui est éloignée du réacteur, «a cône métallique ou un système -t isrr-s. massives 10 ayant i~i coefficient de conductibilité thermique élevé s': tracerîttant cette chaleur vers la sone où se trouvent les tubes de dissipa-ttez G*o . ystèce pe^t égala aient contribuer au renfort mécanique de la construction , 1s;- quatre faces latérales du réacteur sont entourées par des plaques de rotes!::.;.-. contre l.?s nmcéorites afin de protéger les convertisseurs. Selon l'invention^ la dissipation de la chaleur des collecteurs des converti--.-,v-rs tfesrao-ioniques "1 suffit de prévoir un seul tube de dissipation pour deux convertisseurs. Le.- \bes sont superposés dans la zone du noyau en raison du manque de place :. _s sont juxtaposés dans la zone du cône de refroidissement., le Icng de trices de celui-ci5 de sorte que les tubes recouvrent pratiquement £cv.te 1;, -e du cône de refroidissement. L'isolement électrique entre les cc-l.'.ectsv.' - - convertisseurs peut être réalisé soit dans la zone d'accouplement — ■/-riri'.riÊ les tubes de dissipation.. soie au moyen de couches d'isolement terca..e • =- • *e ces tubes, sur toute la longueur de ceux-ci, La figure 2 v-.- z. d%csiticn ; les tubes ce dissipation ont une section carrée 69 16956 4 2009270 et ils sont reliés mécaniquement par l'intermédiaire de couches d'isolement 13. Les côtés des tubes tournés vers l'espace sont recouverts de plaques 14, fixées avec espacement sur les tubes au moyen de bandes flexibles 15 d'une bonne conduc'tibilité thermique, par exemple en titane ou en cuivre, afin de protéger 5 les tubes contre les météorites. La fixation flexible diminue le risque d'une percée des plaques de protection. Les plaques associées à des tubes voisins se recouvrent de préférence en partie sans se toucher, de sorte que les zones entre les tubes sont également protégées. Des entretoises céramiques isolantes 16 peuvent être prévues dans la fente oblique entre les plaques. 10 BienqiJune protection efficace contre les météorites paraisse nécessaire, la destruction d'un ou de plusieurs tubes de dissipation de chaleur n'entraîne en aucun cas des suites catastrophiques pour l'ensemble de la centrale nucléaire. La chaleur dissipée normalement par un tube peut être transmise 15 aux tubes voisins en cas de destruction de ce tube notamment aux tubes qui le croisent, en raison de l'utilisation du système à tubes de dissipation croisés à l'intérieur du noyau du réacteur. Il est encore à noter, à ce sujet, que les deux convertisseurs refroidis par un seul tube de dissipation ne sont pas disposés dans deux 20 rangées voisines. Le risque que le refroidissement de deux tubes de dissipation parallèles voisins du noyau du réacteur fait défaut en même temps est très réduit. Un projet qui applique l'invention concerne une centrale nucléaire d'une puissance d'environ 50 kW dont la température du noyau est de 1850°C ; 25 la température du réflecteur et des collecteurs des convertisseurs est de l'ordre de 80QcC. La puissance thermique d'un tube de dissipation 12 est de 4,7 kW et le nombre des tubes sur le cône de refroidissement est de l'ordre de 100. La surface totale du cône de refroidissement, servant à la dissipation 2 de la chaleur perdue, d'environ 475 kW, est de 7 m . 69 16956 5 2009270 REVENDICATIONS 1. Centrale nucléaire pour une station spatiale comportant les éléments suivants : un noyau produisant la chaleur, un réflecteur dont une partie peut être écartée du réacteur par pivotement pour obtenir un réglage 5 de la réactivité et un système de tubes de dissipation de chaleur traversant le noyau en deux directions et transmettant la chaleur de réaction à des convertisseurs thermo-ioniques montés à proximité du réflecteur, îa chaleur perdue des convertisseurs étant dissipée à l'espace environnant par un cône . de refroidissement, caractérisé en ce que le cône de refroidissement se compose 10 d'un grand nombre de tubes de dissipation parallèles présentant une liaison thermique directe avec un ou plusieurs collecteurs des convertisseurs. 2. Centrale nucléaire selon la revendication 1, comportant un écran de protection contre les radiations, disposée directement derrière l'une des parois non pivotantes du réflecteur et servant à la protection de la station 15 spatiale se trouvant de l'autre côté de cet écran, caractérisée en ce que le cône de refroidissement est monté de façon connue du côté de l'écran de protection se trouvant à l'opposé du réacteur, tandis que les surfaces de rayonnement d'autres systèmes à tubes de dissipation, servant au refroidissement des réflecteurs et de l'écran de protection sont prévues du côté de l'écran 20 de protection tourné vers le noyau. 3. Centrale nucléaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'écran de protection contre les radiations est seulement refroidi par des tubes de dissipation dans la zone proche du noyau et en ce que l'écran comporte un système de transmission de la chaleur, constitué par exemple par des barres 25 de cuivre massives, pour transmettre la chaleur produite dans la zone de l'écran qui est éloignée du noyau, vers les tubes de dissipation. 4. Centrale nucléaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins quelques-uns des tubes formant le cône de refroidissement sont recouverts sur le côté tourné vers l'espace par une 30 plaque de protection contre les météorites, par exemple, une plaque en acier, et en ce que les plaques de protection sont fixées avec espacement sur les tubes de dissipation par l'intermédiaire d'éléments flexibles conduisant la chaleur. 5. Centrale nucléaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que 35 les plaques de protection de tubes voisins se recouvrent partiellement sans se toucher. 6. Centrale nucléaire selon la revendication 5, caractérisée en ce que des isolateurs céramiques servant de pièces d'écartement sont disposés entre les plaqués de protection montées avec recouvrement partiel.