Brevet FR2290003A1 — publié le 19760528

La présente invention a pour objet un réacteur nucléaire calogène a liquide organique. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un réacteur nucléaire utilisant comme fluide primaire de refroidissement et en partie éventuellement comme modérateur un liquide organique, ce réacteur étant utilisé pour fournir de la vapeur ou de liteau surchauffée ou même de l'elec- tricité. Ce réacteur peut s'appliquer également pour le dessalement. On sait qu'habituellement, les réacteurs nucale aires sont utilisés pour produire directement ou indirectement avec une puissance très importante, par exemple de l'ordre de 1000 MW électrique, de la vapeur pour alimenter les turbines qui entraînent elles-mêmes un alternateur fournissant-de l'éner- gie électrique. La présente invention concerne plus particulièrement un réacteur nucléaire de faible puissance par exemple de tordre de 20 à 60 MW thermiques capable de fournir de l'eau surchauffée ou de la vapeur à des températures de l'ordre de 2000C utilisable par exemple pour le chauffage industriel. Afin de diminuer les investissements et de permettre une utilisation la plus aisée possible, ces réacteurs de faible puissance ne doivent pas nécessiter des moyens de manutention importants pour des opérations de chargement et de déchargement du coeur, et plus généralement ils ne doivent nécessiter que le minimum d'installations annexes. Or on sait que dans le cas des réacteurs nucléaires à eau pressurisée, il faut des installations relativement importantes, et relativement encombrantes pour effectuer les opérations de chargement et de déchargement du coeur du réacteur. Outre les ensembles de manutention proprement dits, il est le plus souvent nécessaire de prévoir des installations annexes pour le stockage temporaire des assemblages combustibles usés irradiés avant leur évacuation de l'installation (période de décroissance). La présente invention a précisément pour objet un réacteur nucléaire à liquide organique de structure simplifiée qui permet d'effectuer des opérations de chargement et de déchargement de façon très simple. Le réacteur nucléaire calogène, du type à liquide organique se caractérise en ce qu'il comprend une cuve fermée à sa partie supérieure par un bouchon, ladite cuve comportant à sa partie inférieure un coeur constitué d'éléments combustibles, en ce que la région inférieure de ladite cuve est remplie d'un liquide organique avec éventuellement un modérateur en graphite complementaire, en ce que ladite région inférieure est surmontée par une région médiane remplie d'un gaz inerte, en ce que ledit bouchon comporte une partie supérieure formant couvercle et prenant appui par sa périphérie sur ladite cuve, et une partie inférieure fixée en-dessous dudit couvercle, constituée par un réservoir cylindrique rempli par du liquide organique, la hauteur dudit réservoir cylindrique augmentée de la hauteur du liquide organique contenu dans la région inférieure de la cuve, étant suffisante pour assurer la protection biologique. De préférence, le réservoir cylindrique a sensiblement le même volume que la région occupée par le gaz inerte et ledit réservoir comporte des moyens pour déverser la totalité du liquide organique supérieur contenu dans le bouchon à l'inté- rieur de la cuve. Par ailleurs, le réacteur comprend au moins un circuit de refroidissement comportant un échangeur thermique et une pompe pour prélever ledit liquide organique à la partie inférieure du coeur et pour réinjecter du liquide organique dans la région remplie de gaz inerte sous forme pulvérisée. Selon une autre caractéristique, le réacteur comprend à l'interieur de la cuve des emplacements de stockage des assemblages combustibles usés, lesdits emplacements étant entièrement noyés dans le liquide organique contenu dans la partie inférieure de la cuve. Le liquide organique supérieur remplissant le réservoir du bouchon peut être transparent. La présente invention concerne également un procédé de rechargement en combustible nucléaire du réacteur nucléaire décrit précédemment qui se caractérise en ce qu'après l'arrêt du réacteur on déverse dans la cuve du réacteur le liquide organique transparent contenu dans le bouchon-, dans des conditions telles que celui-ci ne se mélange pas avec le liquide organique opaque déjà contenu dans la cuve et en ce qu'on vidange ledit liquide organique opaque. De toute façon l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, une vue en coupe et en éléva- tion, d'un réacteur nucléaire selon l'invention, - sur la figure 2, un schéma montrant les circuits de refroidissement et les circuits auxiliaires. On sait que l'utilisation de liquidés s organiques dans les réacteurs nucléaires pose des problèmes spécifiques qui ne se rencontrent pas avec les réacteurs à eau ou les réacteurs utilisant comme liquide primaire un métal liquide tel que le sodium. En effet, les liquides organiques généralement utilisés présentent un certain taux de décomposition sous l'action de la température et sous l'action du flux neutronique et gamma. On peut dire que l'on a essentiellement des. composés lourds, des composés légers et des composés gazeux qui se forment à partir du liquide organique. Pour le bon fonctionnement du réacteur, il est nécessaire de contrôler la dégradation du liquide organique en diminuant la teneur des produits décom- posés à l'intérieur de la cuve du réacteur. En particulier, les composés lourds peuvent provoquer un encrassement des éléments combustibles qui peut amener éventuellement une dégradation des échanges thermiques. Comme on le voit sur la figure 1, le réacteur proprement dit est placé à l'intérieur d'une enceinte qui comprend essentiellement un caisson bétonné enterré constitué par un socle 2 et une paroi cylindrique latérale 4. A l'intérieur de ce caisson, on trouve une épaisseur de protection biologique 6, constitué par un remplissage de blocs ou matériau granuleux approprié. A l'intérieur de la protection 6, on trouve une fosse cylindrique 8 à axe vertical. De préférence, cette fosse 8 comporte dans sa partie inférieure (qui correspond comme on le verra au coeur du réacteur) un écran thermique 10 cylindrique. A l'intérieur de la fosse 8 est placée la cuve 12 du réacteur. Celle-ci est par exemple réalisée de façon connue soit en aluminium, soit en acier. Ellè comporte à sa partie supérieure une bride 14, coopérant avec une portée 16, ménagée dans la protec tion 6. A sa partie inférieure la cuve 12 est supportée par des pieds tels que 18. Comme on le remarque à sa partie inférieure, la cuve présente un diamètre réduit. A la partie inférieure de la cuve 12, on trouve le coeur du réacteur 20. Ce coeur est constitué d'éléments combustibles tels que 22. De préférence, ces éléments combustibles sont fixés dans une grille semblable à celle d'une pile piscine. Cette grille est bien sûr supportée par une structure solidaire de la cuve 12. I1 peut également comporter des éléments modérateurs solides. A sa partie inférieure, la cuve 12 comporte une canalisation 24 d'évacuation du liquide organique. Le liquide organique est maintenu à un niveau représenté par la ligne 26 en pointillés. La cuve 12 du réacteur est fermée par un bouchon 28. Ce bouchon 28 comprend une première partie constituant un couvercle 30 qui repose par sa périphérie par exemple sur la bride 14 de la cuve. Le bouchon 28 comprend par ailleurs, un réservoir cylindrique 32, fixé en dessous du couvercle 30 et comportant un fond 34. Le bouchon 28 est muni d'une vanne 35 permettant de déverser dans la cuve 12 le liquide organique contenu dans le réservoir 32. Ce réservoir 32 a sensiblement le même diamètre intérieur que la cuve 12.Le réservoir 32 est rempli en période de fonctionnement normal du réacteur par un liquide organique. le réacteur comporte en outre bien sur de façon connue, des barres de contrôle prolongées par des tiges de commande 36 qui traversent le bouchon 28 par des fourreaux non représentes. Ces barres de contrôle sont actionnées par des méca- nismes 38 supportés par exemple par des potences 40. A I'intérieur de la cuve 12, on trouve également des emplacements de stockage des assemblages combustibles usés 42. Ces emplacements de stockage sont constitués par exemple par des alvéoles 44 pouvant verrouiller les éléments combustibles et-un fond 46. Ces emplacements 42 sont situés dans la partie la plus large de la cuve du réacteur et ils sont entièrement noyés dans-le liquide organique, c'est-à-dire qu'ils se trouvent en-dessous de la ligne en pointillés 26. La cuve peut encore comporter un by-pass 50 situé à l'intérieur ou à l'exté- rieur de la cuve permettant la circulation du liquide de refroidissement en -convexion naturelle ou forcée en cas d'arrêt des pompes.A l'intérieur de la cuve 12, entre la surface supérieure du liquide organique 26 et le fond 34 du réservoir 32, on trouve une zone médiane 52 remplie d'un gaz inerte (par exemple de l'azote). Dans cette zone, on trouve la canalisation 54 d'arrivée du liquide organique qui débouche'dans une conduite annulaire 56 comportant des diffuseurs 58 permettant la pulvérisation et le dégazage du liquide dans la zone gazeuse. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement les circuits de fluide de refroidissement. La canalisation 24 est raccordée à-une canalisation 60, comportant un filtre 62, et une pompe principale 64. La canalisation 60 est raccordée à l'entrée du circuit primaire 66 d'un premier échangeur 68. La sortie du circuit 66 est raccordée à la canalisation 54 par la conduite 70. Cet ensemble constitue le circuit primaire principal du réacteur. Dans ce circuit circule- le liquide organique de refroidissement du coeur. Dans l'échangeur 68, le liquide organique cède une partie de ses calories à un premier circuit d'eau constitué par le circuit secondaire 72 du premier échangeur 68 par la canalisation 74 comportant la pompe 76, par le circuit primaire 78 d'un deuxième échangeur 80 et par la conduite 82. Le circuit secondaire 84 du deuxième échangeur 80 constitue le circuit d'utilisation et délivre l'eau surchauffée. Le circuit primaire de refroidissement comporte en dérivation une canalisation 86, amenant une partie du liquide organique vers des détecteurs de rupture de gaine 88 et réinjectant dans la canalisation 70 le liquide après analyse. Ce circuit peut servir également de circuit de refroidissement après arrêt du réacteur et aussi permettre les manoeuvres des différents liquides avant et après les manipulations dans la cuve. A cet effet, ledit circuit comporte les vannes 107, 108 et 109. Comme on l'a indiqué précédemment, il se produit un certaine décomposition du liquide organique qui donne en particulier des composés lourds et légers qu'il est indispensable d'éliminer. Une dérivation sur la canalisation 88 permet d'utiliser ce circuit pour l'usage précité. De plus, on effectue par la canalisation 90 branchée sur la canalisation 70 à la sortie de l'échangeur 68, un soutirage du liquide organique. La canalisation 90 qui comporte une vanne de réglage 92 débouche dans un bac de soutirage 94. Pour maintenir la quantité de liquide organique constante, dans le réacteur on utilise le liquide organique stocké dans un bac d'injection 96. Ce bac est mis en communication avec la canalisation 70, en aval de la canalisation 90, par une canalisation d'injection 98 comportant une pompe 100 et un filtre 102.La vanne 92 et la pompe doseuse 100 sont réglées de telle façon que la quantité de liquide dans le circuit primaire et la cuve du réacteur soit constante. Par ailleurs, le soutirage est réglé de telle façon que le taux de composés lourds demeurant dans le circuit primaire soit compatible avec le bon fonctionnement du réacteur. I1 est très possible d'interposer entre le bac de soutirage 94 et le bac d'injection 96, un ensemble de traitement du liquide organique soutiré représenté schématiquement par le rectangle 104 qui peut être une colonne de distillation permettant de prélever les produits lourds et légers. Après son traitement, le liquide soutiré est introduit dans le bac d'injection. Cela permet de diminuer considérablement la quantité de liquide organique qu'il y aurait à ajouter dans le circuit si l'on n'avait pas cette régénération. I1 faut noter par ailleurs, que les composés gazeux de décomposition du liquide organique sont recueillis dans la zone 52 remplie de gaz inerte tel que de l'azote et traités dans le circuit représenté par la canalisation 106, le rectangle 110 et la canalisation de retour 111 dans la région médiane 52. L'intérêt de ce circuit de traitement est d'éliminer les produits de décomposition légers de façon à récupérer l'azote et à maintenir une pressurisation la plus faible possible dans le réacteur. On va maintenant décrire les opérations nécessaires au rechargement du coeur du réacteur. On sait que ces opérations consistent à enlever dans le coeur du réacteur les éléments combustibles usés et à les remplacer par des éléments combustibles neufs. On commence par fermer les vannes 107, 108 et 109, la partie 52 est dépressurisée. On déverse le liquide organique transparent contenu dans le bouchon sur le liquide opaque. Par différence de densité les deux liquides se séparent, le liquide transparent restant au-dessus du liquide opaque. On déconnecte les barres de contrôle en position basse de leur mécanisme. Le bouchon vide 28 est enlevé. On opère alors le soutirage du liquide décomposé contenu dans la partie basse du réacteur par la canalisation 86.En cours de manoeuvre on complète éventuellement par le même liquide jusqu'à ce que le niveau de celui-ci soit suffisant pour assurer la protection biologique. A la fin de l'opération, le coeur du réacteur est immergé dans une piscine à liquide organique transparent permettant de faire toutes les manutentions comme elles se font sur un réacteur piscine ordinaire. Les éléments combustibles usés sont stokés dans les alvéoles en attendant leur décroissance pour être évacués. En outre, du fait que les emplacements de stockage 42 se trouvent à l'intérieur de la cuve, on peut laisser pendant un cycle de fonctionnement les assemblages combustibles usés à l'intérieur de la cuve, ce qui permet d'attendre leur décroissance avant de les extraire de la cuve. Par ailleurs, les zones de stockage sont bien sûr noyées dans le liquide organique lors du fonctionnement du réacteur pour assurer leur refroidissement. Comme liquide organique incolore, on peut utiliser par exemple le produit commercialisé sous le nom de Gilotherm RD ou ADX 10. Son utilisation en température est de l'ordre de 2500C. On voit donc que le réacteur objet de l'invention répond parfaitement aux conditions d'utilisation définies précédemment. En effet, il permet d'obtenir de liteau surchauffée aux environs de 2000C tout en ayant une installation relativement simple. L'utilisation du liquide organique permet de s'affranchir du problème de pressurisation et il n'est donc pas nécessaire d'avoir à proprement parler un caisson de résistance à la pression puisque celle-ci est de l'ordre de quelques bars. En outre l'avantage essentiel de la conception du réacteur est qu'elle permet d'utiliser du liquide transparent lors des opérations de chargement et de déchargement et d'effectuer les manipulations simples à vue. En outre, le stockage des assemblages usés à l'intérieur même de la cuve simplifie les installations annexes. Enfin, le mode de réalisation général du réacteur selon l'invention fait que l'intégration à l'intérièur d'une seule cuve de la protection biologique, du dégazeur et du stockage ést possible. REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire du type à liquide organique pour la production de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve fermée à sa partie supérieure par un bouchon, ladite cuve comportant à sa partie inférieure un coeur constitué d'éléments combustibles, en ce que la région inférieure de ladite cuve est remplie d'un liquide organique, en ce que ladite région inférieure est surmontée par une région médiane remplie d'un gaz inerte, et en ce que ledit bouchon comporte une partie supérieure formant couvercle et prenant appui par sa périphérie sur ladite cuve, et une partie inférieure fixée en dessous dudit couvercle et constituée par un réservoir cylindrique creux muni d'un fond et rempli par un deuxième liquide organique, ledit fond limitant supérieurement ladite région médiane, la hauteur dudit réservoir cylindrique est telle que, augmentée de la hauteur du premier liquide organique dans la région inférieure et au-dessus du coeur, elle assure la protection biologique. 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réservoir cylindrique a sensiblement le même volume que la région occupée par le gaz inerte et en ce que le réservoir comporte des moyens pour déverser la totalité du liquide organique transparent contenu dans le bouchon sur le liquide décomposé situé autour du coeur. 3. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un circuit de refroidissement comportant un échangeur thermique et une pompe pour prélever ledit liquide à la partie inférieure du coeur et pour en injecter sous forme pulvérisée dans la région de la cuve remplie par le gaz inerte. 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur de la cuve des emplacements de stockage des éléments combustibles usés, lesdits emplacements étant entierement noyés dans ledit premier liquide organique. 5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend dans la région remplie de gaz inerte un ensemble de dégazage. 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le coeur dudit réacteur comporte des éléments modérateurs solides. 7. Procédé de rechargement d'un réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1. à 6 , caractérisé en ce qu'après l'arret du réacteur, on déverse dans la cuve du réacteur le liquide organique transparent contenu dans le bouchon, dans des conditions telles que celui-ci ne se mélange pas avec le liquide organique opaque déjà contenu dans la cuve et en ce qu'on vidange ledit liquide organique opaque.