Brevet FR2211716A1 — publié le 19740719

L'invention a pour objet un générateur de chaleur à très haute température notamment supérieure à 10000. La construction des réacteurs nucléaires comme sources de chaleur à haute température, notamment en vue d'application thermochimique ou sidérurgique, se heurte à plusieurs difficultés. Si les réacteurs conventionnels actuels, du type à haute température, semblent constituer la filière la mieux adaptée à ce problème, l'écart de température entre le-combustible et l'hélium qui constitue le gaz réfrigérant reste cependant excessif si l'on désire obtenir une température du fluide réfrigérant à la sortie du réacteur, supérieure à 10000C. La raison de cet écart de température important tient au faible pouvoir caloporteur de ce gaz, même fortement comprimé. De plus, la tenue des échangeurs métalliques à ces hautes températures pose des problèmes délicats, tant techniques qu'économiques. Les études de l'organisme demandeur sur le transport de poudre dans.un gaz, notamment de graphite dans l'hélium, ont montré que si certaines conditions sont satisfaites, un tel fluide peut constituer un réfrigérant permettant de construire un réacteur nucléaire à haute température, fournissant de la chaleur à.une température supérieure à 10000c. Leomaine d'application privilégié de la présente invention est donc celui de la construction de réacteurs nucléaires calogènes à très haute température, ce qui n'exclut naturellement pas la possibilité de construire des réacteurs électrogènes de ce type. De façon précise, l'invention a pour objet un générateur de chaleur à très haute température, notamment supérieure à 10000C,.camprenant un réacteur nucléaire, au moins un échangeur thermique, un fluide caloporteur primaire circulant dans des conduits primaires entre ledit réacteur et lesdits échangeurs, un fluide caloporteur secondaire circulant dans des conduits secondaires entre lesdits échangeurs et les installations d'utilisation de ladite chaleur, caractérisé en ce que le fluide primaire et le fluide secondaire sont constitués par une poudre en un matériau absorbant peu les neutrons, baignant dans un gaz sous faible pression et chimiquement inerte vis-à-vis des structures durit réacteur et desdits échangeurs, lesdits fluides étant mis en circulation au moyen de pompes. Selon un mode de réalisation avantageux, ladite poudre est du graphite baignant: dans l'hélium. Dans une variante privilégiée, le- réacteur comprend des échangeurs thermiques entre un fluide caloporteur réfrigérant ou primaire, mis en circulation au moyen de pompes dans un premier circuit fermé et refroidissant le coeur, et un fluide caloporteur secondaire, mis en circulation au moyen de pompes dans un second circuit fermé entre le réacteur et les installations d'utilisation de la chaleur fournie par le réacteur. Les fluides primaire et secondaire peuvent tous deux être du type à poudre baignant dans un gaz. Bien que l'invention ne se limite pas exclusivement à ce type de poudre, on considérera.par la suite le cas particulier de la poudre de graphite en suspension dans un gaz, l'hélium par exemple. L'adaptation, selon l'invention, de ce fluide caloporteur aux très hautes températures offre de multiples avantages: a) - le pouvoir caloporteur de la poudre est très éleve et pratiquement independant de la pression du gaz et il augmente avec la température. Il en résulte que ladite pression peut être faible, sans préjudice-pour les qualités du fluide caloporteur, par exemple inférieure à 15 bars, ce qui est particulièrement avantageux pour des questions de sécurité, la machine-de chargement n'étant pas soumise à une pression élevée. b) - na chaleur spécifique de la poudre de graphite croit avec la température et triple pratiquement lorsqu'on passe de 2O0C à 8000C. c) - Jn dispose-d'un fluide très chåud, pour lequel l'écart de température entre l'entrée et la sortie du réacteur est faible. d) - La puissançe de pompage-du réfrigérant est très réduite par rapport à celle qui est nécessitée par des fluides comme l'hélium. e) - La vitesse de circulation du fluide peut être modérée et de il' ordre de quelques mètres par seconde. I1 en résulte également des avantages importants pour le réacteur, qu'il sera plus simple de souligner à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un réacteur selon l'invention, avec ses échangeurs thermiques et ses circuits de refroidissement associés; - la figure 2 illustre la disposition générale d'un réacteur dont les échangeurs et les conduits de fluide primaire sont intégrés. Sur la figure 1, le coeur 10 du réacteur est contenu dans une cuve 12. Le gaz chargé de poudre sortant du réacteur par un conduit 14 est repris par des pompes 16 qui le refoulent dans l'échangeur de chaleur 18, avant son retour au réacteur par le conduit 20. Le fluide caloporteur secondaire est refoulé par les pompes 22 dans le conduit 24, l'amenant aux échangeurs 18, d'où il ressort par le conduit 26 le guidant vers l'utilisation non représentée et située en aval du réacteur. Dans un mode de réalisation particulier, un circuit de régulation de la pression du gaz dans le circuit primaire peut être adjoint. I1 comprend un filtre 30 retenant la poudre et connecté à un compresseur 32 qui refoule le gaz dans un réservoir 34 sous pression. L'ensemble du réacteur du circuit primaire de circulation du fluide caloporteur, du dispositif de régulation de la pression du gaz et des échangeurs thermiques, peut avanta geusement être contenu dans une enceinte de confinement 36, par exemple en béton précontraint. Les fluides caloporteurs primaire et secondaire peuvent avantageusement être du même type, car on bénéficie alors des propriétés exceptionnelles de ce fluide aussi bien pour le -fluide réfrigérant que pour le fluide secondaire. A titre d'exemple, les caractéristiques de ces fluides peuvent être les suivantes: - densité de la poudre 100 a 200 Kg/m3 - nature de la poudre : graphite - dimension des particules de graphite : 0,2 environ - nature du gaz : hélium Les conditions de température et de pression des -l ides peuvent être, a titre d'exemple: - température à 1-' entrée du réacteur (conduit 20) comprise entre ]050 et 1100c, - température à la sortie du réacteur (conduit 14) comprise entre 1200 et 12500, - pression du gaz en moyenne 5 bars, valeur résultant de l'échauffement du gaz introduit à la température ambiante à pression atmosphérique.Dans le cas de l'utilisation du système régulateur constitué par le filtre 30, le compresseur 32 et le réservoir 34, on peut ajuster la pression de fonctionnement, - pression du gaz du fluide caloporteur secondaire maintenue-voisine de la pression du fluide primaire par un système de régulation analogue à celui du cir cuit primaire, - chaleur fournie à l'utilisation à une température de l'ordre de 11000C. La figure 2 représente la disposition générale d'un réacteur avec ses échangeurs et ses conduits de fluide primaire intégrés, et permet de mieux faire apparaître les avantages physiques et technologiques du réacteur de l'invention. Sur cette figure, le coeur du réacteur 40 est entouré d'un réflecteur 42 et d'une série d'échangeurs thermiques 48. Le fluide caloporteur primaire est mis en mouvement à l'aide de pompes 50 actionnées par les moteurs 52; le fluide primaire évolue suivant les flèches 54 entre le coeur 40 du réacteur et les échangeurs thermiques 48. Le fluide caloporteur secondaire circule dans des conduits d'entrée et de sortie respectivement 56 et 58, sous l'action de pompes non représentées. Un isolant thermique 60 est disposé autour du coeur et des échangeurs thermiques. L'ensemble est disposé dans un caisson de protection 64 muni d'ouvertures pour le passage de barres de contrôle 44 et d'ouvertures 68,et 70 pour le passage des conduits d'entrée 56 et de sortie 58 du circuit secondaire. Ces conduits sont recouverts intérieurement d'une gaine isolante, respectivement 72 et 74. Dans un mode de réalisation avantageux, l'enveloppe isolante 60 et les gaines isolantes 72 et 74 sont-constituées par une couche formée par la poudre des fluides caloporteurs, cette poudre étant immobilisée au moyen de pièces appropriées faisant obstacle a son mouvement. On peut utiliser à cet effet des cavités qu des nids d'abeilles ou des espaces cloisonnés, qui, en immobilisant la poudre, créent une zone où la onvection est faible et où le remplissage par le graphite n'est que de 10% environ, ce qui constitue une gaine thermiquement bonne isolante. En revanche, au centre des conduits, le fluide est animé d'un mouvement qui provoque une forte convection, et donne au fluide ses propriétés de bon caloporteur. Dans un réacteur de ce type, les fuites de neutrons sont limitées car les canaux sont remplis de carbone et la poudre protège également la partie supérieure du caisson 64. La très grande surface offerte par la poudre (environ 300 m2/g) rend hautement probable l'absorption quasi totale des produits de fission qui auraient franchi la barrière du combustible. La séparation entre les circuits primaire et secondaire permet d'obtenir un fluide secondaire propre même Si le fluide primaire contient des produits de fission. :Les échan-geurs thermiques 48 sont avantageusement constitués en graphite. De tels échangeurs sont connus et peuvent être constitués par exemple par des blocs de graphite percés de canaux, une partie desdits canaux étant parcourue par le fluide primaire, l'autre partie par le fluide secondaire. La porosité du graphite des échangeurs 48 peut être suffisamment faible pour s'opposer aux échanges de poudre entre les deux circuits; -il est. particulièrement avantageux d'utiliser pour le réacteur une structure en graphite lorsque la poudre du fluide caloporteur est elle-même en graphite. On aboutit ainsi à une grande homogénéité de structure qui diminue les contraintes thermiques et mécaniques, ainsi que les risques de réaction chimique entre le fluide et les différents éléments qui constituent le coeur. Le graphite peut alors par èxemple entrer dans la constitution des éléments combustibles, notamment dans leur enrobage, et dans la constitution du compact et de la gaine éventuelle, ainsi que du modérateur. En plus des avantages technologiques qui viennent alêtre soulignés, on peut noter que la possibilité-de réinjecter dans un tel réacteur, par les conduits 56, un fluide caloporteur secondaire à haute température, rend le réacteur particulièrement adapté à des applications spécifiques au domaine des hautes températures, sans qu'il soit nécessaire de lui associer des applications auxiliaires visant à utiliser l'énergie thermique à basse température, comme c'est le cas pour les réacteurs actuels qui n'utilisent pas le fluide réfrigérant de l'invention. REVENDICATIONS 1. Générateur de chaleur à très haute température, notamment supérieure a 10000C, comprenant un réacteur nucléaire, au moins un échangeur thermique, un fluide caloporteur primaire circulant dans des conduits primaires entre ledit réacteur et lesdits échangeurs, un fluide caloporteur secondaire circulant dans des conduits secondaires entre-lesdits échangeurs et les installations d'utilisation de ladite chaleur, caractérisé en ce que le fluide primaire et le fluide secondaire sont constitués par une poudre en un matériau absorbant peu les neutrons, baignant dans un gaz ses faible pression et chimiquement inerte vis-à-vis des structures dudit réacteur et desdits échangeurs, lesdits fluides étant mis en circulation au moyen de pompes. 2, Générateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits conduits primaires et secondaires comprennent des isolants thermiques et/ou des gaines thermi- quement isolantes constitués par une couche formée par la poudre des fluides caloporteurs, la poudre de ladite couche étant immobilisée au moyen de pièces appropriées faisant obstacle à son mouvement. 3. Générateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé encre que les échangeurs sont constitués par un matériau réfraçtaire compatible avec le fluide caloporteur et de préférence de même nature que la poudre. 4. Générateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux fluides primaire et secondaire sont identiques. 5. Générateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pression du gaz baignant la poudre est de quelques bars, de préférence inférieure à 15 bars. 6. Générateur de chaleur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la pression dudit gaz est, à froid, égale à la pression atmosphérique, ladite pression s'élevant en fonctionnement à environ 5 bars par échauffement. 7. Générateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite poudre est du graphite. 8. Générateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz, baignant la poudre, est de l'hélium. 9. Générateur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les échangeurs sont disposés dçns la même cavité que le réacteur nucléaire. 10. Générateur de chaleursuivant la revendication 1, caractérisé en ce que les échangeurs thermiques sont-disposés dans des alvéoles placés dans le caisson du réacteur.