Brevet FR2285685A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne la production d'énergie électrique et mécanique à des fins industrielles et domestiques. Etat de la thermique Les réactions nucléaires fournis. ent des énergies qui sont typiquement plusieurs millions ae ois supérieures celles dégagées par les réactions chimiques telles que la combustion du charton et des aydrocarburesPour produire de l'énargie inaustrielle, lectrique ou mécanique, les réactions nucléires utilisées ou envisagées sont soit du type fission, soit ou type fusions ces réactions étant,par silleurs, à la base du fonctionseent,respectivement , des bombes militaires A et H. a)Les réacteurs en service sont tous du type à fission:eertains noyaux lourds appelés fissiles (isotopes 25,U et Pu notamment) peuvent,en effet,se scinder en deux noyaux de masse grossièrement comparable, après absorption d'un meutron, avec un grand dégagement d'énergie Mais, la fis ion libérent elle-même, plusieurs neutrons (2 à 3 en moyenne), les réacteurs sont conçus n sorte que le processus se peursuivé en chaîne. Pour éviter les pertes prohibitives de neutrons, les réacteurs à uranium peu enrichi contiennent des modérateurs (eau, légère ou lourde,graphite)qui ralentissent les reutrons éjectés et favorisent statistiquement les réactions de fission.D'autres réacteurs, plus riches en matériau fissile ne font pas appel à un modélateur et cont dits à neutrons rapides. On tend h developper l'emploi de reacteurs de ce type dans lesquels des neutrons provoquent, sur des moyeur lourds, der réadctions nucléaires aboutilsant finalement à des moyaux fissiles, en sorte qu'il se produit plus de noyaux fissiles qutil ne s'en consomme; ces réacteurs, particulièrement intéressants du point de vue @cone ique dits surrégén@rateurs. Les noyaux tels que U qui dennent ainsi, finglement, des noyaux fissiles (en l'occurence Pu) sont dits fertiles, Les atomes feitiles et les atomes fissiles forment, ensemble, le combustible nuclécire. b) Certixes résctions entre isotopes de l'esparegène, abouticent à l'@lium et @@ites de furion @@ost zusen tibles églereit de @@rair de msis gro@@es qurntités s'énergietes rec@@erces en roure, visant à faire en sorte que cette suite de r'actions s'autoentretisene, ze poursuiv at en tentent 'obtenir des milieux ionis s (plasses) la fois assen demces et assez chauds, ais n'ont pas encore bouti à une réaction controlée utilisable. c) En connaît des résetions avec le lithium, ateutissent agelement un moyen @@@@liux 4 ou particule alp@@, souvent classées, bien qu'improprement, dans les r'actions de @@sion et qui dégegat une grande émergie. Ce sont, notamment, 7Li (p,2 &alpha; ) et Li (n, &alpha; ) H, qui sont utilisées à des applications seientifiques, en particulier, respectivement, à la vérification de la relation d'Einstein et à la détéction des meutrons. Kais leur emploi pour produire de l'émergie n'est, wectuellement, ni préco disé, ni même envisagé. Ces résentions ne paraissent d'ailleurs pac susceptilles de d'autrentretenir. On peut attenare ue -uwle production accrue d'énertgie électrique par l'augmentation importante du rendement dès lors que, en ne passant pas par l'intermédiaire d'énergie calorifique, il n'est plus limité par le prin cipe de Carnot par la mise en oeuvre de réactions secondires classées, proprement ou im proprement, parri les réactions de fusion une certaine diversification des sources '5 n'énergie par recours possible au lithium et, dans une certaine mesure,aux isotopes de l'hydrogène -une diminution considérable de la "pollution thermique", liée au fait que très peu de l'émergie dégagée soit transformée en chaleur.Cr, cette pollution ther mique, qu'apportent à leur environnement les centrales électriques de puissance, qu'elles soient nucléaires ou thermiques conventionnelles, conduit , leur assi gner actuellement des conditions d'erploi très sévères, dont il deviondre pos sible de s'affranchir. - une très importante simplification, voire la suppression des dircuits t@@@triques d'où une diminution au coùt et l'élimination des principales causes ectuelles d'accident graves -la possibilité, pour certaines modalités, de pratiquer la surrégénération. Moyens mis en oeuvre L'invention comporte l'application de plusieurs perfectionnements, couvent cimultanés. Avant d'en emposer diverses modalités, il est utile, pour plus de clarté, d'expliciter le principe de certains de ces perfectionnements. a)I'rincipes ais en ceuvre. -les principales réactions rucléaires utilisées par l'invention, que ce soit le fission, l'ection @inoteopes de l'ag@@ sur le lithieu, se traduisent par l'énision de noyeur stomipues amin@@és d'une très grande énergie cinétique, cette énergie eirétiue @@présentant l'euventiel de l'énergie dégagée. Dans les applications actuelles, le freinage de ces particules à travers la matière transforme cette émergie einétique en chaleur, qui est finalement exploitée, éventuellement après des échanges thermipues comploxes, dans uneroteur thermique actionunt un alternateur.L'invention recourt à une utilisation selon une voie toute oifférente : étant donnée la violence de la réaction,les noyaux légers sont émis sans électron périphérique et les moyaux de fission perdent, quant à eux, une fraction importante de leur cortège électronique, une vingtaine d'électrons en moyenne. Ce qui est émis est donc constitué, en fait, par des ions positifs, animés de très grandes mitesses et, par suite, capables de franchir une différence de potentiel élevée, de l'érdre de plusieurs millions de volts.Si des feuilles soit de combustible nucléaire, soit de lithium, sont le singe de réactions nucléaires multiples,elles constituent, de ce faites anodes, sources de courant statistisuement continu, ce couant pouvant atteindre, de lui même, des catho des portées à un potentiel extrement élevéOCette énergie électrique continue peut, si on le souhaite, être transformée en énergie électrique alternative au moyen, par exemple, d'un jeu approprié de d'excitrons, @@duleure.Il convient de noter que ce mode de fonctionnement implique, d'une part que la ou les feuilles jouant le role d'anode soient assez minces pour que le freinage des ions dans l'anode soit relativement petit, d'autre part que soit entretenu un vide poussé entre chaque anode et les cathodes qui l'encadrent. - 6 Li (n, &alpha; ) présente une section éfficace considérable aux neutrons thermiques, en l'occurence de l'ordre de 1000 barns. Dans un réacteur à fission comportant un modérateur, surtout, s'il est à haut flux de noutrons, Li est donc capable de dégager une puissance spécifique ébnorme. - Les réactions du lithium, et notamment de 7 Li, avec des isotopes de l'hydrogène peùvent aussi être produites dans un réacteur à fission, mais dans des conditions très différentes.Pour pouvoir interagir avec les noyaux Li,H et ses isotopes doivent, en effet, être anims d'énergies cinétiques importantes. De telles éner gies pouvent être communiquées à cet noyaux par la collision de neutrons ra pides. Aussi convient il pour les utiliser eventuellement, de partir d'un réacteur sans modérateur,donc à neutrons rapides et de disposer judicieusement, entre le coeur de réacteur et M,un matériau riche en hydrogène ou isotopes. -Le lithium présente des propriétés de gitter, c'est à dire une grande apti tude à adsorber des g@@ En lui fainant asoraer de l'hy@@ne ou icotopes, il est cone possible, dans les conitions e plicitées plus haut, d'engendrer, en plus des réactions ce fosion en @@@tité simplificative. b)Prenier dispositif La production directe d'énergie électrique dans @@ réacteur nucléaire utilisant la fission en channe est possible avec de nombreuses variantes notamment en ce qui concerne la composition chimique du combustible nucléaire, la composition des structures, la forme géométrique et les dimensions du réact teur. Une de ces modalités peut se décrire comme suit,les chiffres renvoyant à la figure 1,schéma de principe en coupe longitudinale: .le coeur de réacteur est contenu dans un caisson en acier épais (i) de grande dimension.Ce caissona, en l'occurence, la forme d'un cylindre vertical, la partie inférieure étant en demi-sphère.En fonctionnement,ce caisson est, électriquement, à la messe et un vide poussé y est entretenu des cylindres en acier peu épais (2),coaîiaux du caisson (i),en bon contact électrique et thermique avec lui,jouent le role de cathodes.Deux tels cylin dres sont representés sur le dessin. .ces cylindres (2) sont assujettis à leur place,dtune part par leur ertrémité inférieure,d1autre part au moyen de frettes telles que (3) destinées,en outre, à améliorer la conductbilité électrique et thermique entre les cylindres (2) et le caisson (1). oles feuilles minces de combustible nucléaire (4) forment,elles aussi,des cylindres coaxiaux, Elles sont composées dbun alliage en proportion appropriée de 239 Pu, fissile, et de 238U,fertile 0Elles sont, éventuellement,recouvertes d' un film extrement mince de métal légereSour en assurer la rigidité et en améliorer la conductibilité, les feuilles élémentaires de combustible (4) sont portées par un bati métallique relativement minee.Le nombre de feuilles de combustible (4) représenté sur le dessin est,lui aussi de deux;le bati n' est pas figuré. .les feuilles de combustible nucléaire (4) sont supportées par des frettes telles que (5).Une frette (5) est appuyée à force sur les parois intérieures du caisson (1) par l'intermédiaire d'isolant tel que la porcelaine,gràce à un vérin téléscopique central.Un vérrouillage mécanique (non representé) maintient les feuilles de combustible (4) et leur bati assujettis aux frettes (5), mais laisse la possibilité de les retirer et déposer pour les opérations de maintenance.-Nota::les cylindres (2) peuvent aussi être constitués de feuilles amovibles ela partie supérieure du caisson (1) se termine par un orifice (6) communi- quant avec l'installation de vide, comprenant au moins deux systèmes de-pompa- ge indépendants pour des raisons de fiabilité;; les feuilles de combustible nucléaire (4) sont reliées électriquement et mécaniquement entre elles,à leur partie supérieure,par une interconnexion métallique (7)d'où part un conducteur,sous haute tension négative lors du fonctionnement.Ce conducteur sort du caisson par un passage isolé électri quementw antour du caisson (1) circule un fluide caloporteur (8) destiné à évacuer la chaleur que peuvent communiquer les ions de fission aux cylindres (2) faiaant fonction de cathodes, lorsqu'ils ont une énergie cinétique résiduelle lors de l'impact.Ce fluide,qui devrait ne pas absorber de neutrons et ne pas Jouer un role de modérateur,pourrait être de l'anhydride carbonique.Eien entendu,la chaleur ainsi évacuée peut être utilisée au dehors,par exemple pour entrainer un moteur thermique .la canalisation dans laquelle circule le fluide calloporteur (8) est entourée d'une "couverture" à base de 238 U, fertile et contribue largement, si faire sa peut, à rendre le réacteur surrégénérateur. l'ensemble est entouré latéralement dtune structure épaisse (10),assurant à la fois la protection du milieu ambiant à l'égard des neutrons,et leur réflexion, afin d'accroitre l'éfficacité, selon une disposition classique. .une protection supérieure et inférieure (11),de type analogue,complètent te dispositif et n1 appellent pas de remarque particulière, des barres de cadmium (12) peuvent être introduites plus ou moins profonde ment,dans la couverture (9),dans le fluide caloporteur (8),voire dans un repli éventuellement ménagé dans le caisson et formant cavitéwpour permettre de controler la réaction en chaîne. Remarques: étant donnée la grande latitude de chois concernant lz fluide caloporteur, il est loisible de le prendre tel que,s'il se produit une fuite accidentelle, il n'en résulte pas de conséquence grave les produits de fission sont à la fois toxiques et nuisibles à la poursuite en chatne de la réaction,le dispositif décrit est tel que l'essentiel soit en sera absorbé par l'appareil à vide ,soit se fixera dans les cylindres (2). Il ne sera donc pas nécessaire de procéder souvent au retraitement du combus tible. .la rigidité du caisson doit être prise telle que, les frettes aidant, il n'y ait aucun risque d'implosion.L'incident le plus grave apparatt,dès lorssune fuite de-az dans le caisson.iour prévenir les accidents qui pourraient s' ensuivre,il suffit que les décharges électriques qui en résulteraient,et qui perturberaient le régime du courant,entrainent automatiquement ld disjonction de la haute tension et la mise à poste des barres de cadmium. .les neutrons rapides dans le coeur du réacteur auront normalement à effectuer des\parcours notables dans le vide;leur durée de vie s'en trouvera accrue et, parlà,le controle de la réaction en channe facilitée o) Second dispositif. Ce dispositif a pour but de produire,dans un réacteur nucléaire -fonctionnant par fission en chatne des noyaux atomiques lourds et comportant un modérateur de neutronsSdes réactions nucléaires supplémentaires d'appoint et 6 en particulier par action des neutrons thermiques sur M0Dans le cas du schéma de principe,objet de la coupe transversale figure 2,on pratique,pour la fission comme pour la réaction secondaire,la conversion directe d'énergie nucléaire en énergie électrique: Oie coeur de réacteur est constitué,dans cet exemple particulier, de sept caissons(t1),du même type que le caisson du dispositif précèdent et sembla blement disposé intérieurement. autour de ces caissons circule un fluide(22),à la fois caloporteur et modé rateur de neutrons,en principe eau ou eau lourde .à la périphérie de cet ensemble sont disposée des caissons tels que(3). En fonctionnement,leur enveloppe est,électriquement,à la masse alors qu' un vide poussé est entretenu à l'intérieur0 .dans ces caissons(23),on trouve,en alternance,des feuilles d'acier en bon contact électrique et thermique avec les parois et jouant le role de cathodes et des feuilles tres minces(24) de lithium, notamment, voire exolusivement, de Li,isolees des parois et jouant le role d'anodes émettrices d'ions positifs rapides.La fixation et la connexion de ces feuilles(24) s'éffectue de façon similaire au cas du combustible du premier dispositif 0Four acorottre l'éffi- cacitéwon aura pu faire adsorber,par les feuilles(24) des isotopes de 1' hydrogène, purs ou en combinaison chimique .la couverture(26) est à base de matière fertile et bordée extérieurement de béryllium 0les structures (27) de protection et de réflexion des neutrons n'appellent pas de commentaire particulier.Les barres de controle en cadmium n1 ont pas été représentées. Comme variante possible,il y a lieu de mentionner en particulier le cas où toute l'énergie de la réaction secondaire est, initialement, transformée en chaleur.Dans ce cas,le lithium est disposé directement dans le fluide(22),sous forme de tiges,de plaques ou mkme de cylindre creux parcourus intérieurement par un fluide caloporteur. c) Troisime dispositif. Ce dispositif a pour but de produire,dans un réacteur nucléaire fonctionnant par fission en chatne des noyaux atomiques lourds et à neutrons rapides des réactions nucléaires supplémentairea d'appoint par éjection, sous l'impact des neutrons rapides, de noyaux d'hydrogène, sous quelque Torme isotopique que ce soit, et réaction de ces derniers noyaux sur le lthium et notoment 7 Li.Le schéma de principe reste celui de la figure 2, les différences étant:: Ole fluide(22) est caloporteur,mais n'est pas modérateur de neutrons, par exemple de l'anhydride carbonique sur les parois telles que(25) du caisson (23) et de ses feuilles d1acier,on dispose une matière riche en isotopes appropriés de l'hydrogène .les couverture et structures extérieures sont adaptées a.un coeur de réacteur à neutrons rapides. d)Quatrième dispositif0 Ce dispositif-n'utilise pas la fission des noyaux atomiques,mais le boubardement du lithium, et notamment de 7Li par des ions d'hyérogène sous quelque forme isotopique,ces ions étant émis par une source de type conventionnel On voit, sur le schéma de principe,coupe longitudinale figure 30 .le caissen 931) en acier, électriquement à la masse et entretenu intérieure ment sous vide poussé vune feuille très mince (32) de lithium jouant le role d'anode énettrice -le caisson peutSévidemment contenir une pluralité de feuilles(32),en alternance avec des feuilles en acier faisant office de eathodes-On a fait adsorber,au préalable aux feuilles (32) des gaz riches en-isotopes appropries de lthydro- gène et donnant des réactions d'appoint .un tube poreux(33) dans lequel est entretenu,par décharge électrique,un plasma d'hydrogène sous quelque forme isotopique,le tube ètant à un potentiel pésitif par rapport à l'anode .une grille(34) à un potentiel positif par rapport au tube et renvoyant les ions vers la feuille 932), quelle que soit la direction dans laquelle ils sertent du tube .une cage de Faraday (35) au potentiel de la feuille de lithium anode et contenant divers organes tels que source de tension pour la grille (34) et le- tube(33),source de décharge électrique ionisaofte,bouteille à hydrogène Le dispositif peut, évidemment, comporter toute structure de protection-reflexion neutronique utile, ainsi qu'un fluide coloporteur circulant autour du caissont) On remarque ce quatrième dispositif, ne mettant en jeu aucun matériau radioactif est particulièrement "propre". Yes dispositifs, objet de l'invention sont utilisables pour la production d'énergie électrique et mécanique à des fins ndustrielles et domestiques. REVENDICATIONS 1. Moyen de production d'énergie électrique et mécanique d'origine nucléaire,appelé également centrale électrique nucléaire caractérisée par le fit que l'énergie produite par les réactions nucléaires est,au moins en partie, directement convertie en énergie électrique continue sous haute tension,le milieu siège des réactions nucléaires (combustible, lithium) étant,pour celà, disposé en feuilles minces jouant le role d'anodes et émettant,lors de réactions nucléaires des ions positifs animés d'une grande énergie cinétique 2.Centrale électrique nucléaire utilisant la fission en channe des noyaux atomiques lourds et à neutrons rapides selon la revendication 1 et caractérisée par le fait qutelle fonctionne en surrégénérateur0 3Centrale électrique nucléaire utilisant la fission en channe des noyaux atomiques lourds et comportant un modérateur, caractérisée par le fait qutelle utilise comme source secondaire d'énergie le lithium,et principalement Li,produisant des réactions nucléaires improprement dites de fusion sous 1' éffet des neutrons et particulièrement des neutrons thermiques. 4.Centrale électrique nucléaire utilisant la fission en chatne des noyaux atomiques lourds et à neutrons rapides et caractérisée par le fait qu' elle comporte, d'une part une ou plusieurs couches de matériau riche en hydrogène sous une ou plusieurs formes isotopiques et libérant des ions hydrogène sous 1' impact des neutrons rapides et,d'autre part,face à ces couches de matériau,du lithium produisant,sous l'éffet de ces ions,des réactions nucléaires, impropre- ment appelées de fusion,utilisées comme source secondaire d'énergie. 5.Centrale électrique nucléaire selon la revendication 3 ou selon la revendication 4 et caractérisée par le fait que le coeur de réacteur où se produit la fission en chatte est conforme à la revendication 1. 6,Centrale électrique nucléaire caractérisée par le fait qu'elle utilise les réactions improprement dites de fusion du lithium,provoquées par le bombardement d'ions de l'hydrogène, sous quelque forme isotopiqùe,ces ions étant éjilis par une source dotions de type classique 7çCentrale électrique nucléaire,soit selon la revendication 3 accompagnée ou non de la revendication 5,soit selon la revendication-4 accompagnée ou non de la revendication 5,soit selon la revendication 6 et caractérisée par le fait que les réactions nucléaires produites sur les feuilles de lithium sont exploitées conformement à la revendication 1. 8.Centrale électrique nucléaire,soit selon la revendication 3 accompagnée- ou non de la revendieation 5,soit selon la revendication 4 accompagnée ou non de la revendication 5,soit selon la revendication 6,que cette centrale utilisée ou non la revendication 7 et caractérisée par le fait que l'on a fait adsorber au lithium de l'hydrogène sous quelque forme isotopique et chimiqueten vue de lui faire produire,en appoint d'énergie,des réactions nucléaires de stricte fusion. 9.Centrale électrique nucléaire selon la revendication t et,eventuellement les revendications 5 et 7,et caractérisée par le fait que Il énergie nu- cleaire non directement eonvertie en énergie électrique peut entre évacuée par par an fluide caloporteur et utilisée comme source thermique d'nergie, ce fluide caloporteur pouvant, éventuellement, jouer, en outre,le role de modérateur