Brevet FR2298163A1 — publié le 19760813

l'invention concerne un système de réacteur nucléaire comprenant un réacteur, de préférence du type à neutrons rapides qui comporte un coeur de combustible nucléaire fonctionnant avec des neutrons rapides, le coeur étant entouré d'une couche fertile, le coeur et la couche fertile (couche de régénération) étant placés à l'intérieur d'un caisson de réacteur. Ce caisson de réacteur est mini de raccordements d'avec née et d'évacuatior destinés à un refroidisseur, le sodium liquide dans le cas considéré, qui refroidit aussi bien le coeur que la couche fertile à l'intérieur du caisson de réacteur. L'écoulement de refroidisseur se divise dans la zone de fond du caisson, le plus grand courant partiel traverse le coeur du réacteur rapide, y compris les zones fertiles disposées aux extrémités supérieure et inférieure tandis que l'autre courant partiel traverse la couche fertile radiale. la couche fertile radiale est ici par définition une zone qui est placée latéralement sous la forme d'urne couverture autour du coeur. les deux régions sont parcourues par des courants ascendants.La couche fertile est composée d'éléments placés côte à c8te et nninis chacun d'une gaine. les éléments de cette couche sont recouverts à leur extrémité supérieure par des couvercles, aussi appelés parois terminales, tandis que des ouvertures de sortie sont prévues sur les c8tés de l'extrémité de sortie de ces éléments. Les éléments susdits sont disposés de façon interchangeable. Des espacements sont en outre prévus entre ces éléments et permettent dans certaines conditions l'établissement d'un écoulement de fuite entre la couche fertile et le dôme supérieur. Or le courant partiel qui traverse la couche fertile radiale ne se mélange pas dans le dme supérieur au courant partiel qui traverse le coeurS à l'exception de l'écoulement de fuite, mais se mélange à 1 'écoulement total de refroidisseur qui est amené au réacteur. Cela entrée une élévation de la température à l'entrée du coeur et de la couche fertile. Etant donné cette constation, les restrictions de débit massique qui se produisent normalement au pied des éléments de la couche fertile sont devenues superflues. Cela présente l'avantage de dissiper la chaleur de désintégration car on peut maintenir un écoulement suffisant de refroidisseur a' travers la couche fertile étant donné l'absence de restrictions de débit massique dans le pied des éléments susdits. Le rendement thermohydraulique du système de réacteur est ainsi plus avantageux puisqu'il ne se produit aucun mélange entre le courant partiel relativement froid venant de la couche fertile radiale et l'écoulement partiel relativement chaud venant du coeur. Cela permet aussi de concevoir un réacteur ayant une plus haute température de sortie qu'il n'était usuel antérieu rement.Un autre avantage est que l'on peut concevoir un réacteur permettant d'atteindre une plus basse température maximale de la gaine tout en maintenant la température primitive de sortie, de sorte que l'on peut obtenir une plus longue période effective des cartouches de combustible. Selon un mode d'exécution préférentiel, le mélange s'effectue dans au moins un éjecteur qui utilise comme agent d'impulsion 11 écoulement de refroidisseur amené au caisson de réacteur et qui sert à aspirer le refroidisseur venant de la couche fertile radiale. Toutefois, il est possible aussi que le mélange se fasse avant une pompe rotative, par exemple une pompe centrifuge, ou encore, on peut utiliser un coupleur de débit. On peut dans tous les cas rendre réglable l'écoulement de recyclage, comme on l'expliquera ci-après, de sorte que l'on peut maintenir dans toutes les conditions un écoulement désiré de refroidisseur à travers la couche fertile. On obtient un mode d'exécution particulièrement avantageux en disposant à l'intérieur du caisson de réacteur un ou plusieurs dispositifs de refroidissement par immersion qui peuvent servir à dissiper la chaleur-de désintégration et en même temps, dans les conditions normales, à fournir de la chaleur à l'agent de fonctionnement du circuit d'énergie éventuel. Cet apport de chaleur peut donc servir à réchauffeur l'agent de fonctionnement, à chauffer davantage l'eau d'alimentation entre con denseur et génJrateur de vapeur ou à engendrer un supplément d'énergie électrique0 On peut le faire, par exemple, au moyen d'une turbine séparée. Après un arrêt d'urgence du réacteur, il est imDor- tant d'entretenir une circulation de refroidissement par thermosiphon de façon que le dispositif de refroidissement par immersion favorise fortement la circulation dans l'écoulement descendant à travers tout l'éjecteur, en direction du dôme in férieur du réacteur Ce dernier mode d'exécution peut aussi s'appliquer avantageusement à d'autres réacteurs ; autrement dit, la surrégénrfflration n'est pas strictement nécessaire et il best pas nécessaire non plus que le réacteur soit limité au type à neutrons rapides. On expliquera maintenant quelques exemples d'exécution de l'invention à propos des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe verticale schématique d'un réacteur selon l'invention - la figure 2 est une perspective du haut de plusieurs éléments d'une couche fertile disposée en rangée serrée autour du coeur - la figure 3 est un schéma montrant le recyclage au moyen d'une pompe centrifuge - la figure 4 est un schéma de recyclage au moyen d'un coupleur de débit - la figure 5 est une représentation schématioue en coupe verticale de la moiti droite d'un caisson de r acteur contenant un dispositif de refroidissement par immersion ; ; - la figure 6 est un schéma d'utilisation de la chaleur provenant du ou des dispositifs de refroidissement par irersion pour un préchauffage supplémentaire de l'eau d ' ali- mentation. Sur la figure 1, la référence 1 indique le caisson de r acteur à l'intorieur duquel est placé un coeur de réacteur 2. Au-dessus et en dessous de ce coeur se trouvent respectivement les zones de surrégénération 3 et 4. Une couche fertile 5, composée d'éléments 6, est disposée sous la forme d'une rangée fermée autour du coeur0 les éléments contenus dans le coeur du réacteur et dans les zones 3 et 4 ne sont pas indiqués davantage.Toutefois, on a indiqué schématiquement que plusieurs élé ment s de commande 7 peuvent entrer en action depuis un poste de commande 8 de manière à influencer l'économie des neutrons dans le coeur et la couche fertile. lies barres de commande pénètrent en réalité dans le coeur 2, du haut en bas, mais cela n'est pas indiqué en détail. Tous les éléments du coeur et de la couche fertile sont montés sur une grille 9 qui laisse passer l'écoulement de refroidisseur venant d'en bas. Une paroi 10 sépare la majeure partie des éléments fertiles 6 de la cavité de refroidissement 12 située sur le côté du coeur. Deux parois 31 et 32 limitent une cavité 33. Ces parois entourent la partie supérieure de la couche fertile 5. la cavité 33 communique d'une part avec des ouvertures 26 des éléments 6 et d'autre part avec la tuyère d'aspiration 35 de l'éjecteur 14, 15. Le dôme supérieur 34 se trouve au-dessus de la paroi 31. le refroidisseur entre dans le caisson de réacteur en 13 et traverse alors la tuyère 14 de l'éjecteur où il aspire de l'agent 16 de la partie supérieure de la couche fertile 5. les deux agents se mélangent dans le réceptacle coni- que 17 de l'éjecteur puis s'écoulent par le col de celui-ci et quittent l'éjecteur par le diffuseur 18. le mélange atteint ensuite le dôme 19 où il se divise en deux branches. Une partie s1 écoule de bas en haut par le parcours 20, 21 à travers le coeur du réacteur et les zones de surrégénération 3 et 4 puis quitte le caisson par le parcours 22, L' la sortie 23. Une au- tre partie s'écoule vers le haut suivant les flèches 24 et 25, refroidissant ainsi la couche fertile 5 placée autour du coeur sous la forme d'une rangée ferrée.Dans le haut des éléments de la couche sont prévues des ouvertures latérales 26 à traiteras lesquelles le refroidisseur peut sortir sur le câté de sorte qu'il peut atteinre à nouveau l'éJecteur 14, 15. Un seul éjecteur est représenté sur la figure 1 mais en r alit , plusieurs de ces éjecteurs peuvent entre disposés en rangée ferme autour du coeur. Ia référence 29 indique les interstices ouverts ménagés entre les éléttients 6. Ces interstices jouent un rible important en cas d'arrêt d'urgence du réacteur, quand les pompes du système de refroidissement risquent de ne pas fonctionner de sorte qu'il faut avoir recours au refroidissement par circulation naturelle pour le refroidissement com plémentaire du réacteur.Cela est possible parce qu'en pareil cas, il règne des conditions spéciales dans lesquelles, en pourcentage, la chaleur résiduelle engendrée dans un élément de couche fertile est trois fois plus grande que dans un élé- ment de coeur. Il est donc absolument nécessaire que la couche fertile, spécialement, soit ef-ficacement refroidie en pareil cas Si l'on veut empêcher l'ébullition du refroidisseur. La circulation naturelle se fait par un circuit extérieur et un circuit intérieur. lie parcours du circuit extérieur comprend la couche fertile 5 et les interstices 29. le refroidisseur sort suivant les flèches 30, s'écoule à travers le raccordement d'évacuation 23 et le circuit extérieur d'échange thermique (non représenté) et revient au raccord d'entrée 13oû il recommence à s'écouler à travers le coeur 2, la couche fertile 5 etc.. Le circuit intérieur de la circulation naturelle passe aussi par la couche fertile 5 mais cette fois, par les ouvertures 26 et l'éjecteur 14, 15 pour revenir à la couche fertile 5 suivant les flèches 24 et 25t Le ou les éjecteurs peuvent être de dimensions telles que, dans l'état normal du réacteur, les pressions de part et d'autre des interstices mentionnés aient la même grandeur, de façon qu'il ne se produise pas, en pareil cas, d'écoulement interne de fuite. La figure 2 est une perspective schématique de l'ex- trémité supérieure de plusieurs éléments de la couche fertile 5. Chaque élément 6 est fermé en haut par une paroi terminale 27 de sorte que l'écoulement de refroidisseur est forcé de sortir latéralement par les ouvertures 26. La référence 28 désigne deux éléments combustibles du coeur 2. lies interstices ménagés entre les parois terminales 27 portent la référence 29. Si nécessaire, il est possible aussi de prévoir dans plusieurs parois terminales des ouvertures supplénentaires Il qui jouent un rôle similaire aux interstices 29. La figure 3 montre schématiquement comment l'écoulement principal partant du dôme supérieur 34 est amené à la pompe 37 qui refoule alors cet agent primaire, à travers l'échangeur thermique 38, vers le tuyau 39. Ce dernier tuyau rejoint en 40 le courant de refroidisseur venant de la couche fertile 5 et qui a passé à l'extérieur et autour du caisson par le tuyau 41 comportant un obturateur42 et une pompe 43. La figure 4 montre de façon simple comment on peut utiliser un coupleur de débit 45 au lieu d'une pompe 43. C'est un élément qui, utilisant un champ magnétique commun induit par les enroulements magnétiques 45, couple le débit qui passe par les tuyaux 41 et 39 de façon telle que, s'il existe un écoulement dans l'un de ces tuyaux, l'écoulement de l'autre tuyau suive automatiquement0 De tels coupleurs de débit peuvent être conçus de manière à maintenir un rapport désiré entre le débit massique du tuyau 39 et celui du tuyau 41. La figure 5 montre, en une coupe verticale schématique de la moitié du caisson de réacteur, comment un dispositif de refroidissement par immersion 47 peut eAtre placé dans l'espace- ment, sur le c8té du coeur du réacteur. Dans le mode d'exécution représenté, le dispositif de refroidissement par immersion est conçu sous la forme d'un serpentin hélicoSdal prévu autour de la tuyère 14 de ltézecteur. le dispositif de refroidissement par immersion peut aussi constituer une unité séparée disposée au-dessus de l'éjecteur. Un courant de refroidisseur est amené à ce serpentin par le tuyau 48 et évacué par le tuyau 49. Sur le côté de la couche fertile 5 est disposée une cloison 50 qui se prolonge par la cloison 51 dans l'extrémité supérieure du d8me supérieur 34. l'espacement qui reste ainsi entre la cloison 51 et la paroi extérieure 52 du caisson du réacteur est fermé à l'extrémité supérieure par une plaque annulaire 53, ce qui donne une chambre 54 servant à alimenter les éjecteurs. l'écoulement total de refroidisseur est amené à cette chambre par le tuyau 13 et le courant de refroidisseur chauffé est retiré du dôme supérieur 34 par le tuyau 23. Juste en dessous du couvercle 56 de la couche fertile 5 est prévu, dans la cloison 50, un passage 55. Le courant de refroidisseur, poussé à travers la couche fertile 5, peut atteindre par cette ouverture itespacement 77 ménagé entre la cloison 51 et une enveloppe 57 disposée autour du coeur du réacteur. L'écoulement de refroidisseur venant de la couche fertile est ainsi envoyé vers le haut à travers l'espacement 77 puis se renverse dans l'espacement 58 de manière à s'écouler vers le bas le long des spires du dispositif de refroidissement par immersion 47. De la chaleur est dissipée en cet endroit, puis cet écoulement se mélange, dans l'éjecteur 15, à l'écoulement principal et-atteint ainsi à nouveau le dôme inférieur 19. Dans les conditions normales, les tuyaux 48 et 4 peuvent être reliés à un ou plusieurs échangeurs thermiques qui ont pour rôle de réchauffer l'agent de fonctionnement, d'engendrer un supplément d'énergie électrique ou d'assurer un préchauffage supplémentaire de l'eau d'alimentation. Cette dernière possibilité est expliquée davantage, à titre d'exemple, à propos de la figure 6. Cette figure montre schématiquement, le réacteur nucléaire muni du tuyau d'amenée 13 et du tuyau d'évacuation 23 destinés au courant principal de refroidisseur. Les références 48 et 49 indiquent à nouveau les tuyaux d'amenée et d'éva- cuation adjoints aux dispositifs de refroidissement par immersion placés à l'intérieur du caisson de réacteur. Dans les conditions normales, les valves a'arrêt 59 et 60 sont fermées tandis que les valves d'arrêt 61 et 62 sont ouvertes. La pompe 63 peut ainsi fournir de la chaleur venant des dispositifs de refroidissezent par imnersion à un échangeur thermique 64 disposé au-delà d'un échangeur thermique 65 qui agit au moyen de vapeur d'eau 67 extraite de la turbine à vapeur 68. Sur ce schéma, la référence 66 indique en outre une pompe à eau d'alimentation et 69 une pompe à condensat, tandis que 70 est le condenseur, 71 le générateur électrique et 72 lléchangeur de chaleur où la chaleur venant du circuit primaire 73 est transmise au circuit secondaire 74. Quand un arrêt d'urgence a eu lieu, on ouvre les valves d'arrêt 59 et 60 puis on ferme les valves 61 et 6g. La pom pe 63 refoule alors le refroidisseur du circuit 48, 49 a' travers un dispositif de refroidissement qui dissipe la chaleur de désintégration à l'aide d'un refroidisseur 76 dont les détails ne sont pas indiqués. REVE3DIDAtIONS 1) abstème de réacteur nucléaire comprenant un réacteur nucléaire de préférence du type à neutrons rapides qui comporte un coeur de combustible nucléaire fonctionnant avec des neutrons rapides, le coeur étant entouré d'une couche fertile, le coeur et la couche fertile étant placés à l'intérieur d'un caisson de réacteur qui est muni de raccordements d'amenée et d'évacuation destinés à un refroidisseur, de préférence le sodium liquide, qui refroidit l'intérieur du caisson de réacteur, l'écoulement de refroidisseur se divisant en deux courants séparés, un courant partiel dit courant de refroidisse- ment de surrégénérateur qui traverse seulement la couche fertile et un autre courant partiel qui traverse le coeur1 système caractérisé par le fait que 1 'écoulement de refroidisseur sort par ltestrémité d'écoulement de la partie de la couche fertile qui est disposée autour du coeur pour arriver à l'écoulement de refroidissement d'entrée du coeur et se mélanger à cet écoulement. 2) Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le mélange-se fait à l'aide d'une pompe. 3) Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la pompe est sous la forme d'au moins un éjecteur fonctionnant avec l'écoulement de refroidisseur amené au caisson et qui aspire le refroidisseur de la couche fertile. 4) Système selon la revendication2, caractérisé par le fait que la pompe est sous la forme d'une pompe électroma gnétique. 5) Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la pompe est sous la forme d'un coupleur de débit qui couple l'écoulement principal de refroidisseur à l'écoule- ment de surrégénérateur. 6) Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'éjecteur est de dImension telle que l'écoulement de recyclage traversant la couche fertile a la grandeur voulue pour qu'une quantité suffisante de refroidisseur traverse la couche fertile dans toutes les conditions de fonctionnement. 7) Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il présente, avec un écoulement de recyclage réglable, des dimensions telles que le débit massique désiré à la traversée de la couche fertile soit atteint dans toutes les conditions normales et anormales de fonctionnement, y compris en cas d'arret d'urgence du réacteur. 8) Système selpn la revendication I dans lequel la couche fertile est composée d'éléments placés côte à côte et munis chacun d'une gaine, système caractérisé par le fait que des ouvertures d'évacuation sont prévues dans la gaine près de l'extrémité d'écoulement et communiquent avec le côté d'as -piration de l'éjecteur. 9) Système selon la revendication 8, caractérisé par la fait que dans l'extrémité supérieure de la couche fertile sont prévus des passages qui communiquent avec le raccordement d'évacuation du caisson. 10) Système selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'un élément fertile est couvert d'une paroi termina leO 11) Système selon la revendication 8, caractérisé par le fait que des interstices sont prévus entre éléments fertiles près de l'extrémité d'écoulement. 12) Système selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'une ouverture est prévue dans une paroi terminale d'un élément fertile. 13) Système selon l'une des revendications Il et 12, caractérisé par le fait que l'éjecteur a des dimensions telles qu'en service normal, les pressions de part et d'autre des interstices ou des ouvertures sont égales de sorte qu'aucun écoulement de refroidisseur ne les traverse. 14) Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la division des courants de refroidissement a lieu dans un dôme situé en dessous du coeur. 15) Systeme selon la revendication 1, muni d'un circuit secondaire générateur d'énergie et caractérisé par le fait que le calisson loge à l'endroit du coeur au moins un dis positif de refroi issement par il version dont le faisceau de refroidissemen' est relié de façon réversible à un échangeur thermique prévu dans le circuit secondaire et recevant de la chaleur. 16) Systeme de réacteur nucléaire comprenant un réacteur nucléaire muni d'un coeur placé à l'intérieur d'un caisson de réacteur muni de raccordements d'amenée et d'évacuation des tinWs à un écoulement primaire de refroidisseur qui refroidit l'intérieur du caisson, système muni d'un circuit secondaire d'agent de fenctionnebent engendrant de l'énergie et caractérisé par le fait que du côté du coeur, le caisson du réacteur loge au moins un dispositif de refroidissement par immersion dont le faisceau est relié de façon réversible à un échangeur thermique prévu dans le circuit secondaire et recevant de la chaleur0