Brevet FR2063043A1 — publié le 19710702

La présente invention se rapporte à un réacteur surrégénérateur rapide refroidi de préférence par métal liquide et muni, en sa zone fissile, d'éléments de combustible ouverts latéralement. Du point de vue purement extérieur, les réacteurs surrégénérateurs diffèrent des réacteurs nucléaires normaux par leur structure en au moins deux zones fondamentalement distinctes par leur fonction. La zone du coeur, équipée d'éléments de combustible, est le siège d'une réaction en chaîne, déclenchée et accompagnée du dégagement de fortes quantités de chaleur, pour la fission 0 d'atomes U 235 ou d'atomes de plutonium. La zone de matière fertile, ou enveloppe régénératrice, placée à l'extérieur de la première se présente avec une structure analogue mais renferme dans ses éléments, de régénération, une matière fertile constituée par exemple par de l'uranium 238 au lieu d'un combustible nucléaire. 5 Les atomes U 238 se transforment en atomes de plutonium, et par conséquent en matière fissile, par capture de neutrons en provenance du coeur proprement dit du réacteur. La chaleur produite dans cette zone est relativement faible par rapport à celle de la zone du combustible nucléaire, et la différence est encore plus 3 forte si l'on considère le dégagement de chaleur par élément de volume. On utilise normalement pour le refroidissement des deux zones le même réfrigérant, c'est-à-dire de la vapeur, un gaz ou ' de préférence des métaux liquides tels que sodium, potassium, etc. 5 Le rendement de la transformation en énergie électrique de la chaleur obtenue dépendant très fortement de la température finale du réfrigérant, il faut recourir à des mesures telles que la température de sortie de celui-ci soit identique en tous points de la section du réacteur surrégénérateur. On a déjà proposé d'en-0 tourer à cet effet les divers éléments de combustible et de matière fertile d'une enveloppe métallique en sorte que le volume intérieur de l'ensemble du réacteur soit formé par un grand nombre de canaux subdivisant l'écoulement du réfrigérant. Il est en même temps possible d'agencer, comme l'indique le brevet allemand 5 P 17 64 235.2, notamment d'après sa figure 2, la zone du coeur du réacteur surrégénérateur? dans laquelle se trouvent par conséquent les éléments de combustible, d'une manière propre non seulement à abaisser le coefficient dit de Yoid, mais aussi à rendre le dégagement de chaleur uniforme dans tous les éléments de combus-0 tible. Une telle uniformité n'est cependant pas acquise dans "G 34925 2 2063043 l'enveloppe régénératrice, car la puissance fournie par les divers éléments fertiles n'est également plus constante dans le temps s elle s'accroît au contraire proportionnellement à la teneur en plutonium au fur et à mesure de leur-activité» Il faut donc étrangler tout 5 d'abord le débit de réfrigérant à travers cette zone afin que la température de sortie y soit quasiment la même que dans la zone du coeur. Les organes d'étranglement nécessaires doivent en outre être réglables de l'extérieur afin de tenir compte de la variation de la puissance produite avec la teneur croissante en plutonium. 10 Un autre moyen consiste à ménager dans la zone de matière fertile divers secteurs à débit de réfrigérant différent et à changer constamment de place à l'intérieur de ces secteurs les éléments de matière fissile en fonction de leur teneur en plutonium. Une telle structure des zones de combustible et de ma-15 tière fertile a l'inconvénient de provoquer une forte différence de pression entre le volume intérieur des éléments correspondants et la fente qui les sépare» Les fentes intermédiaires entre les éléments de combustible n'étant le siège d'à peu près aucun écoulement p leur bases entre les enveloppes ou boîtes desdits éléments, 20 est soumise à la pression de sortie du réfrigérant. Cette différence de pression, par exemple de l'ordre de 4 atmosphères, s'exerce donc sur lesdites enveloppes ou boîtes des éléments de combustible, auxquelles il faut par conséquent donner une épaisseur de paroi, appropriée, afin de leur éviter des déformations et 25 cintrages mécaniques. Cet emploi supplémentaire de matériau de structure est. non seulement coûteux, mais aussi préjudiciable au taux de régénération de l'ensemble du réacteur, et l'on ne peut pas non plus se prononcer encore sur les caractéristiques mécaniques à longue échéance de ces boîtes soi^s la densité élevée 30 du flux neutronique. Il est à remarquer aussi qu'en plus de leur sollicitation par la pression, les boîtes subissent, par suite du caractère décroissant en direction radiale de l'intensité d'irradiation par les neutrons rapides et en raison de l'effet de gonflement qui en 35 résulte pour les matériaux de structure, un fort cintrage pouvant atteindre plusieurs centimètres. Il est impossible de s'opposer mécaniquement, par exemple au moyen d'éléments de serrage, à de tels cintrages. On s'est en conséquence demandé s'il ne serait pas 40 possible de construire, comme dans les réacteurs à eau légère, 70 34925 3 2063043 les éléments de combustible sans enveloppe extérieure, c'est-à-dire sous forme d'éléments dits ouverts. Mais il a fallu abandonner ce projet, car un tel mode de construction aurait des inconvénients trop graves pour le rendement, aucune action ne pouvant plus être 5 exercée sur l'écoulement du réfrigérant. L'invention a en conséquence pour objet un réacteur sur régénérateur rapide d'aine structure telle que l'on puisse y utiliser des éléments de combustible et de matière fertile ouverts latéralement tout en s'assurant une température de sortie uniforme du réfrigérant sur toute la section 10 dudit réacteur. Ce réacteur surrégénérateur rapide est caractérisé par le fait que les éléments des zones de matière fissile et de matière fertile, disposées concentriquement sans paroi de sépara» tion, sont réalisés en construction ouverte latéralement, le réfrigérant aborde toute la section du réacteur sous une même pression 15 et une uniformisation de l'écart d'échauffement est assurée par des organes de guidage d'écoulement disposés horizontalement les uns au-dessus des autres à l'intérieur de la zone régénératrice radiale, ces organes étant alternativement reliés élastiquement, en barrages contre l'écoulement, à tme paroi extérieure cylindrique de délimi-20 tation, agencée par exemple en écran thermique, ou séparés de ladite paroi par une fente annulaire « Lesdits organes de guidage prolongent l'écoulement du réfrigérant à travers l'enveloppe régénératrice, et augmentent la résistance à l'écoulement, au point de donner dans cette zone, avec des débits considérablement diminués, les mêmes 25 températures de sortie que dans la zone du combustible. La solution est donc obtenue par un écoulement transversal imposé dans les zones régénératrices. Une solution apparemment plus simple encore consisterait à introduire une paroi de séparation entre la zone du coeur et 1 'enveloppe jnagâiératrice, mais, par suite de sa sollicitation par 30 les rayons et de la dégradation résultante de ses caractéristiques de résistance mécanique, il faudrait changer une telle paroi à peu près tous les trois ans, ce qui présenterait des difficultés considérables étant donné l'importance de son diamètre. Une autre solution apparemment simple serait d'augmenter la résistance à l®écou-= 35 lement à l'intérieur de l'enveloppe régénératrice par réduction de l'intervalle entre les divers barreaux, mais elle est techniquement irréalisable, car, au point où il faudrait réduire ces intervalles, des dépôts inévitables sous une aussi faible vitesse d'écoulement viendraient obstruer l'élément., 40 Le principe de l'invention sera mieux compris à l'aide BAD ORIGINAL 7C 34925 4 2063043 du dessin schématique annexé, sur lequels la figure 1 représente la structure la plus générale d'un réacteur surrégénérateur rapide; la figure 2 représente une variante d'un tel réacteur 5 surrégénérateur dans laquelle la structure de la zone de combustible assure un dégagement de chaleur identique dans tous les éléments correspondants; les figures 3 et 4 représentent l'agencement selon l'invention des zones régénératrices de réacteurs surrégénérateurs 10 à structure extérieure respectivement conforme aux figures 1 et 2. Sur la figure 1, relative à la structure la plus générale, la référence 1 désigne la zone du coeur proprement dite, dans laquelle a lieu la réaction en chaîne. L'enveloppe régénératrice radiale et les zones régénératrices axiales placées au«=dessus et 15 au-dessous du coeur 1 portent respectivement les références 2 et 21„ L'écran thermique 3 se trouve à l'extérieur de ces parties, dans la cuve 4 du réacteur. L'écoulement du réfrigérant s'effectue suivant les flèches» Les zones régénératrices axiales 21 s'obtiennent en chargeant de matière fertile les éléments de combusti— 20 ble de la zone 1 à leurs extrémités supérieure et inférieure. Contrairement à la zone radiale d'enveloppe régénératrice, elles ne nécessitent donc pas d'éléments spéciaux,, La figure 2 représente, comme déjà mentionné, la structure d'une zone de combustible dans tous les éléments de laquelle 25 il se produit un même dégagement de chaleur en sorte qu'elle ne nécessite pas d'organes d'étranglement particuliers pour uniformiser la température de sortie du réfrigérant» Les figures 3 et 4 représentent l'agencement conforme à l'invention du réacteur surrégénérateur en ses zones régénératrices» A l'intérieur de 30 1'écran thermique 3, on a indiqué schématiquement la structure- du coeur dudit réacteur surrégénérateur et, par des bandes verticales, la disposition des éléments de combustible» On a conservé les références 1 pour la zone desdits éléments et 21 pour les zones de matière fertile placées au-dessus et au-dessous. La zone de matière 35 fertile 2, ou enveloppe régénératrice,, formée comme précédemment a'éléments allongés 10 de telle matière, est disposée radialement/ par rapport à ces premières zones 1 et 21» Ladite enveloppe régénératrice 2 comporte des organes de guidage 10 qui imposent à l'écoulement 5 le parcours représenté» Dans la disposition confor— 40 me à la partie de gauche de la figure 3, il n'est prévu qu'un seul 70 34925 5 2063043 organe de guidage de ce genres il oblige l'écoulement intérieur de l'enveloppe régénératrice à dévier radialement vers la zone de combustible 1. Il faut aussi insister particulièrement sur le fait que le courant du réfrigérant peut pénétrer dans cette zone 5 d'enveloppe régénératrice non seulement par en dessous;, mais aussi latéralement à partir de l'espace intermédiaire entre l'écran ther-mique '3 et ladite enveloppe. On peut voir dans la disposition différente correspondant à la partie de droite de la figure 3 plusieurs organes 10 de guidage d'écoulement de ce genre. Un de ces organes sur deux est relié de manière étanche à l'écran thermique 3P ou assemblé à celui—cis en barrage contre l'écoulement, par des nervures élastiques 7 solidaires dudit écran 3» Il en résulte, comme représenté, un parcours d'écoulement qui va et vient en méandres 15 dans l'enveloppe régénératrice et comporte par conséquent une résistance à l'écoulement beaucoup plus forte que dans l'exemple correspondant à la partie de gauche. On voit également que cet écoulement en méandres du réfrigérant dans l'enveloppe régénératrice influe aussi sur 11 écoulement à l'intérieur du coeur 20 combustible 1 en sorte qu'il s'y produit un meilleur brassage des divers filets de réfrigérant dans les intervalles des barreaux de combustible et que l'on évite ainsi le risque de ce que l'on appelle des veines froides. Les lignes en trait mixte 10 représentent les courbes d'égale pression, d'après lesquelles il n'existe 25 quasiment plus de différences de pression à la base des divers éléments de matière fertile. Les organes de guidage d'écoulement 6 peuvent être constitués par des surfaces de séparation par exemple planes dans lesquelles sont posés les éléments de matière fertile. Ces sur-30 faces peuvent être maintenues par des éléments de structure montés à divers postes de tels éléments. Pour le cas, vraisemblablement le plus fréquent, d'éléments de matière fertile traversant tout le coeur du réacteur, il est avantageux de construire les entretoises, de toute façon nécessaires dans de tels éléments? en sorte qu®il 35 ne puisse plus se produire d'écoulement relativement important en direction axiale de ces derniers; on les constitue en ce cas par des plaques perforées dans les trous desquelles sont disposés par exemple trois bossages destinés à saisir et guider les barreaux traversants de matière fertile. Les fentes étroites qui en 40 résultent sont nécessaires pour assurer une évacuation suffisante 70 34925 6 2063043 de la chaleur de ces parties de barreaux de combustible ou de matière fertile. Ces entretoises étant toutes dans un même plan, il en résulte de même une ou plusieurs surfaces de guidage d'écoule» ment. Les entretoises d'éléments de matière fertile,voisins s'ap-5 puient en même temps élastiquement les unes contre les autres, si bien qu'il ne peut pas se former entre elles d'écoulement notable de réfrigérant et qu'elles ne mettent néanmoins pas obstacle au changement éventuellement nécessaire d'éléments. Le dispositif selon la figure 4 correspond, dans sa 10 structure extérieure, non plus à celui de la figure 1 comme le dispositif selon la figure 3, mais à celui de la figure 2, en étant équipé par conséquent d'un coeur 1 à gradins. Sur la partie de gauche, on a représenté, dans la fente séparant les surfaces de guidage d'écoulement intermédiaires de l'écran thermique 3, un or=-15 gane de tourbillonnement 8 assurant un brassage supplémentaire des divers filets d'écoulement indiqué par tin tracé différent. Sur la partie de droite, on a porté en outre, de la même manière que sur la figure 3, les lignes d'écoulement 5 et les courbes d'égale pression 10. Les caractéristiques du noyau à gradins relatives à 20 la production de puissance dans les divers éléments de combustible peuvent aussi se combiner avec la réaction de l'écoulement en méandres du réfrigérant dans les zones d'enveloppe régénératrice en sorte que le parcours d'écoulement le plus court se trouve dans la partie centrale de la zone 1 du coeur, effet que l'on peut en-25 core améliorer en raccourcissant les éléments combinés 9 de matière fertile et de combustible du centre0 De cet exposé il ressort non seulement que le parcours d'écoulement à travers les zones d'enveloppe régénératrice 2, est considérablement allongé, mais aussi qu'il résulte du cou™ 30 rant transversal une intégration de l'augmentation de température en fonction de la puissance cédée dans différentes zones d'éléments de combustible, d'où une uniformisation de la température de sortie et une très grande simplification du programme de changement de poste des éléments de l'enveloppe régénératrice. Dans le système 35 actuel, à bottes d'éléments de matière fertile et de combustible, il faut changer plusieurs fois de poste les éléments de matière fertile pendant leur durée d'utilisation totale afin que le réfrigérant y circule toujours à un débit qui corresponde à leur teneur en plutonium. Dans le dispositif selon l'invention, tous les élé-40 ments de matière fertile peuvent au contraire rester à leur poste 70 34925 7 2063043 à la seule condition que les diverses zones présentent un mélange uniforme d'éléments d'âges différents» L'établissement d'une température de sortie uniforme dans toute la section du réacteur est considérablement simplifié 5 par l'effet d'intégration précité, car il suffit d'adapter le débit total a la puissance, à peu près constante à l'état d'équilibre, qui-."1 st produite dans l'envelopp© régénératrice « Le courant radial de l'enveloppe régénératrice offre, on l'a dit, l'avantage de provoquer dans le courant de refroidisse-10 ment de la zone du coeur un fort brassage transversal qui contribue à la suppression des pointes de température» Il en découle cet autre avantage que l'ébullition éventuelle du métal liquide de refroidissement ne risque plus de se propager;, c'est-à-dire que le retard d'ébullition du sodium ne peut plus occasionner d'ébullition 15 brusque à l'intérieur de grandes zones du coeur du réacteur, alors que, dans l'état de la technique,, ce risque était line raison de plus pour conserver les éléments de combustible fermés et par conséquent leurs boftes. Il convient de remarquer aussi que l'afflux transver-20 sal du réfrigérant à partir de la fente extérieure qui sénare l'enveloppe régénératrice et l'écran thermique permet de rendre disponible pour le maintien vers le bas presque toute la section de base des éléments de matière fertils0 Seule s3exerce donc en direction verticale une partie de la force de pression, si bien que, 25 eu égard à la répartition de la pression dans tout le coeur du réacteur surrégénérateurs on peut renoncer le cas échéant à une sécurité contre le flottement» Les organes de guidage d'écoulement 6 prévus par l'invention permettent également de simplifier fortement la structure de l'J ensemble du coeur du réacteurs tous les 30 éléments, c'est-à-dire aussi bien ceux de combustible que ceux de matière fertile, peuvent être réalisés en construction ouverte latéralement» L'utilisation plus réduite de matière d'absorption qui en résulte augmente le taux de régénération» J1 n'est plus besoin d'organes d'étranglement spéciaux nécessairement manoeuvra— 35 bles en service, et la réaction du courant transversal sur la partie centrale du coeur du réacteur évite en outre les dangers dus au retard d'ébullition du sodium» Les formes de réalisation indi=» quées à titre d'exemples pour les organes de guidage d'écoulement, l'une utilisant les entretoises, l'autre des tôles-guides aux em-40 placements de jonction d'éléments de combustible superposés, sont 70 34925 8 2063043 bien entendu remplaçables par d'autres suggérées par le type de construction ét la structure des divers éléments de combustible et de matière fertile» Ces propriétés favorables des organes de guidage d'écoulement ont naturellement toute leur valeur non seu=» 5 lement dans des réacteurs surrégénérateurs rapides refroidis par métal liquide, suivant l'évolution actuellement préférée, mais aussi dans de tels réacteurs refroidis par exemple par vapeur ou gaz pressurisée L'invention n'est de même pas limitée à des réacteurs surrégénérateurs rapides § son principe est applicable 10 à n'importe quel type de réacteur à éléments de combustible ouverts latéralement 70 34925 9 2063043 KEVBHPI CATIONS 1, Réacteur surrégénérateur rapide, refroidi de préférence par métal liquide et muni, en sa zone fissile, d'éléments de combustible ouverts latéralement caractérisé par le fait que > les éléments des zones de matière fissile et de matière fertile, disposées concentriquement l'une à l'autre sans paroi de sépara-» tion, sont réalisés en construction ouverte latéralement, le réfrigérant aborde toute la section du réacteur sous une même pression et une uniformisation de l'écart d'échauffement est assurée -0 par des organes de guidage d'écoulement disposés horizontalement les uns au-dessus des autres à l'intérieur de la zone régénératrice radiale, ces organes étant alternativement reliés élastique-ment, en barrages contre l'écoulement, à une paroi extérieure cylindrique de délimitation, agencée par exemple en écran thermi-L5 que, ou séparés de ladite paroi par une fente annulaire. 2. Réacteur surrégénérateur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les organes de guidage d'écoulement sont disposés à certains intervalles les mettant au niveau des entretoises des éléments de matière fertile ou des extrémités ÎO de ces derniers et lesdites entretoises comblent les espaces intermédiaires entre les barreaux de matière fertile des éléments ou des parties extrêmes des éléments dans une mesure telle que le réfrigérant ne peut s'écouler le long des barreaux que dans une mesure limitée. Î5 3. Réacteur surrégénérateur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les organes de guidage d'écoulement ont la forme de disques annulaires et comportent des joints de dilatation thermique radiaux. 4. Réacteur surrégénérateur selon la revendication 1 JO caractérisé par le fait que des organes de tourbillonnement destinés à créer un écoulement turbulent du réfrigérant sont disposés dans la fente annulaire séparant les organes de guidage d'écoulement et laparoi cylindrique extérieure de délimitation» 5. Réacteur surrégénérateur selon l'une quelconque des J5 revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que les organes de guidage d'écoulement sont maintenus par des structures de fixation disposées en certains postes d'éléments de matière fertile et traversant axialement la zone de matière fertile. 6. Réacteur surrégénérateur selon la revendication 1 1-0 caractérisé par le fait que les organes de guidage d'écoulement /G 34925 10 2063043 sont constitués uniquement par les entretoises des éléments de matière fertile, disposées dans des plans horizontaux. 7» Béacteur surrégénérateur selon la revendication 6 caractérisé par le fait que les entretoises d'éléments de matière fertile voisins s'appuient élastiquement les unes contre les autres de manière étanche»