Brevet FR2061662A1 — publié le 19710625

la présente invention concerne un:procédé pour la mise en place et l'enlèvement des blocs modérateurs et des éléments combustibles, qui constituent le coeur d'un réacteur nucléaire à haute température refroidi par gaz, les blocs 5 modérateurs comportant des canaux pour le passage des gaz de refroidissement, qui reçoivent les éléments combustibles, et les éléments combustibles devant être remplacés à dss intervalles de temps plus courts que les blocs modérateurs j ainsi qu'un réacteur nucléaire pois? la siisa on oeunrro de ee procédé* 10 Ob ooauaît Sss réacteurs aaeléaires dans lesquels les éléments combustibles sont introduits en suspension, c'est-à-dire par le haut. Avec l'établissement naturel de la circulation du gaz de refroidissement, la zone la plus chaude s'étéblit à la partie supérieure du coeur du réacteur. Il est 15 donc nécessaire d'introduire les éléments combustibles directement dans une zone où. régnent des températures atteignant jusqu'à 800°C. Il résulte de ce fait des difficultés, relatives à la réalisation de l'étanchéité du coeur et au refroidissement de la machine de chargement, ainsi que de l'enrobage en béton. 20 en est réduit ainsi, avec l'introduction des éléments com bustibles par le haut, à effectuer le remplacement après réduction de la température et de la pression du gaz. Ceci est ea contradiction, cependant, avec le principe qui consiste à maintenir la puissance du réacteur à un niveau constant, afin d'ob-25 tenir un fonctionnement du réacteur dans de bonnes conditions économiques. Afin de résoudre ce problème, on a entrepris le développement de réacteurs avec, pour le coeur, une structure telle, qu'elle s'oppose à l'établissement physique naturel de la 30 circulation du gaz, la circulation du gaz étant organisée de telle manière que la zone des gaz chauds s'établit à la partie inférieure du réacteur. Ceci ne fournit cependant pas une solution techniquement satisfaisante, car l'aménagement des dispositifs supportant le coeur dans la zone des gaz chauds constitue 35 un problème difficile à résoudre. Pour les réacteurs avec l'alimentation en suspension, le principal inconvénient réside cependant dans le risque de rupture des éléments à combustible. Des fragments cassés peuvent alors tomber dans les canaux de circulation des 40 gaz, et il est ensuite difficile de les en retirer. Ceci n'est en 2 2061662 70 32717 général possible qu2 après mise à l'arrêt complète du réacteur. Or-, il est clair que' toute mise à l'arrêt du réacteur est préjudiciable à son exploitation économique et à son rendement. Pour éviter cet inconvénient, il est néces-5 saire d'incorporer des pièces de renforcement dans les éléments combustibles (par exemple en acier), ces pièces garantissant la solidité de l'élément combustible. Tout corps étranger présent dans le coeus perturbe» cependant j, 1s flux neatronique naturel des matières fissiles, ce gui pressât© également des ineoavé-10* talents du point de vue du ïeademeat du réacteur» Pour les petits réacteurs, et pour les réacteurs travaillant à basse température,dans lesquels la température maximale atteint par exemple 4-00®C, on a essayé, expérimentalement d1 introduire les éléments combustibles par le bas. On 15 avait prévu pour cela un petit nombre de tubes verticaux pour le chargement et le déchargement du coeur. Il fallait ainsi alimenter en éléments combustibles plusieurs canaux de circulation du gaz de refroidissement, à travers chaque tube de chargement» Pour limiter la hauteur de construction du coeur du ré-20 acteur à une valeur usuelle, on introduisait les éléments combustibles en fractions détachées et, avec ce mode d'alimentation 11 était nécessaire de prévoir une possibilité de modifier l'orientation ds 1®appareil de chargement. Tout spécialiste déduira facilement» de l'exposé qui précède, que les moyens techniques 25 nécessaires pour cela sont considérables, et on a considéré de ce fait que l'alimentation du coeur du réacteur par la partie inférieure n'était pas une solution satisfaisante. L'objet de la présente invention consiste à développer un procédé pour le remplacement rapide, économique et 30 facile du combustible et du modérateur, dans les réacteurs à un seul ou à plusieurse^ecoâ^Sstibles, tout en évitant les inconvénients précités, en supprimant la nécessité d'arrêter le réacteur ou de réduire la puissance qu'il fournit, pour procéder au remplacement des éléments combustibles» 35 la solution du problème suivant l'invention, est obtenue en ce que les blocs modérateurs et/ou les barres de contrôle sont introduits par uri côté du coeur, tandis que les-éléments combustibles sont Introduits par le côté opposé. Une extension de la solution suivant l'inven 40 tion est caractérisée en ce que le remplacement des blocs 3 2061662 70 32717 modérateurs s'effectue de préférence avec une pression de gaz de refroidissement inférieure à la pression nominale , et avec une température de gaz de refroidissement basse, le coeur du réacteur n'étant pas chargé et en ce que les éléments combustibles 5 peuvent être mis en place et enlevés de préférence alors que le réacteur travaille à la puissance nominale, ou tout au moins avec la pression et la température nominales du gaz de refroidissement. _ Un réacteur à haute température selon la 10 présente invention est caractérisé en ce que les éléments combustibles peuvent être extraits et introduits à travers des tubes verticaux, aménagés à raison de un tube par canal de circulation du gaz de refroidissement, à l'aide d'une machine de chargement disposée dans un espace situé en dessous du coeur protégé par 15 l'écran, ces tubes pouvant être obturés d'une manière assurant l'étanchéité au gaz et arrêtant le rayonnement, et traversant le fond du réacteur, réalisé de manière à former un écran de protection biologique ; et en ce que les blocs modérateurs présentant descanaux de refroidissement par gaz peuvent être in-20 troduits dans le coeur du réàcteur, ou en être retirés par le haut, de la manière connue en soi, à l'aide de dispositifs convenables, à travers au moins un tube vertical, obturable d'une manière étanche au gaz et au rayonnement, et passant à travers le couvercle supérieur, aménagé de manière à constituer un écran 25 de protection biologique. Un réacteur à haute température, présentant une structure selon la présente invention avec des éléments combustibles ayant des durées de combustion différentes est constitué de telle manière que les éléments combustibles, dont la 30 durée de combustion est la plus longue peuvent être introduits dans le coeur, ou extraits de celui-ci, à partir du haut, et que les éléments à combustible dont la durée de combustion est la plus courte peuvent être introduits dans le noyau, et extraits de celui-ci, par en dessous. 35 On expliquera l'invention, à titre d'exem ple, à l'aide d'un dessin qui montre la structure schématique d'un réacteur à haute température refroidi par gaz et dont le coeur est constitué de matière combustible, de matière fertile, et de graphite modérateur. 70 32717 4 2061662 Le réacteur se compose d'une enceinte de pression 1, réalisée en bétog précontraint. L'enceinte de pression 1 est garnie d'une doublure 2, en acier, qui sert de couche étanche et assure l'isolation thermique.Le fond 3 et le couver-5 cle 4 de l'enceinte de pression 1» réalisés en "béton, assurent d'une part la protection biologique et servent en même temps de support pour les tubes verticaux 5 et 17« Les tubes verticaux 5 traversent le fond 3 de l'enceinte de pression, et sont munis de dispositifs de fer-10 meture, non représentés sur le dessin, étanches au rayonnement, au gaz sous pression et à la température. On introduit les éléments combustibles 6 à travers les tubes verticaux 5, ceci à l'aide de la machine de chargement 7 qui se trouve en dessous du coeur du réacteur 11, 15 dans l'espace 9. Avec une telle disposition, il est possible d'introduire facilement les éléments combustibles 6 dans les canaux de refroidissement 8 se trouvant dans le coeur 11. . Le coeur 11 est constitué de blocs modérateurs 19 et des évidements sont prévus dans ces blocs, de manière à 20 former, après assemblage des blocs, les canaux de circulation 8 pour le gaz de refroidissement, dans lesquels on introduit les éléments comfeïistibles 6„ Les éléments combustibles qui, comme on le sait, ont une durée de combustion relativement courte, et doi-25 vent par conséquent être remplacés en cours de fonctionnement, sont réalisés en plusieurs parties 6a» Les éléments combustibles 6 sont introduits dans les canaux de circulation des gaz de refroidissement tout assemblés, tels qu'ils se trouvent déjà dans la machine de chargement. 30 Dans la partie extérieure du réservoir de pression 1, on a prévu les échangeurs de chaleur 12 avec les tubulures d'arrivée et de départ 13, 14 et 15 ; on a disposé, en outre, juste en dessous, les ventilateurs 16 qui règlent la circulation du gaz. Ces ventilateurs et échangeurs de chaleur 35 sont répartis à une certaine distance autour du coeur. Au-dessus du coeur, est disposé le couvercle 4 de l'enceinte de pression, ce couvercle est également traversé par des tubes verticauxv17, équipés de dispositifs de fermeture étanches au rayonnement, au gaz sous pression et à la 40 température du gaz. 70 32717 ' 20"662 On a cependant adopté ici un système différent, car les parties à remplacer ont une durée de vie sensiblement plus longue. Les tubes verticaux 17 ne sont pas affectés individuellement, chacun à un canal de refroidissement 5 par les gaz, on a prévu ici la possibilité de retirer du coeur 11, à travers un même tube vertical, plusieurs colonnes de blocs modérateurs renfermant les canaux de circulation du gaz de refroidissement» Dans l'exemple représenté, les blocs modé-10 rateurs 19 sont réalisés de manière à pouvoir recevoir, de la manière déjà connue, la matière fertile. On devrait donc parler en fait dé blocs modérateurs avec la matière fertile incluse. Il est cependant possible, aussi, d'introduire la matière fertile dans les blocs modérateurs sous forme de tiges 15 ou sous une autre forme. Les tubes verticaux 17 sont obturés avec des bouchons en béton 18, dans lesquels on a prévu un canal 22. Les barres de contrôle 21 sont introduites par ce canal, et pénètrent ainsi jusqu'à l'intérieur du coeur 11, où. elles vien-20 nent se loger dans d'autres canaux, qui n'ont pas été représentés, et qui sont aménagés à l'intérieur des éléments combustibles 6. La machine de chargement 20 est utilisée pour enlever le bouchon 18, après quoi on retire les blocs mo-25 dérateurs 19 un par un, pour les déposer et les entreposer, selon la procédure habituelle, dans une cuve de décontamination. Comme, avec la circulation naturelle du gaz de refroidissement, il se forme en dessous du coeur 11 du réacteur une chambre de gaz froid 10, quand on extrait ou que 30 l'on introduit dans le coeur 11 un élément combustible 6 à l'aide de la machine de chargement 7, il s'établit un gradient naturél de température et, par suite aussi, une circulation naturelle du gaz de refroidissement, qui empêche un échauffement excessif du fond en béton 3« Il est clair, dans ces conditions 35 qu'avec la forme de réalisàtion d'un réacteur tel que représentée, les problèmes de refroidissement et d'étanchéité sont plus faciles à résoudre.. L'un de ces avantages repose sur le fait que le remplacement des éléments combustibles peut s'effectuer en 40 utilisant la pesanteur, aucune liaison de renforcement n'étant 70 32717 6 2061662 nécessaire à l'intérieur de ces éléments, car les pièces constitutives 6a des éléments combustibles reposent les unes sur les autres de par leur propre poids. Il faut encore ajouter que des fragments de ces éléments combustibles se détachent 5 éventuellement dans les canaux de circulation du gaz de refroidissement 8, tombent toujours vers le "bas, et qu'il est par conséquent facile de les enlever lors du remplacement des éléments combustibles0 Même -lorsque de tels fragments se coincent, leur enlèvement peut être réalisé d'une manière très 10 simple, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des outillages compliqués. La structure du réacteur selon la présente invention est utilisable aussi pour les réacteurs à haute température dits hétérogènes. La différence réside seulement 15 dans le fait que l'on n'introduit pas de matière fertile dans les blocs modérateurs. D'une part, dans les réacteurs hétérogènes, les blocs modérateurs n'ont besoin d'entretien ou de remplacement qu'au bout de vingt 'ans environ, alors que d'un autre 20 côté, dans l'exemple représenté d'un régcteur à plusieurs combustibles, la durée d'utilisation indiquée pour les blocs modérateurs 19 contenant de la matière fertile est de 6 à 8 ans, après quoi il faut procéder au remplacement des blocs modérateurs. Pour cela, on déleste complètement le coeur des réac-25 teurs ainsi construits selon la présente invention, ou bien on réduit la puissance fournie, à un point tel que le remplacement peut s'effectuer dans des conditions de sécurité convenables à l'aide de, la machine 20 disposée au-dessus du coeur. ivec une alimentation fractionnée d'un ré-30 acteur à haute température selon la présente invention, les aires de travail nécessaires pour l'exploitation, au-dessus et en dessous du coeur du réacteur, peuvent être mieux utilisées» Cet avantage est utilisé, d'une part, pour la disposition des tubes verticaux à la partie supérieure, et, d'autre part, ce 35 fractionnement donne au technicien la possibilité de dimen-sionner les dispositifs de manoeuvre des barres de contrôle d'une manière plus simple et dans des conditions plus favorables du point de vue de là fiabilité. Du point de vue économique, malgré., la 40 construction plus élaborée quant au génie civil, la structure 70 32717 7 2061662 fractionnée de l'alimentation du réacteur nucléaire procure les avantages décisifs exposés ci-dessus, comparativement à la solution utilisée jusqu'à ce jour, la dépense supplémentaire correspondant à l'augmentation des dimensions du bâtiment du réacteur, est largement compensée, et au delà, par la possibilité d'une exploitation ininterrompue avec la charge, grâce à quoi, pour des périodes d'utilisation du réacteur de longue durée, dans le domaine optimal de fonctionnement, on arrivera à une consommation spécifique de combustible, rapportée à l'unité d'énergie, inférieure à celle qui est habituellement atteinte jusqu'à présent, et on réduira à un minimum les périodes d'immobilisation qui sont très onéreuses» 70 32717 8 2061662 REVENDICATIONS 1. Procédé poux la mise en place et l'extraction des "blocs modérateurs et des éléments combustibles, qui constituent le coeur d'un réacteur nucléaire à haute température à 5 refroidissement par gaz» dans lequel les blocs modérateurs présentent des canaux de circulation des gaz oèi viennent se loger les éléments combustibles et dans lequel le remplacement des éléments doit s'effectuer avec des intervalles de temps plus courts pour les éléments combustibles que pour les blocs modé-10 rateursp caractérisé en ce que les blocs modérateurs (19) étt/ou les barres de réglage (21) sont introduits dans le coeur (11) par un côté tandis que les éléments combustibles (6,6a) sont introduits par le côté opposée 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en 15 ce qu'on remplace les blocs modérateurs (19) de préférence sous une pression de gaz inférieure à la'pression nominale et avec une température réduite du gaz de refroidissement, et après délestage du coeur du réacteur ? et en ce que les éléments à combustible (6,6a) peuvent être mis an place et démontés de préfé-2o rence avec le réacteur travaillant à la puissance nominale, ou tout au moins avec la pression et la température nominales du gaz de refroidissement® 3. Réacteur nucléaire à haute température, pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2, ca- 25 raetérisé en ce que les éléments combustibles (6,6a) peuvent être mis en place et enlevés à l'aide d'une machine de chargement (7) , disposée dans un espace (9) en dessous du coeur (11) protégé par un écran, à travers des tubes verticaux (5), correspondant chacun à un canal de circulation (8) du gaz de re-3.0 froidissement, munis d'un dispositif de fermeture étanche au gaz et au rayonnement, traversant un fond (3) réalisé de manière à constituer un écran de protection biologique ; et en ce que les blocs modérateurs (19), dans lesquels sont aménagés les canaux (8) pour le gaz de refroidissement, peuvent être mis 35 en place ou enlevés selon une méthode connue en soi, par la partie supérieure du coeur (11), à l'aide de dispositifs (20), à travers au moins un tube vertical (17) pourvu d'un système de fermeture étanche au gaz evt au rayonnement, qui traverse un couvercle (4-) réalisé de manière à constituer un écran de pro-40 tection biologique. 70 32717 9 2061662 4° Réacteur à haute température selon la revendication 3, avec des éléments combustibles présentant des durées de combustion différentes, caractérisé en ce que les éléments combustibles dont la durée de combustion est la plus lingue peu-5 vent être mis en place et enlevés du coeur par le haut, tandis que les éléments combustibles dont la durée de combustion est la plus courte (6) sont mis en place ou retirés du coeur (11) par le bas. 5. Réacteur à haute température selon la reven-10 dication 4 caractérisé par la matière combustible de longue durée de combustion incorporée dans les blocs modérateurs (19) qui peut être mise en place et enlevée selon des méthodes connues en soi, par la partie supérieure du coeur (11), ensemble avec les blocs modérateurs (19).