Brevet FR2310611A1 — publié le 19761203

La présente invention concerne les reacteurs nucléa > - res, dits à sels fondus, dont le matériau combustible est cons titué par un sel ou un mélange de sels d'éléments fissiles (éventuellement additionné d'autres sels destinés à abaisser la température de fusion de la nasse ansi constitues, que la chaleur dégagée par les fissions maintient à l'état fondu. On a déjà proposé de nombreux types de réacteurs à sels fondus : on pourra notamment se reporter à la description de tels réacteurs donne dans l'article intitulé "tes rédacteurs à sels fondus" par M. GRENON et J.J. GEIST, Energie Nucléaire, vol.13, n 2, mars 1971. te matériau combustible est en général constitué par un ou des halogénures d'éléments fissiles auxquels on peut ajouter un halogénure d'élément fertile . On a notamment envisagé l'emploi des fluorures d'uranium et/ou de plutonium, seuls ou associés au fluorure de thorium. Ces fluorures sont avantageusement dissous dans un fluorure d'un élément non fissile ou fertile, choisi pour abaisser le point de fusion de la masse de sels fondus et sa tension de vapeur. On a notamment envisagé l'emploi de fluorures de lithium-7 et de bérn11ium. Dans les réacteurs proposés jusqu'ici, qu'ils soient à neutrons rapides ou à neutrons thermiques,qu'ils comportent ou nondes sels dtun élément fertile, qu'ils soient ou non à extraction continue des produits de fission, le mélange de sels constitue non seulement le coeur du réacteur, mais aussi le fluide caloporteur liquide servant à l'extraction de la chaleur dégagée dans le coeur. Le mélange de sels est mis en circulation continue dans une boucle d'échange thermique qui comporte un échangeur de chaleur entre ce mélange et un caloporteur secondaire, formant tampon, constitué en général par un autre sel fondu tel que le fluoborate de lithium. Ce caloporteur secondaire parcourt une seconde boucle comportant un second échangeur, dans laquelle il cède sa chaleur.Le second échangeur sera un générateur de vapeur dans le cas d'un réacteur de centrale de production d'énergie. Les réacteurs de ce genre permettent d'atteindre des températures élevées du mélange de sels à l'entrée de ltéchan- geur de cha-leur primaire, entre 600 C et 1300 au environ à l'heu re -actuelle. En contrepartie, ils ont divers inconvénients. En'particuiier, le fait que la boucle primaire d'échange ther mique est parcourue par un mélange contenant les sels de matériau fissile se traduit par une augmentation de la masse de produits fissiles à prévoir dans le réacteur et par la présence permanente de produits à très haute activité dans ltéchangeur primaire. La présente invention vise à fournir un réacteur nucléaire à sels fondus répondant mieux que les réacteurs antérieurs aux exigences de la pratique, notamment en ce que les inconvénients ci-dessus y sont: écartés, au moins dans une large mesure. Dans ce but, l'invention propose notamment un réacteur nucléaire à sels fondus, dont le coeur comprend une masse d'au moins un sel d'élément fissile éventuellement additionné d'autres sels destinés à abaisser la température de fusion de la masse, caractérisé en ce que ladite masse contient également une substance à faible section de capture neutronique, ne donnant pas naissance à une réaction chimique ou à un azéotrope avec lesdits sels, présentant un point d'ébullition à pression atmosphérique inférieur à la température de ladite masse en fonctionnement, et en ce que des moyens sont prévus pour collecter ladite substance à l'état de vapeur, la condenser sur un échangeur de chaleur primaire et la retourner à l'état liquide à ladite masse La nature de la substance choisie dépendra de celle des sels fondus (sels d'éléments fissiles et sels éventuels d'abaissement de la température de fusion). Dans la pratique, la substance choisie aura-un point d'ébullition à pression atmosphérique compris entre 600 et i 3000C et un point de fusion suffisamment inférieur à 600ex pour éviter les solidifications et bouchages dans le circuit- de retour de ladite substance depuis l'échangeur. Il est évidemment préférable d'utiliser une substance qui, à la température de fonctionnement du coeur, n'ait pas une tension de saturation excessive, de façon à éviter la nécessité d'un caisson de résistance à la pression. Parmi les matériaux dont l'emploi peut être envisagé, on peut notamment citer divers éléments, dont le magnésium, dont la température d'ébullition a la pression atmosphérique est de 11030 C et la température dé fusion de 651 0C.On peut également envisager le rubidium (tue = 6880C; tf = 39 C), le césium (t = 705 C; e = 28 C), et le potassium (t = 760 C; t = 63 C).I8 magnésium f- métallique n'est toutefois pas utilisable dans le cl$ de nombreux sels fissiles, tels que les fluorures, qu'il réduirait aux températures de fonctionnement prévues.De façon plus générale,l'élément choisi dit évidemment être non réactif avec le cons tituants de la masse de sels à la tempéraçure de ftnctionnerent. On peut étalement envisager de constituer ladite sus- tance par un sel, tl notamment qu'un fluorure parmi ceux qui ont une stabiiité élevée et un point d'ébullition relativement bas. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des cription qui suit d'un réacteur qui en constitue un mode parti culier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne et montre, de façon extrêmement schématique, ceux des composants principaux d'un réacteur qui sont concernés par la présente in vention.Le réacteur à sels fondus schématiquement représenté sur la figure unique,en coupe suivant un plan vertical,comporte, à l'intérieur d'une enceinte de protection biologique non repré sentée, une cuve étanche 10 suspendue à une dalle de fermeture 26. La partie inférieure de cette cuve est occupée par la masse de sels fondus 11 séparée par une cloison 12 munie d'ouvertures de circulation 13 en une partie interne 14 constituant le coeur proprement dit du réacteur et une partie externe. Le coeur peut comporter un réflecteur 15 en matériau modérateur et un écran de protection neutronique supérieur 16 délimitant des chicanes 17. La masse il comporte, en plus d'un mélange d'un sel d'é lément fissile et d'un sel destiné à réduire la température de fusion du bain, une substance destinée à- constituer caloporteur. On supposera par exemple que cette substance est constituée par le magnésium. Pour tenir compte de l'inflammabilité élevée du magnésium, il est souhaitable de maintenir la cuve 10 en légère surpression (2,2 bars par exemple), pour éviter les cnLrces d'air. A cette pression, le magne'siu Fout à 1200 C. La boucle primaire de circulation du magnésium constitu ant le caloporteur du réacteur comporte un espace 18 de collec tion et des canaux 1S dans lesquels sont disposés les échangeurs thermiques 20 dans lesquels le magnésium se condense avant de revenir en phase liquide vers la masse de sels fondus. Le calo porteur secondaire (fluoborate de lithium par exemple) est mis en circulation dans une seconde boucle comportant des généra teurs de vapeur 21 par des organes de circulation, tels que des pompes 22.Un dispositif de régulation de température évite au magnésium d'atteindre à la sortie de lgéchanceur une temné-atui-e inférieure à 700 C environ, pour éviter les risques de reor a l'état solide. Le magnésium présente l'aventage d'une cnaleur de vaporisation élevée,(environ 1337 cal/.! qui permet de transférer un flux thermique important avec un débit modéré, 476kg/sec. (environ 320 litres de magnésium liquide par seconde) pour transEérer 300C math. Le réacteur illustré est du type dit à échangeurs thermi- ques intégrés à l'intérieur de la cuve 10. Ces échangeurs pourraient aussi bien être placés dans des enceintes distinctes de la cuve 10,reliées à celle-ci par des canalisations de grand diamètre, suivant une disposition géométrique comparable à celle des réacteurs nucléaires à eau bouillante. Le magnésium est avantageusement mis en circulation forcée pr des organes qui peuvent par exemple être des éjecteursdiffuseurs places dans des ouvertures 23 reliait l'espace de collection 18 aux canaux 19 des échangeurs 20. La puissance du réacteur peut être réglée ae façon classique à l'aide de barres de commande, On peut également modifier la quantité de sels de matériau Fissile occupant le coeur du re- acteur, par exemple par transfert entre la cuve11 et un -servoir de stokage sous critique 24 muni ce moyens de chauffage évitant la soli dification des sels. La partie haute de ce réservoir est munie d'une conduite 25 permettant d'exercer une pression aJustable sur la surface libre du liquide et donc de commander le transfert. Le fonctionnement du réacteur ressort immédiatement de la description qui précède : la réaction en chaîne qui se produit dans la masse de sels 14 constituant le coeur du réacteur vaporise le magnésium qui y est contenu. Le magnésium en orage viveur s'échappe vers l'espace 18 d'où des organes de circulation l'envoient sur les échangeurs 20 où il se condense. Le magnésium en phase liquide revient au bain dans une zone de celui-ci où règne une température inférieure N celle du coeur, par exemple parce que les conditions qui y règnent ne permettent pas l'entre- tien de la réaction en chaînez Le magnésium est ramené par brassage de la masse de sels dans le coeur ou il s'évapore de nouveau. REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire à sels fondus, dont le coeur comprend une masse d'au moins un sel élément fissile, éventuellement additionné d'autres sels destinés à abaisser la température de fusion de la masse, caractérisé en ce que ladite masse contient également une substance à faible section de capture neutronique, ne donnant pas naissance à une réaction chimique ou à un azéotrope avec lesdits sels, présentant un point d'ébullition à pression atmosphérique supérieur à la température de la masse lors du fonctionnement du réacteur, et en ce que des moyens sont prévus pour collecter ladite substance à l'état de vapeur au-dessus de la masse, pour la condenser sur l'échangeur de chaleur primaire et pour la retourner à l'état liquide à ladite masse. 2. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite substance est constituée par du magnésium, du rubidium, du césium ou du potassium. 3. Réacteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite masse est placée dans une cuve qui contient également l'échangeur de chaleur primaire. 4. Réacteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle secondaire d'échanges thermiques, parcourue par un caloporteur secondaire, comprenant ledit échangeur primaire et un générateur de vapeur.