Brevet FR2132571A1 — publié le 19721124

Le présente invention concerne essentiellement quoique non exclusivement, les centrales nucléaires à haute température, dont la chaleur est extraite par un fluide tel que hélium, produisant au moins une artie de l'énergie mécanique ou électrique en cycle direct, par turbine à gas en circuit fermé. On sait que de telles centrales exigent, de par l'importance des échangeurs et la taille de la (ou des) turbine(s), un dimensionnement important du @aisson de pression, en particulier dans le cas d'un caisson en bétcn précontraint. Par ailleurs, l'implantation de telles centrales ne peut être quelconque, le choix du site étent généralement soumis à l'existence d'une source importante d'eau froide de refraidissement. La présente invention a pour objet de simplifier la réalisation du cycle direct et lez installations auxiliaires et de refroidissement ue la centrale, tout en conférant à celle-ci une large aptitude aux variations de charge et à des emplois divers. Le cycle direct de gaz rejetant de la chaleur à la source froide à une température comprise entre 300 et 100 à 2000 C, permet de remplacer l'eau de refroidissement par l'air ambiant. Celui-ci, prélevé en grande quantité, exiGe toutefois pour le refroidissement du gaz un réseau de tuyauteries volumineux et de grande surface, disposé dans une tour élevée et de très large section. La centrale nucléaire polyvalente, objet de 2'invention, permet de pallier les divers inconvénients précédents. Cette centrale nucléaire polyvalente est essentiellement caractérisée en ce qu'à un circuit primaire, dit nucléaire, utilisant un gaz caloporteur en circuit fermé et un coeur nucléaire comme source de chaleur, une turbine à gaz productrice d'énergie, un échangeur eW un compresseur calé sur l'axe de ladite turbine à gaz, est associé, p3r l'intermédiaire dudit échangeur, un circuit secondaire, dit conventionnel, utilisant comme fluide caloporteur de l'air comprimé et comprenant outre un système d'échangeurs airair au moins une turbine à air ou à gaz de combustion productrice d'énergie, ladite turbine étant couplée à au moins deux compresseurs de préférence calés sur le même arbre. Cette centrale nucléaire polyvalente est en outre caractérisée par les points suivants pris séparément ou en toutes combinaisons opérantes : - Le circuit secondaire comprend deux turbines à aircu à g az de combustion - Chacune des turbines à air ou à gaz de combustion du circuit secondaire est associée à au moins une chambre de combustion. - L'air comprimé du circuit secondaire est porté à une température comprise de préférence entre 520 et 5800 C à la sortie de l'échangeur du circuit primaire. Le gaz caloporteur du circuit primaire est refroidi, à la sortie de l'échangeur du circuit primaire, jusqu'à une température voisine de 1500 C. - ladite chambre de combustion est montée en dérivation entre l'échangeur du circuit primaire et la (ou les) turbine(s) à air ou à gaz de combustion du circuit secondaire. - ladite chambre de combustion est montée en série entre l'échangeur du circuit primaire et la (ou les) turbine(s) à air ou à gaz de combustion du circuit secondaire. ladite chambre de combustion est montée en dérivation entre un des compresseurs du circuit secondaire et ladite turbine à air ou à gaz de combustion qui lui est associée. - Le refroidissement de l'air en cours de compression est réglable par dérivation ou par réduction de débit réfrigérant. Cette centrale nucléaire présente de nombreux avantages par rapport aux autres centrales nucléaires déjà connues. - Le premier de ces avantages est sa polyvalence. Cet avantage, qui ressortira mieux de l'exemple de réalisation ci-après décrit et du cycle thermodynamique assoé, tient au fait qu'à côté de l'énergie mécanique ou électrique recueillie sur les arbres des turbines, une fraction importante, et variable à la demande, est disponible dans des conditions (températures d'environ 1500 C et 220 C et pressions d'un bar et de quelques bars) la rendant propre à des usages tels que dessal ement de l'eau de mer, chauffage urbain, emploi dans l' ndustrie chimique, etc... - Le second avantage est sa souplesse, la puissance fournie pouvant varier dans de larges proportions (1 à 3). Cet avantage lui permet de fonctionner conne une centrale de pointe. - Un autre avantage très importante réside dans la compacité relative du circuit primaire permettant un dimensionnement moindre du caisson de pression du réacteur nucléaire et par là un abaissement de l'investissement nucléaire. Par ailleurs le groupe turbocompresseur du circuit primaire peut être réduit à un ccrps comprenant un seul rotor sur detxx paliers. - Un autre avantage important tient a son indépendance vis-a-vis de l'eau ce oui enlève une contrainte lourde au choix habituel d'un site. - Le fonctionnement des chambres de combustion que ce soit au démarrage, en secours ou en pointe, se fait dans les conditions les plus économiques, le rendement d'utilisation restant toujours compris entre 35 et 40 zou ce nui est aussi bien qu'avec une centrale thermique à vapeur la plus moderne, laquelle est beaucoup plus complexe et onéreuse, et mieux qu'avec des turbines à combustion isolées dont le rendement d'utilisation ne dépasse pas 25 5. Enfin il est possible de disposer par combustion d'un fluide non nucléaire préchautfê et pouvant être porté à température trs élevée. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation de la centrale nucléaire polyvalente, objet de l'invention. Les dispositions de réalisation qui vont être décrites à propos de cet exemple devront être considérées commue faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci. Cette description est faite à l'aide des Fige 1 et 2, ci-jointes, lesquelles représentent Fig. 1 - une représentation des caractéristiques moyennes des cycles des circuits primaire et secondaire d'une centrale conforme à l'invention. Fig. 2 - un schéma des composants essentiels de ladite centrale. Sur ces figures les composants et zes parties du cycle s'y rapportant sont désignés par des chiffres de référence identiques. Dans cet exemple, le réacteur nucléaire est du type haute température refroidi à l'hélium. Sur le diagramme de la Fig. 1, comportant en ordonnée la température, les échelles prises en abolisse pour l'entropie de l'hélium et de l'air sont choisies pour une représentation concrète des cycles associés Ces cycles sont parcourus suivant les flèches portées par Iîs segments de courbes représentant les évolutions des fluides. Les limites indiquées qui ne sont pas rigoureuses, mais peuvent être en certains cas élargies, conviennent à la compression de L'air de refroidissement, de l'hélium du réacteur et aux conditions favorables de fonctionnement dudit réacteur. Il est ainsi possible de se passer d'échangeur de recyclage de chaleur. L'hélium en circuit primaire fermé, refroidi à une température mininale normalement comprise entre 140 et 1800 C, à une pression voisine de 25 bars, est comprimé à 61 bars suivant le segment 1 jusqu'à une température de 350 à 4000 C. Le réacteur fournit sa chaleur suivant 2 à l'hélium en circuit fermé jusqu'à une température d'environ 9000 C sous 60 bars. L'hélium chaud se détend en 3 dans une turbine motrice jusqu'à une température d'environ 5750 C et une pression d'environ 26 bars avant de céder sa chaleur à de l'air en se refroidissant le long du segment 4, jusqu'à une température d'environ 1600 C sous une pression d'environ 25 bars. Un débit approprié d'air extérieur est aspiré par un compresseur 5, qui porte sa pression jusqu'à 32 bars et sa température à 1450 C, puis refroidi dans un échangeur 6, utilisant de préférence aussi l'air ambiant, jusqu'à une température d'environ 350 C et une pression de 3,1 bars. Le deuxième compresseur 7 portant la pression de l'air à 6 ou 8 bars n'atteint pas ainsi une température élevée et peut refroidir efficacement l'hélium du circuit primaire. Celui-ci échauffe l'air à une température atteignant 520 à 5800 C suivant le segment 8. Cet air peut ainsi fournir par détente 9a jusqu'à la pression atmosphérique une autre part d'énergie mécanique ou électrique, normalement du même ordre de grandeur que celle fournie en 3 dans le circuit primaire. Pour accroftre éventuellement cette puissance externe, le passage 10 dans une chambre de combustion de l'air déjà réchauffé ou d'une partie de l'air comprimé permet d'avoir une détente à plus haute température, suivant le segment 9b ajustable suivant les besoins. La Fig. 2 représente de façon schématique les composants essentiels de production d'énergie correspondant aux évolutions des fluides décrites ci-avant. L'hélium en circuit primaire fermé, dont la pression est relevée par la pompe ou le compresseur 1, et qui est chauffé par le réacteur 2, ntraine au moyen de la turbine 3 le compresseur 1 et la génératrice électrique 12 ou toute autre machine réceptrice. Cette dernière pourrait être au moins un des compresseurs de ' a turbine à air, ci-après décrite. Les éléments 4 de l'échangeur 8 transférant la chaleur de l'hélium du circuit primaire ( l'air comprimé du circuit secondaire seront de préférence accessibles à leur extrémité, pour être isolés et fermés en cas de fuite. Des réfri.gérants supplémentaires de secours, utilisant l'air ambiant et non représentés, peuvent être disposés entre les éléments 4 et l'admission de l'hélium dans le compresseur 1. L'air comprimé en 5 puis en 7 après passage dans Ja tour de refroidissement 6a peut être soit chauffé dans l'échangeur 8 contenant les eléments de chauffage 4, soit dérivé par la cÎarbre de combustion 10a. La chambre de combustion peut aussi être disposée en lob, en dérivation entre l'échangeur 8 et la turbine à air 9. Celle-ci peut être seule le siège de la détente 9b avec réchauffage par combustion, nais une turbine correspondante supplémentaire, non représentée, peut être placée en parallèle de la turbine 9. L'emploi dans le circuit secondaire d'au moins deux turbines à air ou à gaz de combizstion assure une plus grande sûreté et une meilleure souplesse de fonctionnement tout en permettant l'emploi de turbines classiques. Les circuits, primaires et secondaires, comporteront les dérivations et vannes habituelles de régulation, non représentées. Mais on peut ainsi, suivant l'invention, passer du compresseur 5 au compresseur 7 par une dérivation 6b modifiant le refroidissement intermédiaire de l'air. Il est possible aussi d'agir sur la circulation d1air ambiant dans la tour oaO Le but est de déplacer la compression suivent le segment de courbe 7a de la Fig. 1, sur un segment 7b modifiant le rapport de compression et la température finale. Par transmission, la température de l'hélium du circuit primaire variera aussi au début et en cours de compression de même que le travail fourni par ce circuit primaire. La dérivation 6b sera notamment utilisée en cas d'arrêt du réacteur 2, faisant fonctionner la turbine à air 9 avec lo chambre de combustion 10a, comme installation indépendante de démarrage ou de secours. Bien entendu, la chaleur cédée par le circuit primaire ou par le circuit secondaire peut être prélevée en nartie pour d'autres emplois, tels iue chauffe industrielle, urbaine, dessale- ment par distillation, etc..., la turbine à air permettant de contrôler notamment le fonctionnement du circuit primaire, et pouvant servir de secours ou d'appoint pour ces installations de récupération. La température élevée pouvant être atteinte par combustion permettra aussi l'apport de chaleur par un fluide non nucléaire aux procédés de traitements métallurgiques ou de cracking ou de reforming catalytiques etc... On ne modifierait rien à l'invention par apport d'autres moyens connus ou aménagements de détail. REVENDICATIONS 10/ Centrale nucléaire polyvalente caractérisée en ce qurà un circuit primaire, dit nucléaire, utilisant un gaz caloporteur en circuit fermé, et comprenant un coeur nucléaire comme source de chaleur, lme turbine ".1 gaz productrice d'énergie, un échangeur et un compresseur calé sur l'axe de ladite turbine à gaz, est asocié, par l'intermtdiaire dudit échangeur, un circuit secondaire, dit conventionnel, utilisant comme fluide caloporteur de l'air comprimé, et comprenant, outre un système d'échangeurs air-air, au moins une turbine à air ou à gaz de combustion productrice d'énergie, ladite turbine étant couplée à au moins deux compresseurs, de préférence calés sur le même arbre. 20/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 1 dans laquelle le circuit secondaire comprend au moins deui turbines à air ou à gaz de combustion. 30/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 1 dans laquelle chacune des turbines à air ou à gaz de combustion du circuit secondaire est associée à au moins une chambre de combustion. 40/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 1 dans laquelle l'air comprimé du circuit secondaire est porté à une température comprise entre 520 et-5800 C à la sortie de l'échangeur du circuit primaire. 50/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 1 dans laquelle le gaz caloporteur du circuit primaire est refroidi, à la sortie de l'échangeur du circuit primaire, jusqu'à une température voisine de 1500 C. 60/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 2 dans laquelle ladite chambre de combustion est montée en dérivation entre l'échangeur du circuit primaire et la (ou les) turbine(s) à air ou à gaz de combustion du circuit secondaire. 70/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 2 dans laquelle ladite chambre de combustion est montée en série entre l'échangeur du circuit primaire et la (ou les) turbine(s) à air ou à gaz de combustion du circuit secondaire. 80/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 2 dans laquelle ladite chambre de combustion est montée en dérivation entre un desdits compresseurs du circuit secondaire et ladite turbine à air ou à gaz de combustion qui lui est associée. 90/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 1 dans laquelle le refroidissement de l'air en cour de compres sion est réglable par dérivation ou par réduction de débit réfrigérant. 100/ Centrale nucléaire polyvalente suivant la revendication 1 dans laquelle le gaz caloporteur du circuit primaire est de l'hélium.