Brevet FR2076099A1 — publié le 19711015

La présente invention est relative aux systèmes de commande de réacteur nu nucléaire et concerne plus spécialement un système pour faire varier la quantité de bore dans le fluide réfrigérant du réacteur nucléaire. Le système actuellement utilisé pour modifier la concentration d'acide borique dans le fluide de refroidissement du réacteur nucléaire accomplit cette fonction en enlevant une partie du réfrigérant et en remplaçant cette partie par une quantité équivalente d'eau qui a été soit déminéralisée et désaérée, soit préparée à l'avance de manière à présenter une forte concentration d'acide borique. En général, le réfrigérant retiré du système de refroidissement d'une centrale nucléaire est d'abord envoyé vers un évaporateur qui concentre l'acide borique jusqu' une valeur donnée ou jusqu'à un pourcentage en poids de bore donné et emmagasine, d'une part, cette solution d'acide borique concentrée dans un réservoir et, d'autre part, l'eau généralement déminéralisée et désaérée venant de l'évaporateur dans un autre réservoir. Les deux réservoirs peuvent alors être utilisés pour fournir soit de l'eau déminéralisée et désaérée, soit pour mélanger la solution d'acide borique concentrée avec de l'eau de manière à faire varier la concentration en bore de la solution envoyée au réacteur nucléaire. Plus récemment, l'utilisation de lits d~'éehange d'anions contenant des résines à anions basiques qui agissent pour modifier directement la concentration d'acide borique dans le circuit de refroidissement primaire, en fonction de la température du fluide venant en contact avec un tel lit a été envisagée dans ce but. Un tel système est montré et décrit dans la demande US. No. T91 893 intitu lée: "11ethod and means for Reversibly Changing the Boric Acid Concentration in the Coolant of a Nuclear Reactor!' et déposée le 17. 1.1969.Suivant cette invention, l'enrichissement ou l'apnauvrissement de la concentration d'acide borique dans l'eau de refroidissement du circuit primaire est obtenu en faisant passer une partie de cette eau de refroidissement à travers le lit de résine à échange d'anions chargé d'acide borique. La température de l'eau circulant à travers le lit est changée de manière que l'acide borique pénètre dans l'eau de refroidissement à des températures relativement plus élevées et soit extrait de l'eau de refroidissement et emmagasiné dans le lit de résine à des températures relativement moins élevées. Chacun des systèmes ci-dessus présente des avantagez et des inconvénients. Par exemple, le système d'évaporation recyclée est capable de concentrer une grande quantité d'acide borique et de l'emmagasiner. Cependant, s'il doit effectuer cette opération très rapidement, l'évaporateur et l'équipement connexe deviennent excessivement ir.aportants et co^ateux. D'un autre coté, l'échangeur d' ions peut effectuer l'opération entraînant la variation rapide de la quantité d' ions de borate dans le réfrigérant primaire du réacteur; toutefois, la capacité d'emmagasinement des échangeurs d'ions est plutôt limitée à moins que les réservoirs d'échange d'ions soient très grands ou très nombreux et dans ce cas, la quantité de résine utilisée est tellement importante que le coût du système devient prohibitif. De plus, les lits échangeurs d'ions suivant la technique antérieure, ont été envisagés pour utilisation simultanée en étant reliés soit en série, soit en parallèle. Ainsi, tous les échangeurs ions interviennent d'une manière égale dans la modification de la concentration requise totale. Il est actuellement connu que la capacité d'emmagasinement d'un lit dé resine est plus faible pour des concentrations plus faibles d'ions de borate dans le courant d'écoulement qui le traverse. Par conséquent, l'utilisation simultanée de plusieurs échangeurs d'ions nécessite une quantité de résine en excès par rapport à la quantité pouvant etre utilisée lorsque la variation de la capacité d'emmagasinement en fonction de la concentration est prise en considération. Le but principal de la présente invention est d'obtenir un système qui évite ou qui miniminise les inconvénients rencontrés avec les systèmes antérieurs. Par conséquent, la présente invention consiste en un système de commande pour réacteur nucléaire ayant une circulation interne de fluide de refroidissement, caractérisé par au moins un échangeur d'ions couplé avec le dit réacteur en ce qui concerne le courant d'écoulement, le dit échangeur d'ions ayant un lit de résine échangeur d'anions basiques capable d'emmagasiner chimiquement un ma tériau ayant la propriété de capturer des neutrons, le dit échangeur d'ions étant tributaire de la température en ce qui concerne sa capacité d'emmagasinement de matériau de capture de neutrons ayant un couplage de courant d'écoulement avec au moins un échangeur de chaleur pour faire varier la température du réfrigérant venant à ces échangeurs d'ions et au moins un évaporateur relié à l'é- changeur d'ions capable de concentrer une solution riche du dit matériau de capture de neutrons venant de l'échangeur d'ions. L'invention sera mieux comprise en se référant à- la description qui va suivre d'une réalisation préférée montrée à-titre d'exemple aux dessins annexés. Sur ces dessins: - La figure 1 est une représentation schématique du circuit du dit échangeur d'ions et - La figure 2 est une représentation schématique du circuit du système évaporateur à recyclage et de sa relation avec le système d'échange d'ions. Sur la figure 1, un réacteur nucléaire 10 comprend un ou plusieurs circuits de réfrigération en boucle fermée.Un circuit de liaison 18 prélève une quantité prédéterminée de réfrigérant, dans ce cas de l'eau légère, du circuit primaire pour effectuer un contrle chimique par exemple pendant la mise en service de 1' installation, pendant les manoeuvres d'asservissement à la charge, l-ors de l'arret et pendant l'extraction du bore.En résumé, si on désire une dilution du réfrigérant du réacteur de l'eau d'appoint est envoyée dans le réfrigérant en ouvrant une valve 12 pour permettre : l'eau deruneralisée et désaérée d'un réservoir d'eau primaire 14 de pénétrer dans le circuit de réfrigération primai- re du réacteur nucléaire 13. Une quantité donnée de solution concentrée acide Dorique est ajoutée, suivant un lit donné, au svstème de refroidissement au réacteur. 'appareillage montré à la la figure 1 est sensiblement le même que celui décrit en détail dans la demande citée ci-dessus bien nue le mode opératoire ait été changé suivant la présente invention. Lorsque l'on désire une dilution de la concentration d'ions de bore dans 1' eau du réacteur, des valves 12 et tG sont d'abord fermées. Une quantité donnée de réfrigérant s'écoule du réacteur par -wn conduit 18. Cet écoulement peut être considéré comne un écoulement d'adoucissement et passe au travers d'un échangeur de chaleur 20, un déminéraliseur u lit mélangé 22 et, par intermittence, - travers des lits à cations 24 od il est purifié de manière normale.L'eau s'écoule alors par une valve 26 et un échangeur de chaleur modérateur 28 vers un échan- geur de chaleur refroidisseur où l'eau est ramenée, par exemple à une températu- re de 100C. L'eau qui pénètre dans les échangeurs d'ions 32, à cette température peu élevée perd son contenu d'acide borique qui s'accumule sur les dits échan- geurs.Les échangeurs d'ions 32 contiennent une résine sensible à la température, par exemple un polymère divlnyle benzène qui absorbe les ions de borate se trouvant dans le réfrigérant et dont la capacité d'absorption augmente au fur et à mesure que la température de la résine diminue. ;;'eau, dont la concentration d' acide borique est maintenant très faible, quitte les changeurs ions et est renvoyée, en passant par un échangeur de chaleur modérateur 28, vers un reser- voir de commande de volume 34 à partir duquel un système de charge courant renvoie l'eau au réacteur 13. ba commande de ce système est telle qu'un seul échangeur d'ions 32 est utilisé à un moment donné. Au début de la dilution, des valves 36, 3P et 40 sont fermées.La concentration d'acide borique de l'écoulement traversant l'échangeur d'ions 32A, via la valve 3, est lu en permanence sur un appareil de mesure de bore 42 de construction connue. Une augmentation de la concentration de sortie de 1' échangeur d'ions 32A indique que les résines contenues dans ce dernier sont saturées de bere. A ce moment, la valve 35 est fermée et la valve 3b est ouverte ue manière qu'un échangeur échangeur d'ions 321 se substitue à l'échangeur 32A pour assurer la tranche suivante d'emmagasinage de bore. Cette opération peut se répéter jusqu'à ee que tous les échangeurs d'ions 32 soient satures. S'il y a lieu, une valve à clapet 1414 peut étire ferre pour que, de cette façon, tout l'écoulement d'adoucissement passe par la valve 26 et que, de ce fait, le taux maximun de dilution soit atteint. Au début de la vie du noyau, la concentration d'acide borique du réfrigérant primaire doit être élevée.Ainsi, la quantité requise d'eau de dilution pour une modification donnée de la concentration est plus faible au début qu'à la fin de la vie du noyau lorsque la concentration de bore dans le réfrigérant du réacteur est plus faible. C'est pourquoi l'écoulement d'adoucissement maximum pour l'enlèvement du bore ou pour la dilution du réfrigérant n'est requis qu'à l'approche de la fin de vie du noyau. Pour cette raison, la valve à clapet 44 est utilisée pour comnander le débit passant à-travers les échangeurs l'ions 32. Une partie de l'écoulement dtadou- cissement est alors retournée vers le réservoir de commande de volume sans perdre sa teneur en acide borique, ce qui veut dire que le taux de dilution peut être commandé par l'actionnement de la valve à clapet 44. La quantité de résine nécessaire dans les lits d'écnange d'ions 32 dépend de la capacité d'emmagasinage de la résine,du volume du circuit primaire et de la modification requise de la concentration d'eau primaire. Pour des températures de fonctionnement données de la résine et pour un réacteur de puissance donnée, la capacité d'emmagasinage de la résine et le volume de réfrigérant primaire sont des données fixes, la quantité de résine est alors uniquement tributaire de la modification requise de la concentration. Le système décrit dans cette invention est dimensionné de préférence pour emmagasiner une quantité de bore qui correspond à une modification requise de la concentration du réfrigérant primaire dans des buts d'asservissement à la charge.Comme expliqué ci-après, un système évaporateur de recyclage peut etre utilisé quand des modifications plus importantes sont désirées. Quand on désire qu'une plus forte concentration d'acide borique soit ajou- tée au réfrigérant du réacteur, on ferme e n premier laeu les valves 12 et 16. L' écoulement d'adoucissement suit alors le meme chemin que dans le cas d'une dilution expliqué en détail ci-dessus. L'eau qui pénètre dans le système par la valve 26 n'est pas refroidie dans l'échangeur de chaleur 30 mais au contraire ré chauffée dans un échangeur de chaleur réchauffeur 46 jusqu'à une température qui est limitée aux températures maximum admissibles auxquelles la résine peut être utilisée.La température de ltécoulement qui pénètre dans les échangeurs d'ions 32 est commandée par la manoeuvre d'une valve à clapet 48 de telle manière que de l'eau chauffée à environ 1500C puisse passer à travers le cété de ltenveloppe de L'échangeur de chaleur réchauffeur 46 et porter l'effluent à une température de par exemple 75 C. Une commande fonction de la température 50 située en aval des échangeurs de chaleur réchauffeurs 46 commande la valve 148 par étranglement du fluide de réchauffage pour maintenir la température désirée de l'effluent de fluide aux échangeurs d'ions 32.L'eau circulant à travers chaque échangeur d' ions 32 prélève maintenant le bore de la résine. L'extraction de bore continue jusqu'à ce que la résine se trouvant dans les échangeurs 32 atteigne un nouveau point d'équilibre ou il n'y a plus d'extraction de bore. Un appareil de mesure de bore 42 donne une lecture continue de la concentration d'acide borique de 1' écoulement passant par chaque échangeur d'ions 32. Une diminution de la concentration de sortie indique que la résine est vidée et l'écoulement d'adoucissement est alors envoyé séquentiellement à travers le lit de résine suivant 32B, 32C et 32D, etc... L'eau enrichie de bore quittant les échangeurs d'ions 32 est envoyée vers le circuit de réfrigération primaire en passant par un échangeur de chaleur modérateur 28 et le réservoir de commande de volume. Comme indiqué précédemment, une économie importante résulte de la réduction de la quantité d'effluent qui doit être traité à nouveau. Comme expliqué ciavant, l'effluent produit pendant les manoeuvres d'asservissement à la charge peut être fortement réduit par l'utilisation du système échangeur d'ions à résine d'emmagasinage de bore. Une autre source d'effluent nécessitant dans la technique antérieure un retraitement, résultait par exemple d'un enlèvement de bore du système en fonction de la réduction du matériau fissile causée par la consommation du combustible. Suivant la présente invention, pour enlever du bore du système, on ferme une valve 44 et le processus continue d'abord comme décrit pour procéder à la dilution, l'écoulement d'adoucissement est refroidi dans un échangeur de chaleur 30 et le bore est extrait du ait écoulement dans les échangeurs d'ions 32A, 32B, 32C et 32D. Après la saturation successive des lits de résine des échangeurs 32A, 32B, 32C et 32D par le bore, une valve 51 commandant l'entrée de fluide au réservoir de commande de volume 34 est fermée et les valves 12 et 16 sont ouveru tes. Le système fonctionne alors comme décrit ci-dessus pour l'addition de bore sauf que l'effluent est envoyé vers des réservoirs de maintien non représentés à la figure 1 et l'eau est pompée du réservoir d'emmagasinage d'eau primaire 114 dans le circuit de réfrigération primaire.Après épuisement de la résine des échangeurs d'ions 32, les valves 16 et 12 sont à nouveau fermées et la valve 51 est ouverte. Ce processus peut être répété jusqu'à ce que la diminution requise de la concentration d'acide borique dans le réfrigérant primaire soit obtenue. L'effluent qui est envoyé au réservoir de maintien 52 (voir figure 2) entraîne initialement un déplacement de gaz de couverture dans celui-ci. Les réservoirs sont initialement remplis d'azote qui est déplacé pour l'entrée du fluide et pompé par des compresseurs vers des réservoirs de décompression de gaz non représentés. Le fluide se trouvant dans les réservoirs 52 est pompé vers des échangeurs d'ions 54 alimentés par l'évaporateur où l'azote, l'hydrogène et les gaz de fission sont extraits. Le fluide est alors pompé vers un ensemble évaporateur 56 où le processus d'évaporation sépare l'acide borique de l'eau primaire. On se trouve devant un fonctionnement continu qui permet d'obtenir une concentration élevée de la solution d'acide borique.Bien que dans le présent exemple on ne trouve qu'un échangeur 54 et un ensemble évaporateur 56 mis en se- rie, on utilise plus souvent deux échangeurs 54 et deux ensembles 56 travaillant en parallèle. Le produit de distillation venant de l'évaporateur s'écoule continuellement vers les réservoirs 58 où des échantillons sont prélevés et analyses avant que le fluide soit pompé vers le réservoir d'emmagasinage d'eau primaire 14. Le fond de l'évaporateur recueille la solution d'acide borique dont la concentration augmente graduellement pendant le traitement. La charge accumulée est ensuite envoyée vers des réservoirs de maintien de concentré 60 où des é chantillons sont également prélevés pour analyser la concentration d'acide borique. Le fluide est ensuite pompé vers les réservoirs d'acide borique 62.En cas de boration, les écoulements d'acide borique venant des réservoirs 62 et d'eau venant des réservoirs d'emmagasinage d'eau primaire 14 sont envoyés vers un réservoir de mélange 64 où le réfrigérant primaire est mélangé pour obtenir la concentration voulue puis envoyé directement dans le circuit de refroidissement primaire. Il est visible qu'une combinaison d'un système d'échangeur d'ions utilisé pour des manoeuvres d'asservissement à la charge et d'un processus d'évaporation utilisé pour extraire le bore du système permet une réduction sensible de l'encombrement et du prix des systèmes nécessaires pour un système de recyclage chimique du bore. A titre d'exemple chiffré des réductions possibles gracie à ce système, dans les installations de réacteur nucléaire au format actuel, une réduction de charge journalière de 50 % entram e une production d'environ 50 volumes d'effluent par durée de vie du noyau. Un supplément de 10 volumes est produit pendant d'autres opérations, telles que l'arrêt de l'installation, la mise en service ainsi que la compensation pour les effets de réactivité de brûlage du noyau. Dans l'art antérieur, 60 volumes doivent être traités par une série de grands évaporateurs. Comme on peut le voir avec le processus suivant l'invention, un petit évaporateur traite l'entièreté de la réduction de bore pour autant que les fonctions normales d'asservissement à la charge puissent être réalisées par le système échangeur d'ions. On peut également voir qu'un fonctionnement successif des échangeurs d'ions permet une réduction de l'encombrement de ce système et en augmente son efficacité. REVENDICATIONS. 1. Système ae commande pour réacteur nucléaire ayant une circulation interne de fluide de refroidisse:aent, caractérisé en ce Qu'il comprend au moins un echangeur d'ions couplé avec le dit réacteur en ce Qui concerne le courant d'é- eoulement, le dit échangeur d'ions ayant un lit e résine chanrur d'anions basiques, capable d'emmagasinier chimiquement un matériau ayant la propriété de capturer des neutrons, le dit ée.langeur d'ions tant tributaire de la températu- re en ce qui concerne sa capacité d'emmagasinement de matériau de capture de neutrons et ayant un couplage de courant d'écoulement avec au moins un échangeur de chaleur pour faire varier la température du réfrigérant venant à ces échan- geurs d'ions et au moins un évaporateur relié à l'échangeur ions capaole de concentrer une solution riche du dit matériau de capture de neutrons venant de l'échangeur d'ions. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une série de ces dits échangeurs d'ions disposés pour coupler, au point de vue écoulement, sélec- tivement et successivement chacun des échangeurs d'ions au reacteur nucléaire et en ce que des moyens sont prévus pour déterminer la concentration du matériau de capture des neutrons dans l'effluent des dits échangeurs d'ions couplés au point de vue écoulement aux dits échangeurs d'ions. 3. Processus de commande d'un réacteur nucléaire muni d'un système tel que revendiqué à la revendication 1 ou à la revendication 2, dans lequel une quantité prédéterminée de fluide est dérivé du circuit de refroidissement primaire du réacteur nucléaire et est soit chauffé ou refroidi suivant que la quantité de matériau de capture neutronique dispersé d'une manière homogène dans le réacteur doit être diminuée ou augmentée, après quoi la dite quantité de fluide est envoyée à travers un échangeur d'ions ayant une capacité d'absorption fonction de la température pour le matériau de capture de neutrons pour soit enlever, soit abandonner le matériau de capture de neutrons, caractérisé en ce que au moins une des parties de cette quantité de fluide est périodiquement retournée au dit circuit de refroidissement du réacteur et qu'au moins ur,e partie de cette dite quantité de fluide est périodiquement envoyée vers un moyen de concentration de manière à concentrer le matériau de capture de neutrons par séparation de fluide. Processus suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'effluent venant du dit échangeur d'ions est analysé pour déterminer la quantité de matériau au de capture de neutrons en solution; et en ce qu'il est périodiquement et suc cessivement détourné vers d'autres échangeurs d'ions, chaque détournement étant déterminé par l'opération d'analyse.