Brevet FR2137907A1 — publié le 19721229

i 2137907 10 L'invention concerne un procédé pour l'alimentation d'un réacteur nucléaire à haute température refroidi au gaz dans des conditions qui permettent d'augmenter la température du gaz échangeur de chaleur jusque 900° à 1.000°C. L'utilisation de réacteurs à haute température pour la production de courant électrique, ou pour fournir de l'énergie dans l'industrie chimique ou autres, rend nécessaire une augmentation des températures de fonctionnement mises en oeuvre jusqu'ici. Alors que- jusqu'ici, les réacteurs à haute température ne pouvaient être équipés que dans des conditions où l'hélium qui sert d'échangeur de chaleur sort à une température d'environ 750°C, il serait désirable dans de tels réacteurs d'augmenter cette température jusqu'à 900° à 1.000°C, surtout en vue de l'utilisation future de turbines à gaz et de processus énergétiques. La température de sortie des gaz de refroidissement qu'on peut atteindre jusqu'à maintenant est limitée dans le noyau du réacteur par la limitation de la température superficielle des éléments combustibles à environ 1.050°C et par la limitation de la température des 20 particules de combustible à environ 1.250°C. L'invention a pour, objet d'arriver à faire sortir l'élément de transmission de la chaleur à une température plus élevée dans le cas des réacteurs à haute température. Ce résultat est obtenu suivant l'invention par un procédé 25 d'alimentation d'un réacteur nucléaire caractérisé en ce que ce réacteur est alimenté, essentiellement en continu, avec des éléments combustibles, de préférence sphériques, éventuellement avec du graphite et/ou des éléments absorbants, et est parcouru de haut en bas par un courant d'un agent échangeur 30 de chaleur; les éléments combustibles sont fournis au réacteur par le haut et sont retirés en bas et l'alimentation est réglée dans le temps, de façon que la répartition axiale de 1§ densité de puissance soit au maximum dans la partie supérieure, de préférencë dans le tiers supérieur du réacteur 35 et que cette répartition de la densité de puissance diminue vers le bas selon une fonction sensiblement exponentielle et que les éléments combustibles possèdent,après un seul passage à travers le réacteur,1'état de combustion final souhaité. Le maximum de la répartition de la densité 40 de puissance doit être au moins le double, de préférence C0PY 72 17311 2 2137907 le triple ou le quadruple, de la répartition moyenne pour que soit atteinte la meilleure réalisation de l'idée de l'invention. Il est, en outre, favorable que la température du combustible à l'intérieur des éléments combustibles reste à peu près 5 constante dans l'ensemble du réacteur, après une phase initiale de chauffage, ce qu'on peut atteindre par un réglage correspondant de la répartition de la densité de puissance et des conditions du refroidissement par le gaz. Le combustible est disposé selon des états de combustion croissante. Le 10 procédé est réalisé de préférence pour que la combustion des éléments combustibles atteigne, à la moitié du réacteur, de 70 à 95 %, et de préférence 80 à 90 % de la combustion totale lors du déchargement. Il est prévu, en outre, que la densité de puissance soit au maximum dans la partie supérieure du 15 réacteur et soit, à l'extrémité inférieure du réacteur, moins de l/50 de la densité moyenne de la puissance. Par rapport à la densité de puissance maximum, la densité de puissance à l'extrémité inférieure du réacteur ne doit être que de 5 à 50 %, de préférence de 10 à 20 %, de la densité 20 maximum. Le nouveau mode d'alimentation, conforme à l'invention, évite surtout que la densité de puissance maximum du réacteur se réalise dans le centre du noyau nucléaire, ce qui était forcément le cas jusqu'ici. Dans les réacteurs 25 connus, il règne dans cette zone, du fait que la densité de puissance est à son maximum et que lé gradient de température est le plus élevé, déjà une température des gaz élevée qui représente la limite effective de la température de sortie des gaz échangeurs de chaleur. Dans ce domaine, on atteint les 30 températures d'éléments combustibles les plus élevées qu'on puisse admettre à l'intérieur et sur la surface de ceux des éléments combustibles qui, en raison du cycle d'alimentation, se trouvent dans la première phase de leur combustion. Dans le procédé de l'invention, la. densité 35 maximum de puissance est déplacée vers le domaine froid du réacteur, là où le gaz relativement froid entre -dans le réacteur. Lors de l'entrée du gaz, on atteint ainsi, avec une température relativement basse et avec un gradient de température relativement important, un réchauffement rapide du gaz. La kO grande production de puissance est régulièrement répartie sur 72 17311 3 2137907 tous les éléments combustibles puisqu'ils se trouvent tous au début de leur combustion. La densité de puissance axiale diminue sensiblement vers le centre du réacteur et atteint, vers le bas du réacteur, un minimum, ce qui permet d'obtenir 5 le réchauffement du gaz échangeur de chaleur avec un gradient aussi petit que possible dans le domaine des températures élevées. Le courant de gaz dans le réacteur est dirigé de haut en bas, et dans le domaine froid supérieur du réacteur se trouvent des éléments combustibles frais, le combustible 10 dé ces éléments brûle lentement. Au cours du passage des éléments combustibles à travers le réacteur , à la sortie, les éléments combustibles ont atteint un degré de combustion qui est de l'ordre de 30 à 150 Mtfd/kg, de préférence de 60 à 100 MWd/kg de métal lourd. 15 Le gradient axial de la concentration en matières, fissiles ainsi que l'augmentation correspondante •de l'empoisonnement par les produits fissiles conditionnent une augmentation nette du flux de neutrons dans la partie supérieure du réacteur ainsi qu'une diminution sensiblement 20 exponentielle vers la partie inférieure, une augmentation importante de la densité de puissance associée au flux élevé de -neutrons et à la concentration élevée en matières fissiles dans la partie supérieure du réacteur et sa diminution importante vers le bas sont caractéristiques de la présente 25 invention. L'augmentation de la production en haut a pour-conséquence que tous les éléments combustibles ont atteint plus de 70 % de leur combustion totale lorsqu'ils atteignent le niveau central du réacteur. En raison de la lenteur de la traversée des éléments combustibles, il ne peut se produire, 30 dans la partie inférieure, de variations notables dans l'état de combustion d'éléments voisins; on supprime ainsi la possibilité d'un écart important de la production moyenne tel qu'on le constate dans les réacteurs connus. Le profil nettement asymétrique de la répaxtition de la puissance, est maintenu tout le 35 long de la vie du réacteur en raison de la lenteur du passage des éléments combustibles. La figure jointe représente la répartition de la puissance et de la température le long de l'axe d'un réacteur alimenté conformément au procédé de l'invention. On ^0 a choisi comme abscisse la hauteur du réacteur. Les ordonnées 72 17311 4 2137907 3 représentent, en ° centigrade et en MW/m , la température et la densité de puissance. On a opposé à la répartition axiale de la densité Q de puissance la répartition correspondante de la température du gaz réfrigérant (T ) et de celle qui règne S 5 dans le centre des éléments combustibles (T^,) . On voit que, grâce à la diminution exponentielle de la densité de puissance conforme au procédé de l'invention, la température T à l'intérieur des éléments combustibles reste sensiblement constante après une courte période, de chauffage. Le chauffage 10 des gaz est proportionnel à la densité de puissance et a principalement lieu dans la partie supérieure du réacteur. Le gradient de température dans les éléments combustibles, caractérisé par la différence entre les deux courbes T„ et T , f g est également proportionnel à la densité de puissance. Par 15 suite de la chute de la densité de puissance, ce gradient de température est très petit dans la partie inférieure du réacteur et lorsque les gaz quittent le réacteur, la températun centrale des éléments combustibles se trouve être de 20° à 50° C seulement supérieure à la température du gaz réfrigérant, 20 laquelle est sensiblement égale à la température superficielle des éléments combustibles. Dans tous les éléments combustibles de la partie chaude inférieure du réacteur, on a un gradient de température fortement réduit, puisque leur production de puissance ne varie que peu grâce à la régularité de la combusti 25 Pour les réacteurs connus, il est nécessaire d'observer pour les éléments combustibles sphériques les températures maximales,mentionnées au début, de 1 050° C à la surface et de 1 250° C pour les particules combustibles, surtout dans le cas d'éléments combustibles relativement frais, 30 et ceci dans le domaine du gaz réfrigérant chaud. La densité moyenne de puissance dans le noyau du réacteur et la températur de sortie des gaz sont limitées par l'importance relative de la production de puissance dans la partie chaude et par les grandes variations dans les états de combustion d'éléments 35 combustibles voisins. Dans le procédé conforme à l'invention, 1 production de puissance dans la partie chaude est répartie régulièrement entre les éléments combustibles voisins et elle est, en outre, réduite au 1/5 de la valeur moyenne. On peut atteindre par le nouveau procédé, pour les limitations 40 de températures mentionnées, une température initiale de 1 000° 72 17311 5 2137907 La différence admissible entre les températures superficielles et la température des particules dans les éléments les plus chauds permet d'envisager une densité moyenne de puissance O ^ Q dans le réacteur de 8 à l6 MW/m , de préférence de 9 à 12 MW/m • Le réglage du réacteur a lieu de préférence au moyen des barres de réglage qui, dans le procédé proposé ici, peuvent être déplacées uniquement dans l'intérieur du réflecteur en graphite disposé au-dessus du noyau du réacteur. L'arrêt du réacteur peut se faire au moyen de barres d'arrêt qui n'entrent que de 2 à 3 m dans le noyau du réacteur. La profondeur de pénétration doit être de l/k à 2/3 de la hauteur du réacteur. Du fait que le flux de neutrons est déplacé vers la partie supérieure du réacteur, le réacteur est particulièrement facile à régler à partir du réflecteur supérieur. Déjà l'introduction des barres de réglage dans le réflecteur supérieur apporte une forte diminution de la réactivité. Ceci est conditionné par l'importance de la proportion des éléments fissiles dans la partie supérieure et la faiblesse de la proportion d'éléments fissiles dans la partie inférieure du réacteur. Le procédé de l'invention est prévu pour un réacteur dont le noyau est composé d'éléments sphériques et qui est muni de dispositifs d'alimentation et de soutirage des billes ainsi que des dispositifs d'introduction des barres de réglage et d'arrêt. Le procédé peut être mis en oeuvre avec un tel réacteur en introduisant les éléments combustibles par le haut à une vitesse déterminée; ces éléments auront atteint par un seul passage l'état de combustion désiré. Un ou plusieurs tuyaux d'évacuation pour les billes sont prévus à la partie inférieure du réacteur et permettent l'évacuation en continu des éléments combustibl es, pendant la marche du réacteur, qui seront éliminés comme éléments entièrement consumés. L'alimentation du réacteur peut donc être réalisée sans dispositifs spéciaux pour déterminer le degré de combustion des éléments combustibles et sans dispositif de réintroduction des éléments dans le réacteur. Elle représente donc, grâce à ses faibles coûts d'installation, un optimum au point de vue économique. La partie inférieure du réacteur dans laquelle se trouvent les éléments combustibles entièrement consumés, sert également comme une sorte de dépôt d'éléments combustibles 72 17311 6 2137907 dans lequel ces éléments peuvent se refroidir. Ceci signifie que les éléments combustibles quittent le réacteur avec une radioactivité relativement faible, ce qui supprime la nécessité d'une installation intermédiaire avant le transport dans une installation de retraitement et permet le transport immédiat des éléments combustibles. Il s'est montré, en outre, que grâce à la construction choisie, on produit relativement peu de neutrons rapides dans la partie inférieure du réacteur, ce qui a pour conséquence que les éléments de construction résistants aux températures élevées destinés à la partie inférieure du réacteur peuvent être réalisés avec des matériaux relativement simples, de préférence relativement résistants aux températures ou relativement économiques, tels, par exemple, du graphite non purifié. Le danger de rayonnement le plus élevé se situe à l'extrémité supérieure du réacteur pour laquelle, dans un domaine de températures relativement faible, on dispose de bonnes connaissances sur les propriétés des matériaux. Pour ces températures relativement faibles, on peut utiliser également des matériaux en graphite relativement bon marché. Le réacteur peut présenter plusieurs zones de combustion disposées de façon concentrique. Ceci permet de régler la répartition de la densité radiale de puissance surtout dans le cas de réacteurs de grandes dimensions. Généralement, il est suffisant de disposer d'une zone cylindrique intérieure et d'une zone cylindrique extérieure de combustion. Les zones de combustion sont alimentées avec des concentrations en combustible différentes, la zone intérieure ayant une concentration en combustible inférieure à celle de la zone extérieure. On peut prévoir pour chaque zone de combustion des tubes d'alimentation et dé soutirage séparés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 72 17311 7 2137907 REVENDICATIONS 1°) Procédé d'alimentation d'un réacteur nucléaire caractérisé en ce que le réacteur est alimenté, essentiellement en continu, avec des éléments combustibles de 5 préférence sphériques, éventuellement avec addition d'éléments en graphite ou absorbants, et est parcouru de haut en bas par un agent échangeur de chaleur, que les éléments combustibles sont ajoutés au réacteur dans le haut et sont soutirés dans le bas et que l'alimentation est réglée dans le temps de façon jO telle que la répartition axiale de la densité de puissance présente un maximum dans la partie supérieure, de préférence dans le tiers supérieur du réacteur, que la répartition de la densité de puissance diminue vers le bas selon une fonction exponentielle et que les éléments combustibles 15 atteignent, après un seul passage dans le réacteur, l'état de combustion désiré. 2°) Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le maximum de la densité de puissance est au moins le double, de préférence le triple ou le quadruple, 20 de la densité moyenne. 3°) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la température du combustible, après la phase initiale de chauffage, reste sensiblemënt constante dans l'ensemble des éléments combustibles. 25 ^°) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3i caractérisé en ce que le combustible est disposé selon des états de combustion croissante et est léché par l'agént de refroidissement dans le sens de combustion croissante. 30 5°) Procédé suivant 1'une quelconque des revendications 1 à caractérisé en ce que la combustion des éléœents combustibles, à la moitié environ du réacteur, atteint environ 70 à 95 %, de préférence 80 à 90 % de sa valeur finale. 6°) Procédé suivant l'une quelconque des 35 revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'à l'extrémité inférieure du réacteur, la densité de puissance est d'environ 5 à 50 %, de préférence 10 à 20 %,de la valeur maximum. 7'°) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le réglage du 40 réacteur se fait au moyen de barres de réglage que l'on déplace 72 17311 8 2137907 essentiellement à l'intérieur d'un réflecteur en graphite disposé au dessus du noyau du réacteur. 8°) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'arrêt du réacteur se fait au moyen de barres d'arrêt qui ne seront introduites dans le noyau du réacteur qu'à environ l/4 à 2/3, de préférence 1/3 à 1/2 de la hauteur du noyau. 9°) Réacteur pour la réalisation du procédé conforme aux revendications 1 à 8, caractérisé par un noyau de réacteur composé de billes en vrac et de dispositifs d'alimentation et de soutirage de ces billes, muni d'un réflecteur en graphite au-dessus du noyau du réacteur et qui possède des dispositifs pour l'introduction par le haut de barres de réglage et de barres d'arrêt. 10°) Réacteur suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs zones de combustion cylindriques disposées concentriquement. 11°) Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il comporte une zone de combustion cylindrique intérieure et une zone extérieure. 12°) Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les zones de combustible présentent des concentrations différentes en combustible. 13°) Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les zones intérieures ont une concentration en combustible inférieure à celle des zones extérieures. 14°) Réact eur suivant l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que Chaque zone de combustion est munie de tubes séparés,de charge et de soutirage.