Brevet FR2085380A1 — publié le 19711224

La présente invention concerne la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur nucléaire, et plus particulièrement dans un réacteur du type modéré à l'eau lourde et refroidi par un réfrigérant gazeux, sans toutefois être limitée à 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-ot il assure le réchauffage, la vaporisation et la surchauffe d'un fluide vaporisable, généralement le fluide de travail d'un cycle thermodynamique à turbine à vapeur. Dans la mise en oeuvre de tels procédés, le fait d'obtenir la surchauffe directement par échange 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 5000C 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 coûteux, 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 de répartir le réfrigérant en deux flux distincts dans le réacteur et dans au moins une partie de l'ensemble générateur de vapeur, 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. Le procédé selon l'invention, comportant la circulation d'un réfrigérant entre le réacteur ou 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, se caractérise en ce que le réfrigérant est réparti, au moins pour sa circulation dans le réacteur nucléaire et dans une partie dudit ensemble générateur de vapeur, en deux flux respectivement portés dans le réacteur à deux températures différentes, et en ce que le premier desdits flux, porté à plus basse température, subit ensuite un échange thermique avec ledit fluide à ltétat liquide pour en assurer la vaporisation, tandis que le second desdits flux, porté à plus haute température, subit ensuite un échange thermique avec ledit fluide vaporisé pour assurer sa surchauffe. De préférence les deux flux sont mélangés pour assurer le réchauffage du fluide à l'état liquide. Dans la mise en oeuvre de ce procédé il est avantageux d'utiliser un réacteur dont le coeur est constitué d canaux de combustible répartis en plusieurs zones coaxiales: une première zone, de préférence centrale, constituée par des canaux dans lesquels passe le second flux réfrigérant, pour être porté à ladite plus haute température, et qui contiennent par exemple du combustible céramique enrichi en matière fissile avec des gaines de grande résistance en température, et une seconde zone, de préférence annulaire autour de la précédente, constituée de canaux où circule le premier flux réfrigérant pour être porté à ladite plus basse température et qui contiennent par exemple un combustible à base d'uranium naturel métallique, gainé de magnésium. I1 peut également être prévu une troisième zone, en périphérie, constituée comme la seconde zone, mais refroidie par le second flux de réfrigérant avant son passage dans la première zone. On décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, en faisant référence aux figures 1 et 2 jointes: - la figure 1 illustre schématiquement le circuit des fluides dans le procédé selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme de l'évolution des températures dans le générateur de vapeur. 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 refrigérant 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 1, 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 réchauffee 6 et une section surchauffeur 8 où la vapeur produite est surchauffée avant d'alimenter la turbine 3. La circulation de l'eau -est assurée 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. A l'entrée du reacteur, le réfrigérant est réparti en deux flux qui circulent dans des zones différentes du reacteur. Dans le cas particulier décrit, les canaux du réacteur sont en fait répartis en-trois zones différentes, qui se distinguent les unes des autres par la température de fonctionnement: une première zone centrale 12, une seconde annulaire 13 et une zone périphérique 14. Les deux flux de réfrigérant sont portés à des températures différentes dans le réacteur. Le premier flux refroidit les canaux de la zone annulaire 13. Ainsi porté à une plus basse température (par exemple de 4400C), il est ensuite envoyé directement dans la section vaporiseur 6 du générateur de vapeur, pour assurer la vaporisation de l'eau, puis le réchauffage préalable de l'eau dans la section économiseur 4. Le second flux de réfrigérant passe d'abord dans la zone périphérique 14 où il est réchauffé à une température intermédiaire (par exemple de 3500C), puis dans les canaux de la zone centrale 12.Il en sort à une plus haute température (par exemple de 550 CJ et il est alors envoyé dans la section surchauffeur 8 du générateur de vapeur, où il assure seul la surchauffe de la vapeur avant de rejoindre le premier flux de réfrigérant. .La figure 2 montre l'évolution des températures des différents fluides dans les trois sections du générateur de vapeur. Les températures y sont portées en ordonnes et la longueur parcourue en abscisses. Elle fait egalement apparaître, comme d'ailleurs la figure 1, que dans le cas particulier décrit, les deux flux de réfrigérant se rejoignent en un point intermédiaire de la section vaporiseur, là où le premier flux présente le même niveau thermique que le second flux à la sortie de la section surchauffeur. La séparation des taches des deux flux de réfrigérant permet, dans le cadre de la production directe de vapeur surchauffée, d'améliorer 1 t economie du procédé en équipant les canaux du réacteur lui-même de manière différente suivant la zone à laquelle ils appartiennent. Ainsi, la majorité des canaux, ceux de la zone annulaire 13 et de la zone périphérique 14, qui fonctionnent à une température relativement basse (respectivement 4300C et 3500C pour la température de sortie du réfrigérant), sont chargés au moyen d'éléments combustibles le meilleur marché possible, par exemple à base d t uranium naturel métallique gaine de magnésium. Au contraire, dans la zone centrale 12, où les matériaux doivent résister à une température plus élevée (S500C pour la température de sortie du réfrigérant), 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, recevant le flux réfrigérant de surchauffe, au centre du réacteur nucléaire, c'est-à-dire dans une région où l'on admet généralement un flux neutronique supérieur au flux moyen. A titre d'exemple la répartition est la suivante: - le réchauffage et la vaporisation de l'eau utilisent 77% de la puissance du réacteur nucléaire, fournis à partir d'éléments combustibles en uranium métallique dans les zones 13 et 14, - la surchauffe utilise le restant de la puissance, soit 23%, fournie par les éléments céramiques de la zone centrale qui représentent seulement 15% des canaux du réacteur. Naturellement l'invention n'est nullement limitée par les conditions particulières indiques à propos de cet exemple. REVENDICATIONS 10) Procédé pour la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur nucléaire, comportant la circulation d'un réfri- gérant 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 à turbine à vapeur, caractérisé en ce que le réfrigérant est reparti, au moins pour sa circulation dans le réacteur nucléaire et dans une partie dudit ensemble générateur de vapeur, en deux flux respectivement portés dans le réacteur à deux températures différentes, et en ce que le premier desdits flux, porté à plus basse température, subit ensuite un échange thermique avec ledit fluide à l'état liquide pour en assurer la vaporisation, tandis que le second desdits flux, porté à plus haute température, subit ensuite un échange thermique avec le dit fluide vaporisé pour assurer sa surchauffe. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux flux sont mélangés pour assurer le réchauffage du fluide de travail à l'état liquide. 30) Application du procédé selon la revendication 1 ou 2 à la valorisation de la chaleur produite dans un réacteur du type modéré à l'eau lourde et refroidi par un réfrigérant gazeux. 40) Installation de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comportant 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 lesdits canaux et un générateur de vapeur, caractérisée en ce que le réacteur comporte au moins une première zone, de préférence centrale, contenant du combustible céramique avec des gaines de grande résistance en température, et une seconde zone, de préférence annulaire autour de la précédente, contenant du combustible à base d'uranium naturel métallique, et en ce que lendit circuit de réfrigérant relie d'une part la sortie des canaux de ladite première zone à une section surchauffeur du générateur de vapeur, et d'autre part, la sortie des canaux de ladite seconde zone directement à une section de vaporisation dudit générateur. 50) Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le réacteur comporte une troisième zone, de préférence périphérique, constituée de canaux semblables à ceux de la seconde zone, reliés en série à ceux de la première zone par le circuit de réfrigérant.