Brevet FR2059660A1 — publié le 19710604

La présente invention concerne "un procédé pour le chauffage de corps sphériques ou de corps analogues, appelés ci-après " billes ", qui servent d'agent d'apport de chaleur pour des processus chimiques endothermiques industriels, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé„ Les corps solides, notamment; sous forme de boules ou de Mlles, peuvent être utilisés comme agent d'apport de chaleur pour de nombreux processus chimiques puisqu'ils restent chimiquement neutres si la matière qui les compose est choisie correctement en fonction du processus en question, ou puisqu'ils peuvent en même temps avoir un effet catalytique, et parce qu'ils peuvent généralement être séparés facilement, par voie mécanique, de la matière traitée par le processus,, En outre, la température maximale est obtenue dans la chambre même où se déroule le processus, appelée ci-après " chambre de réaction " et non pas dans les parois de cette chambre, comme cela est le cas pour un chauffage indirect au moyen de fluides porteurs de chaleur sous forme de liquides ou de gaz. Jusqu'à présent, on n'a pas encore envisagé l'utilisation de réacteurs nucléaires pour le chauffage direct de billes comme agent d'apport de chaleur dans des processus chimiques, malgré la tendance actuelle vers la construction et l'utilisation de réacteurs universels. Cela provient probablement du fait que deux réfrigérants différents doivent traverser le réacteur utilisé à une telle fin, puisque les billes'lentes ne permettent pas la dissipation de la totalité de la chaleur du réacteur. Il serait alors très difficile de régler la répartition de la chaleur sur les deux réfrigérants en cas de variations de la charge. L'invention évite ces inconvénients du fait qu'une partie de la chaleur du réacteur est directement rendue utile pour des processus chimiques» Selon une caractéristique essentielle, les billes ou les corps analogues sont en une substance ayant un bon effet de modération bu de réflexion des neutrons, et ces billes sont passées avant qu'elles ne-pénètrent dans la chambre de réaction, à travers une zone du coeur d'un réacteur nucléaire qui est séparée thermiquement de la zone de fission refroidie produisant la chaleur. OOPY 70 30612 2 2059660 Conformément à l'invention, le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé au moyen du coeur d'un réacteur nucléaire comportant une zone de fission refroidie produisant la chaleur et au moins un élément modérateur isolé thermiquement par rapport à cette zone de fission, se caractérise par le fait 5 que l'élément modérateur comporte au moins un conduit parallèle à l'axe qui est rempli de billes en matière modératrice, que des dispositifs de dosage et une chambre de réaction sont prévus à la sortie du conduit, la chaleur des billes assurant le déroulement d'un processus chimique endothermique utile dans 10 cette chambre et, enfin, par le fait que le dispositif comporte un transporteur de billes qui ramène les billes sortant de la chambre de réaction jusqu'à l'entrée du conduit„ Les billes sont de préférence en BeO, en graphite ou en carbures de métaux. Elles sont recouvertes de couches anti-corrosives ou agissant comme 15 un catalyseur, suivant les conditions de mise en oeuvre du processus chimique utile. Dans certains cas, il peut également être avantageux d'empkyer des billes dont une partie déterminée est en une matière catalytique, et dont une autre partie reste chimiquement neutre » 20 Selon une caractéristique particulièrement avantageuse du dispositif selon l'invention, les billes sont pourvues d'une faible quantité de matières fissiles ou fertiles, ce qui, d'une part, augmente le rendement thermique et, d'autre part, diminue la perturbation du flux du réacteur par rapport à l'utilisation 25 de billes en matière modératrice pure. Le procédé selon l'invention utilise donc l'énergie qui est produite dans le modérateur d'un réacteur de puissance par les neutrons provenant de la zone de fission. L'expérience a démontré que cette énergie représente environ 10 % de la totalité 30 de la puissance thermique du réacteur, La chaleur de fission engendrée dans la zone de fission est donc dissipée à. l'aide d'un réfrigérant (par exemple, en vue de la production de vapeur ou d'électricité), tandis que les billes sont guidées à travers des conduits isolés appropriés, dans lesquels elles s'échauffent 35 essentiellement en raison de la radiation neutronique, et non pas par transfert thermique. De cette particularité résulte un autre avantage du procédé suivant l'invention : la température 70 30612 3 2059660 des billes ne dépend pas de la température des parois du conduit., et pas davantage de la température de la zone de fission, mais seulement du spectre énergétique du coeur du réacteur. Si la matière et la vitesse sont choisies convenablement, la tempéra-5 ture maximale des billes peut même être portée à une valeur notablement supérieure à la température maximale admissible à la surface des éléments combustibles. Le procédé selon l'invention se caractérise donc par la nature particulière du chauffage des porteurs de cfealeur qui permet une grande souplesse 10 d'exploitation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, ainsi que de la figure unique du dessin annexé, représentant une coupe 15 schématique du coeur d'un réacteur selon l'invention. De nombreuses parties classiques du réacteur, ne présentant pas de rapports directs avec l'objet de l'invention, tels que le circuit de refroidissement, les barres de réglage et l'écran biologique, sont seulement indiquées schématiquement ou 20 ne sont pas représentées du tout, afin de simplifier le dessin. Pour la même raison, la chambre de réaction est seulement indiquée schématiquement, car l'invention peut être appliquée à nombreux processus chimiques industriels, A titre d'exemple on peut citer le craquage thermique d'hydrocarbures en éthylène et acétylène. 25 Un coeur 1 d'un réacteur, par exemple du type hétérogène, comportant des barres de combustible, des canaux de refroidissement et des barres de réglage (non représentés) est entouré par une enveloppe de réflexion 2» S'il s'agit d'un réacteur thermique dans lequel la réaction en chaîne est maintenue au moyen de 30 neutrons thermiques, le coeur est traversé par de nombreux éléments modérateurs disposés parallèlement aux barres de combustible et habituellement séparés thermiquement de ces dernières par une disposition appropriée des canaux de refroidissement ainsi que par des isolants. Le coeur du réacteur selon l'invention 35 comporte des éléments modérateurs qui ne sont pas solides, mais qui se composent d'un grand nombre de billes qui traversent lentement le réacteur dans des conduits 3 prévus à eet effet» Ces conduits ont une forme tubulaire dans le coeur du réacteur, et 70 30612 4 2059660 ils peuvent se rétrécir à la façon du col d'une bouteille dans la zone marginale du coeur, afin que leur encombrement à cet endroit soit moindre„ Le diamètre intérieur du conduit dans le coeur du réacteur est un multiple du diamètre des billes. Le conduit 3 traverse par conséquent l'ensemble du coeur, 5 parallèlement à l'axe 5 du réacteur. Il est entouré par un isolant thermique 4 aux endroits où cela est nécessaire et notamment dans le coeur. lie canal traverse le réflecteur 2 en haut et en bas. Les billes 6 traversent le conduit 3 de haut en bas sous l'effet de leur poids et dans la mesure où cette descente est 10 rendue possible par un doseur 8 qui est monté sous l'écran 7 du réacteur. Ce doseur sert en même temps de collecteur pour plusieurs conduits identiques au conduit 3 et de distributeur pour la répartition des billes sur plusieurs tubes de chargement 9 qui amènent les billes soit jusqu'à plusieurs points d'alimenta-15 tion d'une chambre de réaction unique 10, soit à des points d'alimentation de plusieurs chambres de réaction. La chambre de réaction est un récipient en forme d'entonnoir dont la plus grande partie est remplie de billes provenant du conduit 3, et qui présente un tube de déchargement 11 en bas. Les matières de 20 départ, constituant les composants de réaction du processus chimique utile, sont introduites dans la charge de billes à travers des fentes d'admission de gaz 12 prévues à la partie inférieure de la chambre, et le produit final est aspiré hors de la chambre de réaction à travers une tubulure 13 à la partie supérieure. 25 Les composants de réaction gazeux ou liquides, dont la densité est notablement inférieure à celle des billes, se séparent de façon simple de ces dernières en raison leurs mouvements opposés à l'intérieur de la chambre de réaction et parce que le fond de cette chambre est réalisé sous la forme d'un tamis qui 30 est traversé par les composants, mais qui retient les billes. La séparation entre les gaz du processus chimique et le gaz réfrigérant du réacteur est déjà assuré par le fait que le gaz réfrigérant (entrant dans la cuve 16 du réacteur par la tubulure 14 et quittant cette cuve par la tubulure 15) ne pénètre pas du 35 tout à l'intérieur du conduit 3 contenant le modérateur. Ce n'est qu'en cas de perturbation, c'est-à-dire en cas de cessation du transport des billes dans le doseur 8 qu'il y a lieu 70 30612 s 2059660 d'assurer un refroidissement suffisant des billes contenues dans le conduit 3» Ce refroidissement peut être obtenu, par exemple, par l'introduction d'une partie du courant de réfrigérant dans le conduit 3, au-dessus du doseur 8, ainsi que par l'ouverture de fentes d'échappement correspondantes à l'endroit 5 où le conduit quitte la partie supérieure du coeur du réacteur» Même dans ce cas, les composants de réaction ne se mélangent cependant pas avec le réfrigérant puisque, dans la plupart des cas, le doseur est de toute façon protégé contre un passage de gaz en raison même de sa construction» 10 Les billes quittant la chambre de réaction pénètrent à travers le tube de déchargement 11 dans un transporteur 17 qui fait monter les billes mécaniquement ou pneumatiquement, de sorte qu'elles parviennent dans un distributeur 18 monté au-dessus du réacteur» Ce distributeur assure la répartition des 15 billes sur les différents conduits, dont l'un seulement est représenté à la figure unique du dessin» Le domaine des réacteurs dont la zone active est formée par des boules a fait connaître des appareils ayant fait leurs preuves et pouvant servir d'exemples pour la construction du 20 doseur 8,du distributeur 18, ainsi que pour l'élimination de billes cassées du circuit, bien que l'intensité de la radiation soit notablement plus faible dans le cas présent, de sorte que les dispositifs peuvent être plus simples que les appareils connus » 25 Bien que l'invention décrite concerne un réacteur thermique elle est également applicable à des réacteurs dans lesquels la réaction en chaîne est maintenue au moyen de neutrons rapides» Les billes sont dans ce cas transportées à travers une zone marginale annulaire du coeur du réacteur, appelée habituellement 30 " zone de réflexion " » Toutefois, p isque les effets physiques neutroniques et les matières dans la zone du modérateur classique dans la partie intérieure de la zone de réflexion sont les mêmes, l'invention peut également être appliquée avec succès aux réacteurs ne comportant pas de modérateur ou aux réacteurs dans les-35 quels les conduits dans la zone de fission ne sont pas souhaitables pour une raison quelconque» Il importe seulement que le conduit soit exposé convenablement à la radiation neutronique du coeur» 70 30612 6 2059660 Dans les réacteurs rapides il est possible d'envisager l'utilisation de matières telles que le nickel dont les effets modérateurs sont moins importants, à la place des matières ayant un effet modérateur prononcé. Comme déjà mentionné au cours de la description, il est 5 possible de prévoir un circuit de chauffage des billes qui est commun à plusieurs chambres de réaction, la répartition des billes sur ces dernières étant commandée par le doseur 8, en fonction des particularités du processus en question. Il est également possible de faire passer les billes successivement à travers 10 plusieurs chambres de réaction, suivant les températures désirées dans chacune d'elles. Il peut notamment être avantageux de faire passer les billes sortant de la chambre de réaction proprement dite à travers une chambre supplémentaire dans laquelle les composants de réaction sont préchauffés. 15 Enfin, il est à souligner que le dispositif de chauffage des billes suivant l'invention n'influe pratiquement pas sur l'exploitation proprement dite et sur la construction du réacteur de puissance. Aucun élément de construction nécessitant un entretien n'est situé dans la zone du coeur du réacteur; le 20 volume occupé par le dispositif suivant l'invention au-dessus et au-dessous du coeur est faible, de sorte qu'il reste suffisamment de place pour les mécanismes d'entraînement des barres de réglage et, éventuellement, pour les séparateurs d'eau. Le dispositif selon l'invention ne pose pas non plus de problème 25 quant à la sécurité du réacteur car l'accident le plus grave - en rapport avec l'objet de l'invention - que l'on puisse s'imaginer est le vidage du conduit 3, et un tel accident provoque la diminution et non pas l'augmentation de la réactivité du coeur du réacteur en raison de la suppression.de l'effet 30 modérateur du conduit. 70 30612 7 2059660 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le chauffage de corps sphériques ou de corps analogues, appelés ci-après " billes devant servir d'agent d'apport de chaleur pour des processus chimiques endo-thermiques, caractérisé en ce que les billes sont eh une subs- 5 tance ayant un bon pouvoir de modération ou de réflexion des neutrons, et en ce que ces billes sont passées à travers une zone du coeur d'un réacteur nucléaire qui est séparée thermi-quement de la zone de fission refroidie produisant la chaleur, avant de pénétrer dans la chanlbre de réaction. 10 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 au moyen du coeur d'un réacteur nucléaire comportant une zonô de fission refroidie productrice de chaleur et au moins un élément modérateur séparé thermique- 15 ment de cette zone de fission, caractérisé en ce que l'élément modérateur comporte au moins un conduit parallèle à l'axe qui est rempli de billes ou de eorps analogues en matière modératrice, en ce que des dispositifs de dosage et une chambre de réaction sont prévus à la sortie du conduit, la chaleur emmaga- 20 sinée dans la bille permettant le déroulement d'un processus chimique endothermique utile dans cette chambre, et en ce que le dispositif comporte un transporteur de billes qui ramène les billes sortant de la chambre de réaction jusqu'à l'entrée du conduit. 25 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les billes sont en oxyde de béryllium, en graphite ou carbures de métaux. 30 4 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les billes sont en nickel. 5 - Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les billes sont recouvertes de couches de protec 35 tion anti-corrosives. 70 30612 8 2059660 6 - Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les billes sont totalement ou partiellement recouvertes d'une matière catalytique. 5 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 2 à 6, caractérisé en ce que la matière dont sont composées les billes est mélangée préalablement avec des matières cataly-tiques. 10 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendica tions 2 à 7î caractérisé en ce que les billes contiennent de faibles quantités de matières fissiles ou fertiles.