Brevet FR2118871A1 — publié le 19720804

L'invention concerne la production d'énergie électrique a partir d'une source d'énergie nucléaire sousmarine. On sait que l'énergie provenant de la fission de l'uranium se manifeste sous forme calorifique et qu'on assure généralement sa transformation en énergieelectrique par l'intermédiaire de machines tournantes. Si de telles installations sont exploitées sans difficultés lorsqu'elles sont situées à l'air libre, il est extrêmement difficile, sinon impossible, d'envisager leur utilisation sous-marine, du fait notamment des problèmes que posent dans ces conditions d'exploitation, le fonctionnement, la surveillance et la maintenance des machines tournantes. La présente invention a notamment pour but de résoudre ces difficultés, en permettant-la transformation directe de l'énergie nucléaire en énergie electrique. Elle a pour objet un réacteur nucléaire sousmarin, caractérisé en ce qu'il comprend - un coeur de matière fissile constitué, dans sa partie centrale, par une pluralité de diodes thermoioniques, dont l'émetteur de chacune contient de la matière fissile participant à la réaction en chaine et qui sont liées électriquement les unes aux autres, et, dans sa partie périphérique entourant la partie centrale, par une pluralité d'éléments combustibles complètantla masse critique du coeur, - des moyens de refroidissement dudit coeur1 - et des moyens de contrôle neutronique de la réaction. Les diodes thermoioniques sont connues en elles mêmes. Elles ont la propriété de produire un courant électrique intense sous une faible tension lorsqu'elles sont placées au sein d'un flux neutronique élevé auquel participe la charge d'uranium, ou de composé d'uranium, contenue dans l'émetteur de chacune desdites diodes. Dénommées ici diodes thermoioniques, ces diodes sont également connues sous les appellations de diodes thermoélectriques, de diodes à plasma ou encore de thermodiodes. Suivant une disposition de l'invention, les diodes thermoloniques constituant partiellement le coeur sont groupées en au moins deux empilements dans chacun desquels elles sont liées électriquement les unes aux autres, lesdits empilements étant également liés électriquement l'un à l'autre. Les liaisons électriques entre diodes d'un même empilement et de chaque empilement avec les autres sont bien entendu fonction des caractéristiques, d'une part du courant à délivrer, d'autre part, des diodes utilisées. Dans la plupart des cas, on sera conduit à des liaisons série parallèle de l'ensemble des diodes. La solidarisation mécanique des diodes de chaque empilement peut notamment être réalisée, ainsi que les liaisons électriques, par soudage desdites diodes les unes sur les autres. Pour maintenir les diodes aux températuresélevées auxquelles leur fonctionnement est optimal, chaque empilement des dites diodes est avantageusement séparé thermiquement du reste du coeur du réacteur par une enveloppe de gaz inerte constituant barrière thermique autour de l'empilement. De préférence, chacune de ces enveloppes est définie par un tube de force raccordant deux enceintes situées respectivement au-dessus et au-dessous du coeur-et contenant un même gaz inerte, de l'hélium par exemple. Lesdites enceintes jouent également le rôle de collecteurs pour les produits de fission gazeux produits par l'émetteur de chaque diode. Pour assurer le contrôle neutronique du réacteur, celui-ci comprend, suivant une disposition connue en elle-même , au moins un élément absorbant pouvant être plus ou moins contenu dans la partie périphérique du coeur, et pouvant même être amené momentanément complètement hors dudit coeur. Les moyens de contrôle neutronique peuvent, suivant une technique usuelle, être manoeuvrés par des servo-mécanismes actionnés par une centrale de commande à laquelle sont notamment fournies les informations concernant la marche de la réaction, contrôlée par des détecteurs de neutrons. Suivant une caractéristique de 11 invention, les moyens de refroidissement du coeur du réacteur comprennent au moins un circuit primaire dont le fluide caloporteur circule par convection naturelle à travers le coeur du réacteur. Suivant d'autres dispositions de l'invention, le fluide caloporteur du circuit primaire peut échanger ses calories avec l'eau de mer, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un circuit secondaire dont le fluide caloporteur est avantageusement de l'eau. Dans les deux cas, le circuit primaire peut être au moins partiellement contenu dans une enceinte, renfermant un fluide constituant une protection biologique du coeur du réacteur et plongée dans l'eau de mer. L'enceinte de protection biologique peut en outre: - soit coopérer avec le circuit primaire en étant reliée hydrauliquement à celui-ci, la circulation du fluide de l'un à l'autre étant réglable, - soit constituer le circuit secondaire des moyens de refroidissement du coeur. Pour le cas notamment où les élécombustibles de la partie périphérique du coeur ne pourraient s'accommoder d'une température aussi élevée que celle des diodes de la partie centrale dudit coeur, le réacteur comprend avantageusement des moyens pour obliger le fluide caloporteur circulant dans le coeur du réacteur à traverser successivement d'abord la partie périphérique seule dudit coeur, puis la partie centrale seule de celui-ci. Cette dernière disposition peut notamment être combinée avec celle suivant laquelle l'enceinte de protection biologique et le circuit primaire contiennent un seul et même fluide dont la circulation de l'un à l'autre est contrôlée. Pour pallier les effets des variations de pression dans le circuit de refroidissement dont le fluide échange directement ses calories avec l'eau de mer, ce circuit, qu'il soit primaire ou secondaire, comprend avantageç3ement un dispositif régulateur de pression pouvant être notamment un dispositif à membrane. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des dessins annexés qui représentent, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation du réacteur suivant l'invention. Sur ces dessins: - la figure 1 est une vue de face schématique, en coupe, d'un premier mode de réalisation du réacteur suivant l'invention, - la figure 2 est une vue partielle, de détail, du réacteur de la figure 1, - la figure 3 est une vue partielle, d'une première variante de réalisation du réacteur des figures 1 et 2, - la figure 4 est une vue partielle, d'une seconde variante de réalisation du réacteur des figures 1 et 2, - la figure 5 est une vue schématique partielle, de face en coupe, d'un second mode de réalisation du réacteur suivant l'invention. Le réacteur suivant l'invention représenté sur les figures I et 2, comprend essentiellement un coeur 1 dont la partie centrale est constituée par une pluralité d'empilements 2 de diodes thermoioniques dont l'émetteur de chacune contient de l'uranium participant à la réaction en chaîne, soudées les unes aux autres, et dont la partie périphérique est constituée par une pluralité d'éléments combustibles 3 de type connu, tels par exemple que des éléments à plaques. Les diodes thermoioniques de chaque empilement 2 sont liées électriquement les unes aux autres et les empilements 2 liés entre eux par des conducteurs 4, de façon à délivrer un courant électrique de caractéristiques dé te rminées sur un cable 5 reliant les diodes à une utilisation (non représentée). Chaque empilement 2 est contenu dans un tube de force 6 mettant en communication deux enceintes 7 et 8, situées respectivement au-dessus et au-dessous du coeur 1 du réacteur. Les tubes de force 6 et les enceintes 7 et 8 contiennent un gaz inerte tel que l'hélium, enveloppant chaque empilement 2 et formant barrière thermique autour de chacun desdits empilements. Le coeur 1 du réacteur dans son ensemble est contenu dans une première enceinte 9 contenue elle-même dans une seconde enceinte 10 plongée dans l'eau de mer 11. L'enceinte 9 est parcourue de bas en haut par un fluide caloporteur primaire, traversant le -coeur 1 du réacteur et dont les trajets sont figurés par les flèches F. Ce fluide caloporteur primaire cède, par l'intermédiaire d'un échangeur 12 dans lequel sa circulation est contrôlée par une vanne 13 à servo-mécanisme 14, les calories extraites du coeur 1, à un fluide secondaire contenu dans la seconde enceinte 10 et cèdant, lui, ses calories à l'eau de mer 11. La première enceinte 9 et l'échangeur 12 définissent avec un dispositif de pressurisation 15 du fluide primaire, un circuit primaire de refroidissement dans lequel le fluide caloporteur circule par convection naturelle. Le fluide caloporteur secondaire, constitué par de l'eau, circule également par convection naturelle dans la seconde enceinte 10 définissant un circuit secondaire de refroidissement et dans lequel sa circulation (illustrée par les flèches G sur la figure 1) est canalisée par un déflecteur annulaire 16 coaxial à l'enceinte 10 et percé au voisinage de sa partie inférieure d'orifices de passage 17. Guidée par le déflecteur 16, l'eau remonte dans la partie centrale de l'enceinte 10 autour de l'échangeur 12 et redescend à la périphérie de ladite enceinte 10 en se refroidissant le long de la paroi de celle-ci. Un dispositif régulateur de pression 18 å membrane 19, en communication de part et d'autre de ladite membrane 19 avec le volume intérieur de la seconde enceinte 10, en 20, et avec l'eau de mer 11, en 21, équilibre la pression interne dans la seconde enceinte 10 avec celle de l'eau de mer ambiante 11. La seconde enceinte 10 définit en outre une enceinte de protection biologique. De plus, le réacteur des figures 1 et 2, comprend: - des moyens de contrôle neutronique de la réaction, constitués par des éléments absorbants, situés dans la zone 'rilhlrique du coeur et manoeuvres par des servo-mécanismes 22 pour maintenir l'ensemble au niveau de puissance désirée, et par des détecteurs de neutrons 23 informant à tout moment l'utilisateur sur la marche de la réaction, - une centrale d'informations et de commande 24 à laquelle sont reliés les servo-mecanismes 14 de la vanne 13, les détecteurs de neutrons 23 et les servo-mécanismes 22 des éléments absorbants, et commandant les manoeuvres adéquates de la vanne 13 et des éléments absorbants - des moyens de commande manuels 25 du réacteur, situés au-dessus du réacteur et accessibles de l'extérieur d'une enceinte 26, entourant les éléments électroniques de commande et de contrôle 14-15-22-24, du réacteur. Le double circuit de refroidissement du réacteur des figures 1 et 2, permet de choisir des températures de fonctionnement différentes pour chacun des circuits, les températures élevées étant plus favorables au fonctionnement des diodes et les températures moyennes plus favorables à l'échange avec l'eau de mer puisqu'elles évitent dans de larges mesures l'entartrage des surfaces d'échanges qui se produit aux hautes températures. Dans les variantes de réalisation des figures 3 et 4, on a repris les mêmes références affectées du signe prime, que celles utilisées à la figure 1, pour désigner les éIémenfs identiques ou semblables. Dans la variante de la figure 3, le réacteur diffère seulement de celui des figures 1 et 2, en ce que le coeur 1' est supporté par une première enceinte 27 solidaire de la seconde enceinte 10' et percée, au-dessous du niveau du coeur 1' d'un orifice inférieur 28 et au-dessus dudit niveau, d'orifices supérieurs 29, et en ce qu'un déflecteur 30 à paroi pleine sensiblement parallèle à celle de la première enceinte, entoure partiellement celle-ci, son ouverture 31 étant située au-dessus du niveau des orifices supérieurs 29 de la première enceinte. Dans cette variante, le circuit primaire est défini par la première enceinte 27 et le déflecteur 30 et contient le même fluide caloporteur, de l'eau, que la seconde enceinte 10'. La régulation de la température autour du coeur 1' au réacteur s'effectue par mélange à l'eau circulant autour du coeur 1', d'une quantité contrôlée, d'eau plus froide contenue dans la seconde enceinte 2. L'eau chaude qui entoure le coeur 1' s'échappe de la première enceinte 27: d'une part, dans l'enceinte 10' à travers la vanne 13' à servomécanisme 14', d'autre part, par les orifices supérieurs 29 dans l'espace délimité- autour de l'enceinte 27 par le déflecteur 30, d'où elle retourne par l'orifice 28 dans l'enceinte 27 en entrainant par l'ouver- ture 31 du déflecteur, une quantité d'eau froide correspondant à celle s'échappant par la vanne 13'. En contrôlant le débit de la vanne 13', on admet dans le circuit d'eau de refroidissement du coeur, la quantité d'eau froide nécessaire pour l'obtention d'une température déterminée.La circulation de l'eau autour du coeur s'effectue par phénomène de thermosiphon, l'eau étant plus chaude à l'intérieur de l'enceinte 27 au niveau du coeur, que dans l'espace compris entre cette enceinte et le déflecteur 30. Dans la variante de la figure 4, le réacteur ne diffère de celui des figures 1 et 2 que par des moyens déflecteurs 32-33-34 séparant hydrauliquement la partie centrale du coeur du réacteur (celle des diodes 2') de la partie périphérique dudit coeur (celle des éléments combustibles 3') et conduisant le fluide caloporteur primaire successivement à travers la partie périphérique du coeur puis à travers la partie centrale de celui-ci. Ces moyens déflecteurs peuvent être partiellement situés à l'extérieur de l'enceinte 9' et augmenter ainsi la surface d'échange des circuits primaire et secondaire. Cette disposition, qui peut d'ailleurs être reprise en combinaison avec celle de la figure 3, permet notamment de refroidir davantage les éléments combustibles 3' que les empilements de diodes 2. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le coeur 35 du réacteur Canalogue à celui des figures 1 et 3) est contenu dans une enceinte tubulaire 36, évasée à sapartie supérieure 36a et dont la partie inférleure 36b est située dans une enceinte sensiblement sphérique 37 définissant la protection biologique du coeur du réacteur, l'ensemble plongeant dans l'eau de mer 38. Des cloisons, les unes longitudinales 39, les autres transversales, définissent avec l'enceinte tubulaire 36 un circuit primaire de refroidissement dans lequel le fluide caloporteur, de l'eau par exemple, est astreint à circuler par convection naturelle dans l'enceinte 36, suivant les trajets indiqués par les flèches H. Pour augmenter la surface d'échange entre le circuit primaire et l'eau de mer 38, la partie supérieure évasée 36a de l'enceinte 36 est traversée parallèlement à son axe longitudinal par une pluralité de conduits 41 permettant une circulation par convection naturelle de l'eau de mer à travers ladite partie évasée 36a de l'enceinte 36, circulation indiquée par les flèches J. Pour permettre l'équilibre des pressions entre le volume interne de l'enceinte 37 lorsque la protection biologique est assurée par de l'eau de mer, et l'eau de mer extérieure 38, l'enceinte 37 est percée d'un orifice 42, choisi de section suffisamment faible pour éviter un trop grand passage de radioéléments de ladite enceinte dans l'eau de mer. La protection biologique peut être également assurée par de l'eau légère contenue dans l'enceinte 37; dans ce dernier cas, l'équilibre de pression avec l'eau de mer peut être assuré par un régulateur à membrane tel que celui représenté dans cette fonction à la figure 1. Un même régulateur de pression 43 assure dans le mode de réalisation de la figure 5, l'équilibre de pression entre le volume intérieur de l'enceinte tubulaire 36 et l'eau de mer 38. Le réacteur de la figure 5 comporte en outre tout ou partie des organes de contrôle et de commande tels que ceux montrés à la figure 1: détecteurs de neutrons 23, vanne 13 à servo-commande 14, éléments absorbants et servo-commandes 22 de ceux-ci, dispositif de pressurisation du fluide primaire 15! centrale d'information et de commande 24, moyens de commande manuels 25 du réacteur, non représenté à la figure 5 mais susceptibles de prendre place dans le réacteur de cette figure, sur la platine 44 située à la partie supérieure dudit réacteur. Dans ce mode de réalisation, l'échange thermique direct entre le fluide primaire et l'eau de mer 38, et les moyens d'équilibrage des pressions permettent l'utilisation de structures minces, légères, d'où peu onéreuses, ne subissant pratiquement pas de contrainte, ce qui en améliore la sécurité. Ce réacteur permet, comme celui des figures 1 et; 2 et des variantes, l'extraction aisée de tous les matériels nobles, notamment des moyens dé contrôle et de commande, hors des structures fixes qui sont, elles, récupérables indéfiniment. Bien entendu la présente invention ne se limite pas aux seuls modes de mise en oeuvre qui ont été décrits A titre explicatif mais nullement limitatif; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 ) Réacteur nucléaire sous-marin, caractérisé en ce qu'il comprend : un coeur de matière fissile constitué, dans sa partie centrale, par une pluralité de diodes thermoioniques dont l'émetteur de chacune contient de la matière fissile permettant la réaction en chaîne et qui sont liées électriquement les unes aux autres et, dans sa partie périphérique entourant la partie centrale, par une pluralité d'eléments combustibles complétant la masse critique du- coeur, une enveloppe de gaz inerte entourant lesdites diodes et constituant une barrière thermique entre les diodes thermoioniques et le reste du coeur, des moyens de refroidissement dudit coeur et des moyens de contrôle neutronique de la réaction constitués par au moins un élément absorbant, mobile dans et hors de la zone périphérique du coeur. 20) Réacteur nucléaire suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes thermoioniques constituant partiellement le coeur sont groupées en al moins deux empilements dans chacun desquels elles sont liées électriquement les unes aux autres, lesdits empilements étant également liés électriquement l'un à l'autre. 3 ) Réacteur nucléaire suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les diodes thermoioniques de chaque empilement sont soudées chacune à chacune de ses voisines 40) Réacteur nucléaire suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend, situées respectivement au-dessus et au-dessous du coeur, deux enceintes étanches contenant un même gaz inerte et raccordées l'une à l'autre par au moins deux tubes de force contenant chacun un des empilements de diodes thermoioniques. 50) Réacteur nucléaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement du coeur du réacteur comprennent au moins un circuit primaire dont le fluide caloporteur circule par convection naturelle à travers le coeur du réacteur. 60) Réacteur nucléaire suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit primaire est au moins partiellement contenu dans une enceinte, renfermant un fluide constituant une protection biologique du coeur du réacteur et plongée dans l'eau de mer. 70) Réacteur nucléaire suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit primaire et l'enceinte de protection biologique sont en communication hydraulique et contiennent un même fluide dont la circulation de l'un à l'autre est réglable. 80) Réacteur nucléaire suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'enceinte de protection biologique définit un circuit secondaire de refroidissement, dont le fluide caloporteur cède à l'eau de mer les calories reçues du fluide caloporteur du circuit primaire. 90) Réacteur nucléaire suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit primaire est au moins partiellement en contact direct avec l'eau de mer et est au moins partiellement traversé sar des passages permettant une circulation d'eau de mer, par convection naturelle à travers ledit circuit primaire. 100) Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour obliger le fluide caloporteur circulant dans le coeur du réacteur à travers successivement d'abord la partie peri- phérique seule dudit coeur puis la partie centrale seule de celui-ci. 110) Réacteur nucléaire suivant l'une quelconque des revendications 6 -a 10, caractérisé en ce que le circuit dont le fluide échange directement ses calories avec l'eau de mer comprend un dispositif régulateur de pression.