Brevet FR2011851A1 — publié le 19700313

L'invention concerne d'une façon générale les réacteurs nucléaires et plus particulièrement un réacteur surgénérateur chargé de combustible dans un sel fondu, et une cellule à combustible pour ce réacteur. 5 La terminologie suivante est -utilisée dans le présent mémoire. Région active du coeur: partie intérieure d'un -réacteur nucléaire contenant de la matière fissile et caractérisée .par un facteur de multiplication supérieur ou égal à l'unité pendant 10 le fonctionnement du réacteur. Région fertile : région entourant immédiatement la région active du coeur et contenant de la matière fertile convertie en matière fissile par capture de neutrons. ••• •. : Matière fissile : matière subissant la fission sous 15 l'action de neutrons de n'importe quelle énergie. Matière fertile : matière pouvant être convertie en matière fissile par capture de neutrons. Réacteur surgénérateur : réacteur nucléaire produisant de la matière fissile à partir de matière fertile. Cette 20 expression est de plus limitée dans le présent mémoire au réacteur produisant plus de matière fissile qu'il n'en consomme. Dans l'établissement d'un réacteur surgénérateur chargé de combustible contenu dans un sel fondu, il est nécessaire d'utiliser dans le coeur des éléments en graphite en raison de 25 ses bonnes caractéristiques nucléaires et de structure. Le grossissement et le retrait du graphite résultant des conditions thermiques et de l'irradiation posent cependant des problèmes qui..doivent être résolus pour les éléments en graphite pour qu'un réacteur de ce type puisse être considéré acceptable. L'une des 30 difficultés apparaît quand des courants séparés du sel fondu contenant la matière fissile et du sel fondu contenant la matière fertile traversent la région active du coeur. En raison de la section efficace importante d'absorption des neutrons de la matière fertile, un pourcentage prédéterminé du volume de la 35 région active du coeur peut seulement être occupé par le sel fondu contenant la matière fertile sans qu'il en résulte de fluctuations substantielles de la réactivité. Bien que ce 69 16142 2 2011851 pourcentage du volume puisse varier entre certaines limites d'après l'enrichissement et la concentration de la matière fissile dans la région active du coeur, une fois choisies les valeurs de ces paramètres, il est essentiel, pour la continua-5 tion du fonctionnement acceptable du réacteur, que ce pourcentage du volume reste sensiblement constant. La présente invention a pour objet un réacteur surgénérateur chargé de combustible contenu dans un sel fondu caractérisé par un minimum de fluctuations de la réactivité 10 du fait de la variation de la matière fërtile présente dans la région active du coeur. L'invention a aussi pour objet une cellule à combustible en graphite minimisant les variations de volume dans le combustible et dans le sel de ]a réglai fertile, résultant des variations 15 dimensionnelles dans le graphite, provoquées par les conditions thermiques et l'irradiation. L'invention concerne.par suite un réacteur.nucléaire surgénérateur chargé de combustible dans un.sel fondu à une cellule à combustible pour ce réacteurr le réacteur contenant un 20 grand nombre de ces cellules formant un faisceau pour constituer la région active du coeur. Chaque cellule à combustible comprend trois éléments tubulaires concentriques avec des passages dans la direction axiale entre ces éléments et à travers l'élément tubulaire le plus intérieur. Ces passages forment des circuits Ç fermés séparés pour le sel fondu contenant la matière fissile et pour le sel fondu contenant la matière fertile. L'élément tubulaire le plus extérieur est fixé à une plaque à. tubes située ;au-dessus de la région active du coeur et peut avoir des mouvements libres dans le sens axial par rapport à.l'élément tubulaire 30 intermédiaire et à l'élément tubulaire intérieur qui sont fixés sur des plaques à tubes situées en dessous de la région'active du coeur. Cette liberté de mouvement axial permet l'adaptation aux variations des dimensions du.graphite des cellules à combustible. La commande de la réactivité .est assurée par déplacement 35 de sel fondu contenant la matière fertile.dans les intervalles entre les cellules à combustible. Le réacteur surgénérateur comporte ainsi dans le coeur ...des élément s en graphite dont les dimensions peuvent varier. librement to.ut en ne provoquant "qu'un minimum de fluctuations de la réactivité. 69 16142 3 2011851 Les-caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur iesquels : 5 La figure 1 représente schématiquement en coupe verticale un réacteur surgénérateur chargé de combustible dans un sel fondu selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 2 est une coupe verticale d'une cellule de combustible du réacteur de la figure 1, et 10 La figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 2. Le réacteur surgénérateur à combustible dans un sel fondu représenté sur la figure 1 comprend une cuve de réacteur comportant un corps cylindrique 1 avec un dessus ou couvercle 15 bombé 2 et un fond bombé 3 fermant l'extrémité supérieure et l'extrémité inférieure de la cuve. Un anneau support 4 permet le montage du réacteur et des organes disposés à l'intérieur de la cuve. Une canalisation pour le combustible comporte un conduit de sortie 6 partant du centre du fond bombé 3 et un 2 0 conduit d'entrée 5 traversant un côté du conduit 6 près du fond 3» la canalisation comprenant ces deux conduits communiquant avec un échangeur de chaleur (non représenté) traversé par le combustible. A l'intérieur de la cuve du réacteur, un réflecteur en 2 5 graphite 7 et une région fertile radiale formée de tubes en graphite 8 entourent la région active du coeur comprenant un grand nombre de cellules à combustible longues verticales 9. Les cellules 9 sont décrites plus en détail ci-après par rapport aux figures 2 et 3. Le sel fondu contenant la matière fissile, 30 appelé sel combustible, arrive dans les cellules combustible 9 à travers une chambre de distribution 10 et sort à travers une chambre collectrice 11. Le sel combustible est envoyé dans la région active du coeur à travers le conduit d'entrée 5 Qui débouche dans la chambre d'entrée ou de distribution 10. A partir 35 de la chambre d'entrée10, le sel combustible circule vers le haut à travers les cellules à combustible 9 avant d'échapper à travers la chambre collectrice ou de sortie 11 et le conduit de sortie 6 vers l'échangeur de chaleur extérieur, non représenté» Le sel 69 16142 4 2011851 fondu contenant la matière fertile, appelé sel fertile, arrive à la partie supérieure du réacteur à travers un conduit 12 débouchant dans la chambre de distribution ou chambre d'entrée 13 du sel fertile . . Le sel fertile passe ensuite dans les 5 cellules à combustible 9 à travers des tubes métalliques d'alimentation 14 qui servent aussi pour supporter radialementet axLalemaifc les cellules à combustible. Chaque tube d'alimentation 14 est lié métallurgiquement à une plaque à tubes 15 qui forme le fond de la chambre d'entrée 13 et au'bouchon 16 fermant l'extrémité 10 supérieure de chaque cellule à combustible. Les cellules à combustible 9» dont une est représentée plus en détail en coupe verticale et en coupe horizontale sur les figures 2 et 3> sont formées d'un élément tubulaire extérieur 17» d'un élément tubulaire intermédiaire 18 et d'un 15 élément tubulaire intérieur 19 concentriques en graphite établissant des canaux d'écoulement 20, 21 et 22. Un bouchon intérieur 23 et un bouchon extérieur 24 en graphite ferment les extrémités supérieures des éléments tubulaires 18 et 19 et les i supportent dans des positions concentriques, les deux éléments 20 étant espacés l'un de l'autre. Un tube 25 prolongeant le tube d'alimentation 14, comportant des fentes de la façon représentée, est fixé au bouchon extérieur en graphite 24 et son extrémité supérieure coulisse à l'intérieur du tube d'alimentation 14. Un tube prolongateur métallique d'entrée 26 et un tube prolonga-25 teur métallique de sortie 27 sont respectivement fixés aux extrémités inférieures de l'élément tubulaire 19 et de l'élément tubulaire 18 pour supporter radialement ces tubes en prolongeant en même temps des canaux d'écoulement 22 et 21 jusqu'aux chambres respectives d'entrée et de sortie 10 et 11. Les extrémités 30 inférieures des tubes prolongateurs 26 et 27 sont liées métallur-giquement aux plaques à tubes 10' et 11' qui forment respectivement les parois supérieures des chambres 10 et 11. Des séparateurs métalliques élastiques 28 sont fixés- au prolongateur 27 et dépassent radialement à l'extérieur pour venir en contaet à 35 friction avec l'élément tubulaire extérieur 17 afin de le maintenir radialement. Le sel combustible arrivant dans la chambre 10 s'écoule ensufte vers le haut à travers le canal d'écoulement intérieur 22 jusqu'à la partie supérieure de la région active du 69 16142 5 2011851 coeur pour traverser ensuite des ouvertures 29 vers le canal d'écoulement 21 et échapper finalement dans la chambre de sortie 11. Le sel passe ensuite de la chambre 11 à travers le conduit de sortie 6 vers un échangeur de chaleur non repré-5 senté. Le sel combustible est chauffé avant son entrée dans la chambre de sortie 11 à une température élevée du fait des réactions de fission ayant lieu pendant le passage de ce sel à travers les cellules à combustible 9, Le sel fertile pénètre dans les cellules à combustible 10 9 à partir de la chambre d'entrée 13 et à travers les tubes d'alimentation 14 et les prolongements tubulaires à fentes 25 de la façon représentée par les flèches en tirets. Une cavité ou chambre 30 est formée dans la partie supérieure de chaque cellule à combustible pour contenir un certain volume de sel 15 fertile au-dessus de la région active du coeur, afin de constituer une région fertile supérieure axialement. Le sel fertile descend de la cavité 30 à travers le canal d'écoulement 20 vers une région fertile inférieure axialement qui occupe la région 31 en dessous de la région active du coeur. Le sel fertile 20 s'écoule ensuite radialement vers les tubes en graphite-8 à travers lesquels une partie relativement faible remonte pour sortir à travers des tubes 32 dans une chambre d'échappement 33- Le sel fertile sort de la chambre de sortie 35 à travers une canalisation 34 vers un échangeur de chaléur, non représenté. 25 La partie principale du sel fertile sort du réacteur à travers une canalisation 35 raccordée à la partie inférieure du réacteur. Chaque cellule à combustible décrite ci-dessus fonctionne de façon satisfaisante malgré les variations des dimensions des éléments en graphite. Le retrait axial es:t permis par' lé contact 30 glissant du prolongement tubulaire 25 à l'intérieur du tube d'alimentation 14 et par le contact glissant des ressorts d'espacement 28 contre l'élément tubulaire extérieur 17, Les variations des dimensions des éléments en graphite de la cellule à" combustible du'fait de l'irradiation ou des'conditions 35 thermiques n'influent pas de façon appréciable sur l'écàrtement relatif entre les éléments tubulaires 17» 18 et"19»' de sorte que le rapport entre: le sel combustible et le sel 'fertile reste pratiquement constant dans la région active' du'coeur. Ce rapport 69 16142 6 2011851 constant aide à la stabilité de la réactivité du réacteur malgré le grossissement ou le retrait du graphite, ce qui simplifie les besoins de commande et permet un fonctionnement continu aux conditions nominales ou près des conditions 5 optimales prévues. La commande ou le réglage de la réactivité du réacteur est basé sur la contribution importante de la réactivité négative du sel fertile présent dans la région active du coeur. Le sel fertile remplit les intervalles entre les cellules à 10 combustible 9 jusqu'à un niveau établissant la condition de réactivité désirée. Par exemple, à l'arrêt,le niveau du sel fertile se trouve environ à mi-hauteur de la région active du coeur afin que le coeur soit sous-critique. Un niveau plus élevé ou plus bas peut être nécessaire dans certains cas, et 15 le point milieu ou à mi-hauteur est indiqué seulement à titre d'exemple. Pour rendre le réacteur critique, un gaz sous pression est injecté dans le réacteur en n'importe quel point convenable, par exemple par la canalisation d'entrée 36, pour refouler le sel fertile remplissant les intervalles entre les cellules à 20 combustible vers le bas jusqu'à un niveau indiqué sur la figure 1 par la ligne en tirets 37» Ce /niveau est aussi choisi à titre d'exemple et il peut varier d'après les cas particuliers. Des variations faibles du niveau du sel fertile dans les intervalles entre les cellules à combustible peuvent être utilisées pour un 25 réglage fin de la réactivité. Dans le cas d'un arrêt d'urgence, l'échappement du gaz, vers l'extérieur du réacteur permet l'élévation automatique du niveau du sel fertile entre les cellules à combustible pour que le réacteur devienne sous-critique. Une commande supplémentaire de la réactivité peut être obtenue au 30 moyen d'un tube central en graphite 38 dans lequel une barre de commande contenant une matière absorbant les neutrons peut être déplacée. Des alliages résistant à la corrosion, tels .que ceux décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2 921 850 35 conviennent pour les éléments métalliques du coeur, par exemple les prolongements tubulaires 26 et 27, les tubes 14 et les plaques à tubes 15. D'autres constituants du réacteur, tels que l'anneau 4, la cuve du réacteur et les canalisations et conduits 69 16142 7 2011851 exposés au sel combustible ou au sel fertile peuvent être formés de mêmes alliages. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres 5 variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 16142 8 2011851 REVENDICATIONS 1. Réacteur surgénérateur chargé de combustible dans un sel fondu caractérisé par un grand nombre de cellules à combustible orientées verticalement pour former un faisceau, chaque cellule à combustible comprenant un élément tubulaire en gra- 5 phite intérieur, un élément en graphite intermédiaire et un élément tubulaire en graphite extérieur, ces éléments étant esr>aoés les uns des autres, un premier passage défini par la surface irtérieure de l'élément tubulaire intérieur, un second passage défini par l'intervalle annulaire entre l'élément tubulaire intérieur et 10 l'élément tubulaire intermédiaire et un troisième passage défini par l'intervalle annulaire entre l'élément tubulaire intermédiaire et l'élément tubulaire extérieur, un premier dispositif de fermeture engagé aux extrémités supérieuresde l'élémert tubulaire intérieur et de l'élément tubulaire intermédiaire, l'élément tubulaire 15 intérieur comportant au moins une ouverture-voisine du dispositif de fermeture pour établir la communication entre le premier et le second passages, un dispositif fixé à l'extrémité supérieure de l'élément tubulaire extérieur pour le supporter et pour permettre le passage du sel fertile à travers le troisième passage de la 20 cellule, un dispositif pour supporter radialement les extrémités supérieures de l'élément tubulaire intérieur et de l'élément tubulaire intermédiaire tout en permettant le mouvement axial libre de ces éléments, et un dispositif pour supporter radialement l'extrémité Inférieure du tube extérieur tout en permettant son mou-25 vement axial libre, le réacteur comprenant de plus un dispositif pour faire varier la réactivité du réacteur par variation du volume du sel fertile présent dans la région du coeur. 2. Réacteur surgénérateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif pour maintenir les extrémités 30 inférieures des éléments tubulaires intérieurs et intermédiaires comprend une première plaque à tubes et une seconde plaque en tubes en-dessous des éléments tubulaires, et pour chaque cellule un tube métallique fixé à l'élément tubulaire Intérieur et à la première plaque et m tube métallique fixé à l'élément tubulaire 35 intermédiaire et-à la seconde plaque à tubes. 3. Réacteur surgénérateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif maintenant les extrémités infé 69 16142 9 2011851 rieures des éléments tubulaires intérieurs et des éléments tubulaires intermédiaires comprend une première plaque à tubes et une seconde plaque à tubes en-dessous des éléments tubulaires, des premiers tubes et des seconds tubes métalliques concentriques 5 fixés aux éléments tubulaires intérieurs et aux éléments tubulaires intermédiaires et communiquant respectivement avec ces éléments et la première plaque à tubes et la seconde plaque à tubes,et le dispositif pour supporter radialement l'extrémité inférieure de l'élément tubulaire extérieur de chaque cellule tout en permet-10 tant son mouvement axial libre comprend au moins un séparateur en métal à ressort fixé au second tube métallique concentrique et venant en contact glissant contre la surface intérieure de l'élément tubulaire extérieur. ' 4. Réacteur surgénérateur selon l'une des revendica- 15 tions 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif pour supporter 1 ' extrémité supérieure de chaque élément tubulaire éxtérieur^comp^erd une troisième plaque à tubes au-dessus des éléments tubulaires exté-tieurs, un bouchon fixé à l'extrémité supérieure de l'élément tubulaire extérieur et un tube métallique fixé à la troisième "20- plaque àitubes et au bouchon pour faire communiquer ces deux parties, le tube traversant le bouchon pour établir une communication entre l'Intérieur de l'élément tubulaire extérieur et la région immédiatement au-dessus de la troisième plaque à tubes. 5. Réacteur surgénérateur selon l'une des revendica-25 tions 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif pour supporter l'extrémité supérieure de chaque élément tubulaire extérieur comprend une- troisième plaque à tubes au-dessus des éléments tubulaires extérieurs, un bouchon fixé à l'extrémité supérieure de chaque élément tubulaire extérieur et un tube métallique à *30 extrémités ouvertes fixé à la troisième plaque à tubes et au bouchon,, le tube traversant le bouchon pour établir une communication entre 1-'Intérieur de l'élément tubulaire extérieur et la . région immédiatement au-dessus de la troisième plaque*à tubes, et le- dispositif pour supporter radialement les extrémités supérieu-35 res de l'élément tubulaire intérieur et de l'élément tubulaire intermédiaire de chaque cellule tout en permettant le mouvement axial libre de ces éléments comprend un élément tubulaire perforé à extrémité ouverte-dépassant de ces éléments tubulaires et A-' 69 16142 10 2011851 engagé pour coulisser contre la surface intérieure du tube métallique faisant communiquer la troisième plaque à tubes et le bouchon. 6. Réacteur surgénérateur selon l'une des revendi-5 cations 1 à 5 caractérisé en ce que le dispositif pour commander la réactivité du réacteur par variation du volume de sel fertile présent dans la région active du coeur comprend du sel fertile dans les intervalles entre les cellules à combustible et au moins un conduit d'entrée pour l'envoi d'un gaz sous pression pour ré-10 gler la hauteur de sel fertile fondu à un niveau établissant la réactivité désirée.