Brevet FR2085381A1 — publié le 19711224

La présente invention concerne la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur nucléaire, et plus particulière- ment dans un réacteur du type modéré à l'eau lourde, sans toutefois entre limitée å cette application. L'invention a plus précisément pour objet un procédé pour la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur nucléaire, du type comportant la circulation d'un réfrigérant entre le réacteur où il absorbe la chaleur produite et un ensemble générateur de vapeur où il assure le réchauffage, la vaporisation et la surchauffe d'un fluide vaporisable, généralement le fluide de travail d'un cycle thermodynamique a turbine à vapeur. Dans la mise en oeuvre de tels procédés, le fait d'obtenir la surchauffe directement par echange avec le réfrigérant du réacteur exige que celui-ci soit adapté à supporter des températures élevées. Pour produire par exemple de la vapeur d'eau surchauffée à une température favorable au bon rendement des turbines à vapeur, c'est-à-dire à plus de 5000C, il est nécessaire de porter le réfrigérant à au moins 500"C dans le réacteur. De telles températures limitent les possibilités de choix du réfrigérant, soit à un métal liquide, mais cette solution est interdite dans les réacteurs à eau lourde pour des raisons de sécurité, soit à un gaz, ce terme englobant les vapeurs et notamment la vapeur -d'eau.De plus, elles impliquent pour les matériaux utilisés dans le réacteur des problèmes de résistance thermique qui, en exigeant des matériaux comateux, grèvent le prix de revient de la vapeur produite. La présente invention vise essentiellement à résoudre ces difficultés, dans un procédé permettant de produire de la vapeur surchauffée à haute température, dans de bonnes conditions de rentabilité économique. Elle prévoit dans ce but d'effectuer la surchauffe en deux étapes, l'une par échange avec le réfrigérant, l'autre à l'intérieur même du réacteur, de sorte que le procédé est particulièrement avantageux à appliquer aux réacteurs présentant des canaux de combustible nettement indépendants les uns des autres, ce qui est le cas notamment des réacteurs à eau lourde à tubes de force. L'invention a pour objet un procédé pour la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur nucléaire, notamment dans un réacteur du type modéré à l'eau lourde, procédé comportant la circulation d'un réfrigérant tel que le gaz carbonique entre une première zone du réacteur où il absorbe la chaleur produite et un ensemble générateur de vapeur où il assure le réchauffage, la vaporisation et la surchauffe d'un fluide vaporisable, caractérisé en ce qu'il comprend une surchauffe complémentaire de la vapeur produite par ledit ensemble générateur de vapeur, dans une seconde zone du réacteur nucléaire. Le fluide vaporisable est de préférence de l'eau légère. L'invention a également pour objet une installation nucléaire permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, installation qui se caractérise en ce qu'elle comporte un réacteur nucléaire du type modéré à l'eau lourde, dont le coeur est formé de canaux contenant chacun du combustible nucléaire, un circuit fermé de réfrigérant, de préférence gazeux, entre les canaux d'une première zone du coeur et un générateur de vapeur, et un circuit de fluide vaporisable entre ledit générateur de vapeur, où ledit fluide vaporisable est réchauffé, vaporisé et surchauffé par échange avec ledit réfrigérant, et les canaux d'une seconde zone du réacteur où la vapeur produite subit une surchauffe complémentaire. De préférence ladite première zone est une zone annulaire autour de la seconde zone. Par ailleurs le réacteur est avantageusement conçu pour recevoir des éléments combustibles à base d'uranium naturel, de préférence gainés de magnésium, dans les canaux de la première zone (celle où passe le réfrigérant) et des éléments combustibles cramiques, notamment d'oxyde d'uranium enrichi gainés d'acier inoxydable, dans la seconde zone. On peut alors faire fonctionner les canaux de la seconde zone à une température assez élevée pour permettre de surchauffer la vapeur d'eau par exemple, à une température suffisante pour alimenter directement une turbine à vapeur. La rentabilité Eco- nomique de cette production est améliorée du fait de l'emploi d'éléments combustibles meilleur marché dans la première zone, qui fonctionne à température moins élevée. La combinaison des deux circuits permet cependant d'éviter les inConvénients habituels d'un refroidissement du réacteur par eau légère, car toute l'eau passant dans les canaux du réacteur est sous forme de vapeur, c'est-à-dire peu absorbante du point de vue neutronique. On décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, en faisant référence à la figure unique jointe, qui illustre schématiquement le circuit des fluides dans le procédé selon l'invention. Dans le mode de mise en oeuvre particulier considéré, le procédé selon l'invention est appliqué à la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur du type modéré à l'eau lourde et refroidi par un réfrigérant gazeux. Le réfrigérant est ici du gaz carbonique, mais il pourrait être remplacé par un autre gaz ou par de la vapeur d'eau. Au réacteur, schématiquement représenté en 1 sur la figure, sont associés un générateur de vapeur 2 et une turbine à vapeur 3. Le générateur de vapeur 2 assure l'échange thermique entre le réfrigérant sortant du réacteur et de l'eau qui, en tant que fluide de travail du cycle thermodynamique, circule en circuit fermé entre le générateur de vapeur et la turbine 3. L'échange thermique s'effectue à contre-courant, dans une section économiseur 4 où l'eau est réchauffée avant le bouilleur 5, une section de vaporisation de l'eau réchauffée 6 et une section surchauffeur 8 où la vapeur produite subit une première surchauffe. La circulation de l'eau est assure par une pompe 9 qui reprend le condensat à la sortie de la turbine 3. Parallèlement un compresseur 10 assure la circulation du réfrigérant entre le générateur de vapeur et le réacteur nucléaire 1. En fait on distingue dans le réacteur 1 deux zones différentes, qui se différencient l'une de l'autre par la température de fonctionnement, et le réfrigérant passe seulement dans la première zone fonctionnant à plus basse température et reliée en circuit ferme avec le générateur de vapeur. La première zone est ici une zone annulaire 11, autour d'une zone centrale 12. La zone centrale 12 constitue la seconde zone, fonctionnant à une température plus élevée. Elle est refroidie par circulation de la vapeur d'eau produite à la sortie du générateur de vapeur, sur le circuit de fluide vaporisable, cette vapeur subissant ainsi une surchauffe complémentaire avant d'alimenter la turbine 3. A titre d'exemple la première surchauffe de la vapeur, dans la section surchauffeur du générateur de vapeur, est effectuée jusqu'à une température de 4200C par échange avec du gaz carbonique porté de 2200C à 4800C dans le réacteur, et la surchauffe complémentaire porte la température de la vapeur de 4200C à 5500C. La combinaison des deux modes de refroidissement du réacteur, respectivement par du gaz carbonique et par de la vapeur d'eau légère, permet de produire de ia vapeur d'eau surchauffée à haute température directement dans le réacteur. Elle permet cependant d'éviter, non seulement les inconvénients que pourrait présenter l'emploi de vapeur d'eau lourde, mais en outre, les problèmes d'absorption neutronique et d'instabilité que causerait un refroidissement par eau légère liquide. Parallèlement on améliore l'économie du procédé en équipant les canaux du réacteur lui-meme de manière différente suivant la zone à laquelle ils appartiennent. Ainsi, la majorité des canaux, ceux de la zone annulaire 11, qui fonctionnent à une température relativement basse (4800C pour la température de sortie du réfrigérant), sont chargés au moyen d'éléments combustibles le meilleur marché possible, par exemple à base d'uranium naturel métallique gainé de magnésium. Au contraire, dans la zone centrale 12, où les matériaux doivent résister à une température plus élevée (5500C pour la température de sortie de la vapeur d'eau), on doit utiliser des éléments plus coûteux, soit par exemple des combustibles céramiques d'oxyde d'uranium enrichi, gainés d'acier inoxydable. Par ailleurs, on a placé la zone à plus haute température au centre du réacteur nucléaire, c'est-à-dire dans une région où l'on admet généralement un flux neutronique supérieur au flux moyen, ce qui permet de diminuer le nombre deys canaux à combustible coûteux. Naturellement l'invention n'est nullement limitée par les conditions particulières indiquées à propos de cet exemple. REVENDICATIONS 10) Procédé pour la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur nucléaire, notamment dans un réacteur du type modéré à l'eau lourde, procédé comportant la circulation d'un réfrigérant tel que le gaz carbonique entre une première zone du réacteur où il absorbe la chaleur produite et un ensemble générateur de vapeur où il assure le réchauffage, la vaporisation et la surchauffe d'un fluide vaporisable, caractérisé en ce qu'il comprend une surchauffe complémentaire de la vapeur produite par ledit ensemble générateur de vapeur, dans une seconde zone du réacteur nucléaire. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide vaporisable est de liteau légère. 30) Installation nucléaire permettant la mise en oeuvre du procédé selon-la revendication 4 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un réacteur nucléaire du type modéré à l'eau lourde, dont le coeur est formé de canaux contenant chacun du combustible nucléaire, un circuit fermé de réfrigérant, de préférence gazeux, entre les canaux d'une première zone du coeur et un générateur de vapeur, et un circuit de fluide vaporisable entre ledit générateur de vapeur, où ledit fluide vaporisable est réchauffé, vaporisé et surchauffé par échange avec ledit réfrigérant, et les canaux d'une seconde zone du réacteur où la vapeur produite subit une surchauffe complémentaire. 40) Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite première zone est une zone annulaire autour de la seconde zone. 50) Installation selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le réacteur est avantageusement conçu pour recevoir des éléments combustibles à base d'uranium naturel, de préférence gainés de magnésium, dans les canaux de la première zone (celle où passe le réfrigérant) et des éléments combustibles cramiques, notamment d'oxyde d'uranium enrichi gainés d'acier inoxydable, dans la seconde zone.