Brevet FR2090129A1 — publié le 19720114

La présente invention est relative au traitement du matériau neutrophage dispersé de manière homogène dans les réacteurs nucléaires, et concerne plus particulièrement un procédé pour maintenir un inventaire de la solution d'acide torique concentrée et de la solution d'acide borique diluée pour un réacteur nu-5 cléaire. Une demande de brevet en France n° 71/00.937 du 13 Janvier 1971, décrit un système de traitement de bore qui est considéré comme représentant le dernier état de la technique. Ce système utilise une combinaison de lits échangeurs d'ions employés les uns après les autres et un appareil de récupêra-10 tion d'acide borique par évaporation pour traiter le fluide de refroidissement d'un réacteur nucléaire et pour régler la concentration de bore au niveau requis pour une opération déterminée. Comme décrit dans ce brevet, les lits échangeurs d'ions sont prévus pour suivre les variations de la charge, et l'appareil de récupération est prévu pour des modifications importantes de la concentrati-15 on de bore. De la description de cette invention, on pouvait croire que les lits échangeurs d'ions de quelque volume pratique qu'ils soient, ne pouvaient manier des changements importants dans la concentration de bore. Cependant, un système de récupération d'acide borique par évaporation, nécessite de nombreux systèmes supplémentaires pour traiter les gaz qui sont dé-20 gagés du fluide de réfrigération pendant le chauffage. De plus, une certaine fraction de ces gaz qui contiennent des produits de fission est, dans certains cas, dégagée dans l'ambiance. Par conséquent, le but principal de la présente invention est de réaliser un système échangeur d'ions capable de traiter tous les changements requis de 25 la concentration de bore. En vue de ce but, la présente invention consiste en un procédé pour maintenir un inventaire à la fois d'une solution concentrée d'iane matière neutrophage et d'une solution diluée de cette même matière, caractérisé en ce qu'on fait passer, à basse température, la solution concentrée d'un premier réservoir 30 à un deuxième réservoir, à travers, au choix, un premier ou un deuxième échangeur d'ions ayant une faible contenance en bore, par quoi la solution concentrée se dilue, la solution diluée étant transportée à haute température, du deuxième réservoir vers le premier réservoir, à travers, au choix, respectivement le deuxième ou le premier échangeur d'ions ayant une forte contenance en 35 bore, par quoi le bore emmagasiné dans l'échangeur d'ions intéressé en est enlevé et transporté par la solution dans le dit premier réservoir. Le processus ci-dessus est répété aussi souvent que nécessaire pour atteindre la concentration désirée de la solution de bore dans le réservoir d'emmagasinage à forte concentration et la dilution désirée dans le réservoir d'emmaga-UO sinage à faible concentration. Cela est possible parce que les conditions de 71 17909 2 2090129 courant chaud et de courant froid sont essentiellement constantes, et ce qui se passe dans chaque échangeur d'ions dépend principalement de la quantité de bore qui y est emmagasinée et de la quantité de bore qui se trouve en circulation. Par conséquent, le premier cycle peut être considéré comme un réglage des ni-5 veaux d'emmagasinage pour obtenir des concentrations avantageuses pour un maximum d'efficacité au deuxième cycle. De plus, chaque répétition du processus procure des niveaux de concentration plus élevés dans le réservoir d'emmagasinage à haute concentration et des niveaux plus bas dans le.réservoir d'emmagasinage à faible concentration. 10 L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va sui vre et aux dessins annexés. Sur ces dessins: - La figure 1 est un schéma illustrant le processus suivant l'invention. - La figure 2 représente un graphique de la teneur en P.P.M. de bore dans le 15 réfrigérant en fonction du bore emmagasiné dans un échangeur d'ions. - La figure 3 est un graphique représentant la variation de 1'emmagasinage du bore dans un échangeur d'ions en fonction du temps, et - La figure h est un graphique représentant la variation de la perte de bore dans un échangeur d'ions en fonction du temps. 20 La figure 1 représente une disposition générale d'un système de traitement du bore suivant la présente invention comprenant un réacteur nucléaire 10 ayant plusieurs boucles fermées de refroidissement primaires associées entr'elles, dont une seule est figurée au dessin. Chacune des boucles comporte un générateur de vapeur 12, une pompe 1U de refroidissement du circuit primaire et une con-25 duite de refroidissement en circuit fermé 16. Des conduites 18 et 20 sont raccordées à la branche froide de la conduite en circuit fermé 16 entre la pompe 11* du circuit de refroidissement primaire et le réacteur 10. Le fluide amené de la conduite en circuit fermé 16 est dirigé vers un réservoir à forte concentration 22. 30 Le fluide se trouvant dans le réservoir 22 à forte concentration est en voyé de façon continue ou semi-continue à travers un système d'échange d'ions vers un réservoir 2h à faible concentration et ramené à nouveau tandis que les concentrations dans les réservoirs 22 et 2k sont réglées au niveau le plus avantageux. Le fluide peut alors être renvoyé soit du réservoir à haute concentra-35 tion (ou plus particulièrement d'un réservoir d'acide borique 26 utilisé pour donner une capacité d'emmagasinage accru au système), soit du réservoir à faible concentration 2.h, à travers une conduite 20 dans la boucle 16 en circuit fermé primaire. Le système échangeur d'ions comporte essentiellement un appareil de pré-^0 chauffage 30, un appareil de prérefroidissement 32, un premier jeu d'échangeurs 71. 17909 3 2090129 d'ions 3^, un deuxième jeu d'échangeurs d'ions 36, un appareil de chauffage 38 et un refroidisseur HO. Le sens du courant à travers ce système est modifié sui vant une séquence de temps prédéterminée pour fournir à la fois une solution d' acide fortement concentrée dans le réservoir 22 et une solution d'acide borique 5 très diluée dans le réservoir 2k. Avant de décrire les conditions d'écoulement du fluide utilisées pour obte nir ce résultat, il est d'abord nécessaire de noter certaines caractéristiques des échangeurs d'ions 3^ et 36. En se référant à la figure 2, on peut voir qu' il y a plus d'ions de bore emmagasinés dans un échangeur d'ions parcouru par un 10 fluide froid que dans un échangeur parcouru par un fluide chaud. On peut également déduire de l'étude du graphique représentant la teneur en P.P.M. de bore dans le réfrigérant en fonction du bore emmagasiné dans 1'échangeur d'ions, qu' un emmagasinage plus important est obtenu aux teneurs les plus élevées qu'aux teneurs les plus basses et vice versa. Par conséquent, plus la concentration en 15 bore est élevée dans le courant de fluide entrant dans l1échangeur d'ions plus il y aura de bore extrait et emmagasiné dans le lit d'ions. La figure 3 montre qu'un échangeur emmagasine, pendant une période de temps donnée, une quantité à peu près constante de bore retiré du fluide qui le traverse et qu'ensuite, du fait qu'il se sature, la concentration en bore du fluide augmente d'une fa-20 çon marquante. La figure U indique que la quantité de bore retirée d'un lit d' échangeur d'ions ayant un débit chaud, augmente très rapidement et baisse ensuite rapidement lorsque la quantité de bore se trouvant dans le lit s'épuise. A partir des graphiques représentés aux figures 3 et U, on peut calculer, de façon connue, la séquence de temps pour le processus à deux cycles de variation 25 de la concentration de bore dans le réservoir d'emmagasinage à haute concentration et dans le réservoir d'emmagasinage à faible concentration. Comme indiqué précédemment, le processus suivant la présente invention, se déroule suivant deux cycles, le courant venant de chaque réservoir d'emmagasina ge étant dirigé vers l'un ou l'autre des échangeurs d'ions 3^+ et 36. Cette 30 fonction est obtenue par l'utilisation de deux jeux de valves commandées à distance. Le premier jeu comporte les valves k2, UU, k6 et U8 et le second jeu comporte les valves 50, 52, 5^ et 56. Pendant le premier cycle, les valves k2, k6, 50 et ^k sont ouvertes et les valves U8, 52 et 56 sont fermées. De ce fait, le liquide se déplace du réservoir à concentration élevée 22 via une pompe 60 35 à travers un appareil de prérefroidissement 32, à travers l'appareil de refroidissement 40, maintenu à basse température par un évaporateur 62 en passant par la valve 50 vers les lits échangeurs d'ions 3^ qui enlèvent le bore du liquide et ensuite, en passant par la valve k6 et la tuyauterie de l'appareil de prérefroidissement 32, vers le réservoir d'emmagasinage à basse concentration. Simul 1+0 tanément, le liquide venant du réservoir 2k est envoyé via une pompe 62 vers un 71 17909 11 2090129 préchauffeur 30, un appareil de chauffage 38, et par une valve 5^, vers les lits échangeurs d'ions 36 qui ajoutent du bore au liquide qui les traverse et ensuite, par l'intermédiaire de la valve k2 et de la tuyauterie du préchauffeur 30, vers le réservoir d'emmagasinage 22 à haute concentration. 5 En supposant qu'à la fin de ce cycle du processus à deux cycles, les con centrations de bore dans les lits échangeurs drions -3^ et 36 soient approximativement égales et qu'au début de ce même cycle, les concentrations dans les réservoirs 22 et 2h étaient égales, il est clair que la concentration dans le réservoir à forte concentration 26 a augmenté puisque le bore a été entraîné 10 hors des lits échangeurs 36. De plus, vu que le bore contenu dans le courant de liquide venant du réservoir 22 a été emmagasiné dans les lits échangeurs d'ions 36, la concentration dans le réservoir 21* a baissé. Après qu'une quantité prédéterminée de fluide a été transférée d'un des réservoirs 22 ou 2k a l'autre, cette quantité pouvant être réglée en agissant sur 15 le débit de fluide traversant les lits échangeurs d'ions 3^ et 36 de manière que le temps écoulé au point 70 du graphique de la figure 3 et au point 72 de la figure 1+ soient sensiblement égaux, le sens d'écoulement est renversé; Pour ce faire, les valves k2, k6, 50 et 5k sont fermées et les valves UU, U8, 52 et 56 sont ouvertes. Par conséquent, le courant de fluide venant du réservoir 22 20 est prérefroidi dans l'appareil 32 puis refroidi complètement dans l'appareil 1+0 comme décrit précédemment, mais est envoyé dans le lit échangeur d'ions 36 avant de s'écouler dans le réservoir 2k. D'une manière similaire, le courant de fluide venant du réservoir 2k est à nouveau préchauffé par l'appareil 30, chauffé à une température plus élevée dans l'appareil 38, mais est dirigé vers le 25 lit échangeur d'ions 3*t avant de s'écouler dans le réservoir 22. Le résultat de ce cycle se traduit également par line augmentation de la concentration de bore dans le réservoir 22 et une diminution de la concentration de bore dans le réservoir 2k. Ce résultat est obtenu parce que du bore supplémentaire était emmagasiné dans les lits échangeurs d'ions 36 avant que le courant de fluide ne 30 soit dirigé vers le réservoir 2k, les lits échangeurs d'ions 36 ayant été rincés pendant le premier cycle de ce programme de manière à augmenter leur capacité d'emmagasinage. De même, la concentration dans le réservoir 22 augmente de façon marquante vu que les lits échangeurs d'ions 3*+ avaient été débarrassés en grande partie du bore qui y avait été emmagasiné pendant le premier cycle du 35 programme. Les opérations du second' cycle sont réalisées de la même manière que pour le premier cycle et les valves sont ramenées dans leur position de départ. . Il est évident qu'en prévoyant deux jeux de lits échangeurs d'ions 3^ et 36 et en dirigeant le fluide refroidi du réservoir 22 dans un sens et dans 1' 1|0 autre entre les deux lits échangeurs d'ions 3*+ et 36, et en dirigeant le fluide cr-sv 71 17909 5 2090129 chauffé du réservoir 2k dans un sens et dans l'autre entre les deux lits échangeurs d'ions 3^ et 36, que chaque cycle de chaque programme du processus en deux cycles détermine une augmentation de la concentration dans le réservoir 22 et une diminution de la concentration dans le réservoir 2k. Ce processus peut se 5 poursuivre jusqu'à ce que la concentration dans le réservoir 2k soit égale à zéro. ^ Comme indiqué précédemment, le réservoir 22 est périodiquement transvasé par l'intermédiaire d'une valve 7^ dans un réservoir à acide borique 26 de manière à apporter au système, une certaine souplesse dans l'emmagasinage. En cours 10 de fonctionnement du réacteur, et plus particulièrement lors de la modification de sa concentration de bore, les valves 76 et J8 peuvent être utilisées pour injecter alternativement dans le réacteur nucléaire par la conduite 18, de l'acide borique à haute concentration, ou de l'acide borique à faible concentration par l'intermédiaire de la valve 78 et de la conduite 20. Il faut également no-15 ter que les deux conduites sont associées dans 1'échangeur de chaleur 80 qui conserve toute l'énergie du système. De nombreuses modifications peuvent être apportées au processus décrit sans sortir du cadre de l'invention. Le réacteur 10 lui-même, peut être utilisé périodiquement comme réservoir à haute concentration et périodiquement comme 20 réservoir à faible concentration, suivant les nécessités imposées par les conditions de fonctionnement. Ainsi, lorsque les conditions de fonctionnement imposent une concentration de bore de plus en plus élevée dans le réacteur 10, celui-ci peut, par exemple, être utilisé comme réservoir à haute concentration. Ce système ne nécessiterait alors qu'un seul réservoir d'emmagasinage qui servi-25 rait de réservoir à haute concentration lorsque le réacteur fonctionnerait dans un mode nécessitant moins de bore, et de réservoir d'emmagasinage à faible concentration lorsque le réacteur nécessiterait plus de bore. Le circuit du courant de fluide serait le même que celui décrit précédemment et comporterait des conduites et des valves supplémentaires pour permettre l'inversion des fonctions 30 (emmagasinage à haute concentration et emmagasinage à basse concentration) entre le réacteur 10 et le réservoir d'emmagasinage unique. Le processus pourrait également être appliqué en ne prévoyant qu'un seul lit ou un jeu unique de lits échangeurs d'ions. Le courant de fluide alternerait continuellement son écoulement entre: le réservoir d'emmagasinage à haute 35 concentration, l'appareil de chauffage, le lit échangeur d'ions et le réservoir à faible concentration et l'appareil de refroidissement, le lit échangeur d'ions et le réservoir à forte concentration. Ce processus opérerait toujours avec chaque cycle d'enlèvement et d'emmagasinage de bore de manière que le cycle suivant soit plus efficace qu'il le serait autrement. U0 De plus, une combinaison de la modification ci-dessus peut être utilisée quand le but est de mettre, l'invention en application avec-un-minimum d'équipements . COPY 71 17909 6 2090129 REVEUDICATIOHS. 1. Procède pour maintenir un inventaire à la fois d'une solution concentrée d'une matière neutrophage et d'une solution diluée de cette même matière, caractérisé en ce qu'on fait passer, à basse température, la solution concentrée d' 5 un premier réservoir à un deuxième réservoir, à travers, au choix, un premier ou un deuxième échangeur d'ions ayant une faible contenance en bore, par quoi la solution concentrée se dilue, la solution diluée étant transportée à haute température, du deuxième réservoir vers le premier réservoir, à travers, au choix, respectivement le deuxième ou le premier échangeur d'ions ayant une forte 10 contenance en borej par quoi le bore emmagasiné dans l'échangeur d'ions intéressé en est enlevé et transporté par la solution dans le dit premier réservoir. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'écoulement de la solution à partir du dit premier réservoir vers le dit second réservoir, et à partir du dit second réservoir vers le dit premier réservoir est répété pério-15 diquement. 3- Appareillage pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, cet appareillage comportant un réservoir d'emmagasinage de solution concentrée et un réservoir d'emmagasinage de solution diluée ainsi qu'au moins un premier et un second lit échangeur d'ions dont la température détermi-20 ne leur capacité d'emmagasinage, caractérisé en ce que les dits réservoirs sont raccordés aux dits lits échangeurs d'ions par des conduites pourvues de valves permettant l'écoulement d'une solution chaude venant du réservoir d'emmagasinage à faible concentration à travers le dit premier ou le dit second lit échangeur d'ions et l'écoulement d'une solution froide venant du réservoir d'emmaga-25 sinage à forte concentration à travers le second ou le premier échangeur d'ions, respectivement, vers le réservoir d'emmagasinage à solution diluée. h. Appareillage suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'un des dits réservoirs est la cuve du réacteur. 5. Appareillage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les dits ré-30 servoirs sont respectivement un réservoir d'emmagasinage d'acide borique à haute concentration et un réservoir d'emmagasinage d'acide borique à basse concentration, la conduite allant du réservoir d'emmagasinage à forte concentration vers les lits échangeurs d'ions comportant un moyen de refroidissement et la conduite allant du réservoir d'emmagasinage à faible concentration vers les lits 35 échangeurs d'ions comportant un moyen de chauffage. 6. Appareillage suivant la revendication 5j caractérisé en ce qu'une partie du dit moyen de refroidissement est un échangeur de chaleur disposé dans la conduite allant des dits échangeurs d'ions vers le réservoir d'emmagasinage à haute concentration et qu'une autre partie du dit moyen de chauffage est un hO échangeur de chaleur disposé dans la conduite allant des lits échangeurs d'ions 71 17909 7 2090129 vers le réservoir d'emmagasinage à faible concentration. T. Appareillage suivant l'une des revendications 5 °u 6, caractérisé en ce que des conduites relient les deux réservoirs d'emmagasinage à la dite cuve de réacteur ainsi que les valves disposées sur ces dites conduites, grâce à quoi, le fluide peut être transvasé dans l'un des réservoirs d'emmagasinage et remplacé par le fluide venant de l'un ou l'autre réservoir.