Brevet FR2039311A1 — publié le 19710115

La présente invention se réfère à des perfectionnements apportés aux réacteurs nucléaires du type à cavité, c'est-à-dire à ceux dans lesquels une cavité centrale ou noyau, renfermant le combustible fissible, est monté à l'intérieur d'un réflecteur mo-5 dérateur qui l'entoure, ce dernier étant d'ordinaire constitué par de l'eau lourde. La plupart des réacteurs de ce genre qu'on a proposés jusqu'ici ont comporté un noyau gazeux de Tj235]?g disposé à l'intérieur d'un réflecteur à eau lourde. On a envisagé diverses méthodes pour extraire de l'énergie utilisable à partir 10 du noyau gazeux, mais les problèmes essentiels de retenue du combustible et de transfert de chaleur restent encore en grande partie non résolus. La présente invention vise à produire de la vapeur à partir d'eau dans le noyau d'un réacteur du type en question en utili-15 sant à cet effet la chaleur de fission d'un combustible constitué par du sous forme solide. La vapeur ainsi produite peut en suite être utilisée pour toute application subséquente désirée, par exemple dans une turbine de type classique en vue de produire de l'électricité. 20 L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l' aide de la description qui suit ainsi que du dessin ci-annexé, lesquels description et dessin sont, bien entendu, donnés surtout à titre indicatif. Fig. 1 est une coupe axiale verticale d'un réacteur sui-25 vant l'invention. Fig. 2 est une coupe semblable, mais à plus grande é-chelle, du noyau de ce réacteur. Une enveloppe métallique extérieure 10 supporte par le moyen de consoles 11 une enveloppe métallique intérieure 12 qui définit 30 le noyau ou coeur du réacteur. La partie inférieure de l'enveloppe 12 est également reliée à l'enveloppe extérieure 10 par le moyen d'un tube supérieur 13 et d'un tube inférieur 14. La zone supérieure de l'espace intermédiaire délimité par les deux enveloppes renferme des réflecteurs 15 à eau lourde ou à gra-55 phite, tandis que la zone située autour des côtés de l'enveloppe intérieure 12 et au-dessous de celle-ci est occupée par un réflec-teu-modérateur constitué par une masse d'eau lourde 16. Cette masse 16 est maintenue par une pression gazeuse agissant sur une surface libre annulaire 17 de ladite-masse, définie entre une 40 cloison ouverte 18 convergeant vers le bas et m fond 19 en for- 70 10555 2 2039311 me de "bol à concavité tournée vers le haut, ce fond étant supporté par des consoles 20 à partir de l'enveloppe extérieure 10. Au-dessous du fond 19 il est prévu un espace collecteur 21 susceptible de renfermer une masse supplémentaire d'eau lourde 22. 5 l'enveloppe extérieure comporte des tubulures d'entrée d'hé lium 23 et 24, respectivement situées au-dessus et au-dessous de la masse principale 16 du modérateur. A ces tubulures d'entrée correspondent des tubulures de sortie 25 et 26. Eu fonctionnement normal l'on maintient une différence de pression suffisante entre 10 l'èspace collecteur 21 et l'espace 27 situé au-dessus du modérateur en vue d'équilibrer le poids de celui-ci. Cette pression peut être réglée de manière à permettre un certain déversement d'eau lourde par dessus le bord du fond 19 afin de maintenir quelque peu l'eau en circulation. En cas d'urgence on peut abaisser 15 brusquement et massivement la pression d'hélium qui règne dans lrespace collecteur 21 pour permettre au modérateur de retomber rapidement dans celui-ci. Le niveau supérieur du modérateur, qui commande la réactivité de l'appareil, est. normalement maintenu en agissant à la fois 20 sur le réglage de la pression gazeuse et sur l'admission d'eau lourde par une tubulure d'entrée 28. En outre il est normalement prévu pour la purification une tubulure d'entrée 29 et une tubulure de sortie 30. On conçoit que toutes ces .tubulures doivent comporter des vannes appropriées , des pompes et autres accèssoi-25 res à la façon habituelle, bien que ces éléments n'aient pas été représentés au dessin annexé. Comme le montre bien fig. 2 l'enveloppe intérieure 12 supporte des consoles 31 orientées en direction de l'intérieur et qui portent à leur tour une paroi de doublage en graphite 32, celle-30 ci définissant un passage annulaire 33 entre elle-même et l'enveloppe 12. La paroi 32 se prolonge en direction du haut sous la forme d'un tube de sortie en graphite 34 qui communique par des ouvertures 36 avec l'espace à combustible 35 délimité par ladite paroi 32« Cette dernière s'arrête au voisinage du fond de l'enve-35 loppe 12 de manière à faire communiquer librement l'espace 35 et le passage annulaire 33 précité; La sortie de l'enveloppe 12 est constituée par le tube 14 décrit plus haut. Ainsi qu'on peut le voir en fig. 1 il est prévu entre les tubes 13 et 34 un espace cylindrique 41 qui communique avec une 40 entrée 42 d'eau dlalimentation. Un soufflet de dilatation 43 est 70 10555 3 2039311 disposé autour de l'extrémité supérieure du tube 34, entre le tube 13 et un tube de sortie de vapeur 45 qui prolonge en quelque sorte le tube 34. Comme on peut le voir dans les deux figures, il est prévu 5 près du haut du noyau un canal 46 d'introduction de combustible. Ce canal 46 communique avec l'espace 35 et il est en partie entouré par une chemise d'eau 47 ménagée entre deux prolongements cylindriques 48 et 49 respectivement solidaires de l'enveloppe 12 et de la paroi de doublage 32. 10 Le combustible utilisé est de forme sphéroldale. Dans l'exem ple représenté il affecte la forme de sphères 50 qui remplissent de façon substantiellement complète l'espace 35 délimité par la paroi de doublage 32, pour constituer ainsi un lit immobile. Ces sphères sont constituées par du graphite imprégné d'une solution 15 d'uranium et revêtues d'une céramique qui les protège contre l'oxydation par la vapeur en évitant ainsi la libération de substances fissibles dans l'agent de refroidissement. On peut trouver la description de techniques d'imprégnation de sphères de ce genre Sans les brevets américains 2 946 699 et 2 969 294 respective-20 ment délivrés le 26 Juillet 1960 et le 24 Janvier 1961 aux noms de Manuel C. SJfflZ et autres, et de James J. SHÏME. Lorsque l'appareil fonctionne on l'alimente par de l'eau légère qu'on introduit dans l'enveloppe 12 à travers la tubulure d'entrée 42. Cette eau descend dans le passage annulaire 33 entre 25 l'enveloppe 12 et la paroi de doublage 32 pour remonter ensuite dans l'espace à combustible 35. L'eau peut par exemple atteindre dans l'espace 35 un niveau tel que celui indiqué en 51, c'est-à-dire situé à environ un tiers de la hauteur de l'enveloppe 12. Au-dessus du niveau 51 ainsi déterminé, les interstices qui sépa-30 rent les sphères 50 sont remplis de vapeur saturée et surchauffée dégagée à partir de l'eau sous l'effet des sphères combustibles . 50. Cette vapeur traverse les ouvertures 36 et s'écoule par les tubes 34 efc 45. Ainsi les sphères 50 La présence de la paroi de doublage en graphite 32 avec ses propriétés d'isolement calorifuge relativement élevées, garantit que le matériau constitutif de l'enveloppe 12 ne se trouve pas 40 exposé à la vapeur surchauffée et est au contraire refroidi par 70 10555 4 2039311 l'eau d'alimentation qui circule dans le passage 33. Cette caractéristique est importante étant donné que pour des raisons cons-tructives il est avantageux de réaliser l'enveloppe 12 à partir d'un alliage, tel que celui de zirconium connu sous le nom de Zir-5 caloy, et qu'il est désirable d'autre part de ne pas exposer un tel alliage à des températures extrêmes. D'autres avantages découlent du fait que le modérateur est séparé du noyau. La zone extérieure (dans le sens radial) du réao-teur constitue un système à pression et à température relative-10 ment Huasses, séparé du système central à pression et à température relativement élevées par l'enveloppe 12, la paroi de doublage 32 et l'eau d'alimentation froide circulant dans le passage 33» Cette séparation nette entre le système modérateur et le système refroidisseur assure de nombreux avantages étant donné qu'il est 15 toujours désirable quand on établit un appareil,.d'être libéré de l'obligation que les pièces et les matériaux utilisés soient susceptibles de supporter des températures èt des pressions élevées ainsi que de grandes variations dans ces paramètres. Il convient également de noter que le fait de faire descen-23 dre l'eau d'alimentation dans le passage annulaire 33 comporte l'avantage supplémentaire de pré-chauffer cette eau relativement froide à un degré tel qu'il soit possible de se dispenser des réchauffeurs d'eau d'alimentation normalement .nécessaires dans une installation du genre en question. 25 Cette disposition d'un réacteur a cavité avec séparation des températures et des pressions entre le combustible et le modérateur, convient tout particulièrement aux appareils de petites dimensions, par exemple jusqu'à 50 Mw. La pression de fonctionnement à l'intérieur du réacteur (par exemple de 14kg/cm2) est fai-30 ble si on la compare à celles généralement mises en oeuvre dans d'autres réacteurs de puissance à refroidissement par eau. Cela permet de prévoir des parois relativement peu épaisses (par exemple 5e1111 dans le cas du Zircaloy) et d'utiliser comme modérateur une masse d'eau lourde relativement peu importante. On peut néan-55 moins obtenir de bons rendements thermiques du fait que la température de sortie de la vapeur peut être relativement élevée, par exemple de l'ordre de 500° C. La disposition représentée au dessin annexé est surtout applicable aux petis réacteurs comportant pour leur noyau ou coeur 40 un diamètre d'environ 1,20m à 1,50m et -une hauteur du même ordre. 70 10555 5 2039311 L'alimentation du réacteur en combustible s'effectue par charges successives, bien qu'il ne soit pas nécessaire de prévoir une vidange et un remplissage complets du réacteur lors de chaque remplacement de ce réacteur. On peut prévoir un organe approprié, 5 schématiquement représenté par un bouchon 52, et qu'il suffit d'enlever pour permettre aux sphères combustibles complètement ou partiellement épuisées de retomber par le tube 14 en vidangeant ainsi l'espace 35 totalement ou en partie, suivant le programme qu'on s'est fixé. Le remplissage en sphères fraîches 50 s'effec-10 tue par le canal 46 dans la mesure nécessaire au remplissage de l'espace 35• On peut, si on le juge utile, prévoir plusieurs canaux en vue de répartir régulièrement le combustible dans l'espace précité. Pour permettre d'introduire le combustible dans l'espace 35 15 ou de le retirer de celui-ci alors que l'enveloppe 12 est sous pression, il est nécessaire de prévoir des compartiments étanches dans le tube 14 et dans le canal 46® Cela peut être réalisé en disposant deux vannes convenablement espacées l'une de l'autre sur ce tube 14 et sur ce canal 46. Pour vidanger le combustible 20 épuisé de l'espace 35, on ouvre la vanne intérieure du tube 14, la vanne extérieure restant fermée, de manière à permettre à ce combustible de tomber par gravité entre les deux vannes. On ferme alors la vanne intérieure et l'on ouvre la vanne extérieure pour que le combustible épuisé retombe à partir de cette dernière. 25 De même pour introduire du combustible frais dans 1'espace 35 s 011 ouvre la vanne extérieure du canal 46, sa vanne inférieure étant fermée, de façon que du combustible retombe entre les deux vannes. On ferme alors la vanne extérieure et l'on ouvre la vanne intérieure afin que ce combustible retombe dans l'espace 35. 30 Comme il va de soi, et comme il ressort d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite aucunement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrassé au contraire toutes les variantes. 70 10555 6 2039311 - REVENDICATIONS - 1. Réacteur nucléaire, du genre comportant un noyau central qui renferme le combustible fissible, monté à l'intérieur d'un réflecteur-modérateur à eau lourde qui l'entouré,- caractérisé en 5 ce qu'il comprend : -une enveloppe intérieure entourant le noyau ; -une enveloppe extérieure entourant l'enveloppe intérieure ; -des moyens pour maintenir une masse d'eau lourde dans 10 l'enveloppe extérieure autour de l'enveloppe intérieure .en vue de lui faire jouer le rôle de réflecteur-modérateur ; -une paroi de doublage montée dans l'enveloppe intérieure pour y délimiter un espace à combustible, cette paroi étant' é-cartée de l'enveloppe intérieure en vue de définir avec elle tin 15 passage annulaire qui s'étend en direction du bas pour déboucher dans la partie basse de cette enveloppe, de manière que le haut de l'espace à combustible se trouve séparé de ladite enveloppe par la paroi intermédiaire et qu'au contraire le bas de cet espace communique librement avec l'enveloppe précitée ; 20 -des moyens pour introduire de l'eau d'alimentation dans le haut du passage annulaire précité de façon qu'elle descende dans celui-ci pour arriver dans le bas.de l'espace à combustible et remonte ensuite dans cet espace ; -des moyens pour évacuer la vapeur à partir du haut de 25 l'espace à combustible ; -des moyens pour introduire le combustible nucléaire sous forme sphéroïdale dans le haut de l'espace à combustible en vue d'y constituer un lit immobile ; -et des moyens permettant d'évacuer le combustible à JO partir dudit espace. 2. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de doublage est faite en graphite et comporte un fort pouvoir d'isolement thermique. 3. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 35 la paroi de doublage affecte la forme d'un corps cylindrique ouvert dans le bas et fermé dans le haut sauf pour ce qui est des moyens d'évacuation de vapeur, 4-. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure est en forme de cylindre fermé dans le haut 4-Q et dans le bas, les moyens de maintien de la masse d'eau lourde 10555 7 2039311 dans l'enveloppe extérieure maintenant cette eau autour de la périphérie cylindrique de l'enveloppe intérieure et au dessous de celle-ci, tandis qu'il est prévu au dessus de cette dernière d'autres moyens formant réflecteur-modérateur.