Brevet FR2296248A1 — publié le 19760723

La présente invention est relative à un réacteur nucléaire où le combustible se présente sous la forme d'un sel fondu et concerne plus particulièrement un agencement du bloc pile d'un tel réacteur, permettant de limiter la longueur du circuit emprunté par le sel fondu à haute température sortant du coeur et de réduire en conséquence les contraintes thermiques et la corrosion chimique des structures métalliques. Les réacteurs à sel combustible fondu sont déjà connus dans la technique. Ces réacteurs utilisent notamment un combustible sous forme liquide porté par la fission nucléaire dans le coeur à une température élevée, de l'ordre de 6000C au moins, ce combustible étant le plus généralement constitué par du fluorure de plutonium ou d'uranium ou encore par un mélange de fluorures d'uranium et de thorium, dissous dans des fluorures de lithium 7 et de béryllium, donnant au mélange un point de fusion relativement bas, une fluidité convenable et une faible tension de vapeur.Les réacteurs de ce genre comportent dans le coeur une masse d'un matériau modérateur approprié tel que du graphite, comprenant des canaux d'écoulement du sel combustible qui échange ensuite les calories acquises à la traversée du coeur dans un échangeur de chaleur primaire, avec un autre sel fondu, dit sel tampon, par exemple du fluoborate de sodium. Ce sel tampon échange à son tour ses calories dans un circuit secondaire, comprenant un générateur de vapeur, cette dernière étant enfin détendue dans une installation de production d'électricité. Les réacteurs de ce genre peuvent fonctionner avec un flux de neutrons d'énergie thermique ou un flux de neutrons rapides selon la composition du sel, sa répartition dans le coeur et la nature du modérateur. Le sel peut être consommé dans le coeur, avec un réajustement périodique de la concentration du combustible, le traitement de celui-ci et en particulier l'extraction des produits de fission n'étant effectué qu'après une période de fonctionnement déterminée. Dans une autre solution, les produits de fission sont retirés en permanence, notamment les produits gazeux, par un procédé de barbotage chimique, avec ajustement concomitant de la concentration du sel combustible.Enfin, dans le cas d'un fonctionnement en réacteur surgenérateur, le sel combustibie est traité de manière à permettre l'extraction en continu du pro actinium 233 par du bismuth liquide, suivie d'une réduction métallique par le thorium et d'un stockage intermédiaire autorisant une décroissance radioactive et la transformation en uranium 233 à l'état de fluorure, celui-ci étant ensuite renvoyé dans le circuit primaire principal. (Revue Energie Nucléaire Vol 13 nO 2 - Mars 1971 "Les réacteurs à sels fondus" - M. Grenon et J.J. Geist). Dans ces solutions classiques, les trois composants essentiels du circuit primaire du sel combustible fondu, à savoir le coeur du réacteur, l'échangeur primaire et des pompes de circulation assurant le mouvement du combustible, sont réunis par des tuyauteries formant ainsi une ou plusieurs boucles externes à la cuve contenant le coeur. Ces tuyauteries doivent avoir une souplesse suffisante afin que les contraintes d'origine thermique restent acceptables. De plus, selon les réalisations de ce genre, les pompes peuvent être placées, soit dans la branche chaude de ces boucles recueillant le sel combustible fondu à la sortie du coeur du réacteur, soit dans la branche froide à la sortie de l'échangeur primaire. Or ces solutions présentent l'inconvénient de mettre une partie importante du circuit primaire en présence du sel combustible à sa température la plus élevée ; il en résulte, non seulement une aggravation des contraintes thermiques, mais aussi une amplification des problèmes posés par la corrosion chimique des structures par le sel fondu dont l'agressivité augmente très rapidement avec la température. La présente invention concerne un réacteur nucléaire du genre ci-dessus dans lequel le circuit primaire est directement intégré dans la cuve contenant le coeur, ce qui permet notamment d'éviter les inconvénients exposés. A cet effet, le réacteur considéré se caractérise en ce qu'il comporte à l'intérieur d'une cuve commune contenant le coeur du réacteur constitué d'une masse modératrice percée de canaux pour la circulation du sel combustible fondu, un échangeur de chaleur primaire situé au plus près du coeur et traversé par le sel combustible chaud à la sortie immédiate du coeur, et des moyens de mise en circulation du sel fondu froid sortant de l'échangeur pour être renvoyé dans le coeur. Grâce à ces dispositions, on réduit au strict minimum le volume de sel combustible fondu porté à la température la plus haute du cycle, l'échangeur primaire ou les modules séparés constituant cet échangeur, pouvant être raccordés directement à la sortie du coeur, tandis que l'ensemble formé par le réacteur et l'échangeur est placé dans une cuve ou capacité unique, entourant l'ensemble du circuit primaire. I1 en résulte que les structures placées dans les conditions les plus difficiles, notamment au contact du sel combustible chaud, sont réduites dans la plus large mesure, la majeure partie du circuit primaire étant seulement au contact du sel combustible froid. Par ailleurs, la conception intégrée du réacteur proposé conduit a confiner le sel combustible fondu dans une cuve de forme simple, favorable à son refroidissement et a son isolation thermique. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la paroi de la cuve comporte avantageusement un calorifuge interne et un circuit de refroidissement externe, apte à réaliser la solidification partielle du sel combustible au contact de cette paroi pour limiter les effets de la corrosion par le sel fondu en circulation. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le coeur du réacteur est disposé a la partie basse d'une cuve ouverte à axe vertical et est parcouru de bas en haut par le sel combustible fondu, l'échangeur primaire étant monté audessus du coeur, tandis que les moyens de mise en circulation du sel combustible fondu sont répartis autour du coeur dans la cuve dans une région annulaire comprise entre la paroi de la cuve et l'ensemble formé par le coeur et l'échangeur primaire. Dans un mode de réalisation particulier de la solution ci-dessus, les moyens de mise en circulation du sel combustible fondu sont constitués par des pompes primaires aspirant une partie du sel fondu froid a la sortie de l'échangeur et le refoulant sous pression dans des hydro-éjecteurs aspirant le débit restant sortant de l'échangeur. Avantageusement, chaque pompe primaire est associée a deux hydro-éjecteurs voisins, disposés de part et d'autre de la pompe et formant avec celle-ci un ensemble autonome. Selon une caractéristique annexe, chaque ensemble autonome est démontable d'un bloc par la partie supérieure de la cuve. Suivant une autre caractéristique, le coeur est surmonté d'un réflecteur supérieur et d'un écran biologique délimitant avec un réflecteur latéral un passage étroit de longueur limité, débouchant dans un collecteur pour le sel combustible fondu chaud sortant du coeur vers l'échangeur primaire. Dans ce-cas et suivant une autre caractéristique également, l'échangeur primaire et le collecteur présentent une forme annulaire, laissant libre au-dessus du coeur une région centrale d'accès au coeur et de passage des organes de contrôle. Dans une autre variante de réalisation, le coeur du réacteur disposé dans la partie centrale d'une cuve ouverte à axe vertical est entouré latéralement par un réflecteur délimitant avec la paroi de la cuve une région annulaire, les moyens de mise en circulation du sel combustible fondu étant constitués par des pompes disposées dans cette région annulaire entre des échangeurs également montés dans cette même région, les pompes et les échangeurs étant régulièrement répartis autour du coeur. Selon une caractéristique particulière de cette seconde variante, les pompes et les échangeurs sont suspendus dans l'espace annulaire sous une dalle supérieure horizontale s'étendant au-dessus de la cuve, cette dalle comportant un orifice central au droit du coeur, fermé par un bouchon amovible. Dans l'une ou l'autre des variantes de réalisation enfin, la région annulaire comporte, en dehors des moyens de mise en circulation du sel combustible fondu, une masse d'un matériau inerte compatible avec le sel combustible pour limiter le volume utile en circulation à l'extérieur du coeur et de l'échangeur. D'autres caractéristiques d'un réacteur nucléaire à sel combustible fondu, apparaitront encore a travers la description qui suit de deux exemples de réalisation, donnés a titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe longitudinale et en élévation d'un premier mode de réalisation d'un réacteur nucléaire selon l'invention, - la Fig. 2 est une vue en coupe transversale partielle selon la ligne II-II de la Fig. 1, - la Fig. 3 est une vue en coupe d'une autre variante de réalisation du réacteur considéré, - la Fig. 4 illustre à plus grande échelle un détail de la paroi de la cuve de ce réacteur, Sur la Fig. 1 le réacteur à sel combustible fondu schématiquement représenté est désigné dans son ensemble par la référence 1. I1 comporte a l'intérieur d'une enceinte externe 2 de protection en béton délimitant une cavité interne 3, une cuve cylindrique 4 a fond sensiblement sphérique et a axe vertical, contenant le coeur et l'ensemble du circuit primaire. Cette cuve 4 est suspendue par sa partie supérieure ouverte sous une dalle de fermeture 5 s'étendant horizontalement et venant reposer sur une portée d'appui 6 prévue dans l'enceinte externe 2. Le coeur 7 du réacteur est placé dans la cuve 4 à sa partie inférieure et repose sur une sole 8 s'appuyant elle-même sur une assise transversale 9, solidaire par sa périphérie du fond 10 de la cuve.Le coeur 7 est formé d'une masse modératrice notamment en graphite, percée de canaux de circulation du sel fondu et est surmonté a sa partie supérieure par un réflecteur 11 et entouré latéralement par un autre réflecteur 12, ces réflecteurs 11 et 12 délimitant entre eux un passage étroit 13 par lequel le sel combustible fondu qui traverse le coeur 7 de bas en haut, grâce a une circulation organisée par des moyens qui seront décrits plus loin, se recueille dans un collecteur annulaire 14, délimité-d'une part au-dessus du réflecteur supérieur Il par un bouclier de protection neutronique 15 et d'autre part par la paroi latérale d'une seconde cuve cylindrique 16, montée coaxialement a l'intérieur de la cuve 4 et prolongeant a sa périphérie la sole de support 8.Le sel fondu ainsi recueilli dans le collecteur 14 à la sortie du passage 13, c'est-à-dire dans une région située immédiatement a la sortie du coeur, passe dans les tubes (non représentés) d'un échangeur primaire 17, également de forme générale annulaire, monté au-dessus du coeur 7 et coaxialement à celui-ci à l'intérieur de la cuve 16. Cet échangeur annulaire 17 délimite une zone centrale 18 permettant d'accéder au coeur à travers le bouclier 15 et le réflecteur supérieur 11, notamment en permettant le montage de fourreaux tels que 19, assurant le guidage d'éléments 20 permettant d'assurer le contrôle de la réaction de fission dans le coeur. La commande de position des éléments de contrôle 20 s'effectue à travers les fourreaux 19 par un mécanisme de commande 21, monté dans un bouchon tournant 22 porté par la dalle de fermeture supérieure 5. Les cuves 4 et 16 délimitent entre elles une région annulaire 23, dans laquelle circule du haut vers le bas le sel combustible fondu sortant des échangeurs 17 à leur partie supérieure pour être renvoyé sous le coeur 7. A cet effet, cette région annulaire comporte plusieurs pompes de circulation 24, qui dans l'exemple de réalisation considéré, comprennent chacune un conduit d'aspiration allongé 25 traversant la majeure partie de la hauteur de la région 23 et se terminant à son extrémité inférieure par une partie conique évasée 26. Chaque conduit d'aspiration débouche dans le haut de la région 23 dans le carter 27 de la pompe 24 à l'intérieur duquel est montée une roue d'aspiration 28 dont l'arbre 28a est réuni à un moteur de commande 29 porté par la dalle supérieure 5 à l'extérieur de l'enceinte 2 du réacteur. Le sel fondu aspiré par le conduit 25 est ensuite refoulé hors du carter 27 de la pompe 24 par des conduits de sortie 30 qui dans le cas présent sont au nombre de deux et dont la Fig. 2 illustre plus particulièrement le montage.Chacun de ces conduits 31 est à son tour associé à un hydro-éjecteur 31 de type connu, en forme de trompe à convergent-divergent, comprenant une partie d'entrée évasée convergente 32, un col 33 et une partie divergente allongée 34 s'étendant à travers la hauteur de la région annulaire 23 Comme on le voit sur la Fig. 2, chaque pompe 24 correspond ainsi à deux hydro-éjecteurs 31, la circulation du sel fondu à travers l'ensemble du circuit primaire étant schématisée par les flèches 35. Le sel fondu chaud sortant du coeur 7 et dont l'agressivité du point du vue de la corrosion chimique notamment, est la plus importante, chemine tout d'abord dans le passage étroit 13 de longueur limitée prévu, entre les réflecteurs 11 et 12, puis se recueille dans le collecteur annulaire 14 au plus près du coeur d'où il alimente l'échangeur 17, A la sortie de celui-ci, le sel fondu refroidi se répartit dans la région annulaire 23, en étant notamment aspiré par les hydro éjecteurs 31, l'espace compris entre ceux-ci autour du coeur, étant au moins partiellement rempli par un matériau inerte 36, tel que du graphite, compatible avec le sel fondu et destiné à réduire au maximum le volume de sel dans le circuit primaire. La majeure partie du débit de sel fondu froid est ainsi reprise dans le convergent d'entrée 32 des hydro-éjecteurs, en même temps que le jet moteur nécessaire au fonctionnement de cet appareil provient par le conduit 30 de la pompe 24 qui lui est associée. A la sortie du divergent 34, le débit de sel fondu est forcé à travers le coeur 7 dans le sens ascendant, une faible partie de ce débit étant reprise par les conduits 25 des pompes 24 pour être renvoyée par les conduits 30. Bien entendu, il va de soi que la disposition ci-dessus n'est pas en elle-même exclusive de la mise en oeuvre pratique de la présente invention. En particulier, on pourrait remplacer le système préconisé, associant une pompe de commande à un ou deux hydro-éjecteurs, par des pompes de circulation placées en partie basse de la cuve, au voisinage du coeur de manière a assurer directement le refoulement du sel fondu à travers celui-ci. Dans une telle variante de réalisation, notamment illustrée sur la Fig. 3, où ont été reprises des références identiques à celles adoptées sur la Fig. 1 pour désigner des organes semblables, les pompes et les échangeurs sont a nouveau intégrés dans la cuve cylindrique 4 a l'intérieur de l'enceinte externe de protection 2 en béton, fermée a sa partie supérieure par la dalle horizontale 5. Le coeur 7 du réacteur est situé sensiblement au centre de cette cuve, en étant associé à sa partie supérieure à un réflecteur 11 et latéralement à un réflecteur 12, ces deux reflecteurs délimitant entre eux un passage étroit 13 pour le sel fondu chaud sortant du coeur après traversée de celui-ci de bas en haut. On retrouve sur cette figure un fourreau 19 pour le passage d'un élément de contrôle penétrant dans le coeur, ce fourreau 19 traversant un bouchon tournant 22 porté, au droit du coeur, par la dalle 5. Le sel combustible chaud sortant du coeur après traversée du passage 13, débouche dans la région supérieure 37 de la cuve 4 jusqu a un niveau schématisé par la référence 38, en se répartissant dans la région annulaire 23, délimitée entre les cuves 4 et 16. Dans cette région sont disposés des échangeurs 39, montés autour du coeur et entre lesquels sont réparties des pompes de circulation 40. Chaque échangeur est suspendu sous la dalle 5 par l'intermédiaire d'un bouchon 41 pénétrant dans celle-ci ; par ailleurs, chaque pompe 40 traverse un passage correspondant dans la dalle et repose sur le dessus de celle-ci par une collerette d'appui 42, en étant associée à un moteur d'entrainement 43, monté sur cette dalle.Le sel combustible refroidi sortant des échangeurs 39 à la partie inférieure de l'espace annulaire 23 est repris par les rouets 44 de ces pompes 40 qui le refoulent sous pression dans une série de conduits collecteurs 45 permettant de le renvoyer sous le coeur 7 pour un nouveau passage à travers celui-ci. Avantageusement, les parties de la région annulaire 23 non utiles à la circulation du sel combustible sont remplies par du matériau inerte 36, limitant le volume global mis en jeu. Quelle que soit la variante adoptée, on réalise ainsi un réacteur nucléaire à sel combustible fondu dans lequel l'ensemble du circuit primaire est intégré à l'ínté- rieur de la cuve contenant le coeur. Avec un tel mode de construction, la protection des structures de ce circuit primaire vis-a-vis du rayonnement neutronique est naturellement à considérer en fonction du fait que le sel combustible est lui-même une source de neutrons, ce qui conduit nécessairement à l'activation de ces structures qui doivent être conçues et implantées en conséquence, leur fluence intégrée devant notamment rester compatible avec leur tenue mécanique. En revanche, la disposition prévue, en limitant le trajet du sel combustible fondu chaud entre la sortie du coeur et l'échangeur primaire, réduit considérablement les risques de corrosion.En effet, le sel fondu chaud n'est en contact qu'avec une très faible partie des structures du coeur et du circuit primaire, tandis que la majeure partie de celles-ci est en revanche baignée par le sel combustible froid. Pour limiter encore les effets du sel combustible au contact des structures du coeur dans l'une comme dans l'autre des variantes exposées ci-dessus, il peut être particulièrement avantageux, comme illustré sur la Fig. 4 d'assurer une réfrigération extérieure de la paroi de la cuve 4 dans les régions de celle-ci baignées par le sel.Dans ce but, on associe à cette paroi un circuit indépendant 47 d'un fluide approprié et vers l'intérieur de la cuve, une structure calorifuge ajourée 48 d'un type en lui-même connu. Grace à ces dispositions en effet se forme au contact de la cuve 4 une zone 49 où ie sel combustible est solidifié, suivie d'une zone 50 de changement de phase et enfin d'une zone 51 où l'on retrouve le sel liquide, la couche ainsi déposée isolant la paroi de cette cuve du sel en circulation. t'effet corrosif du sel fondu est donc encore diminué, autorisant l'emploi pour constituer la cuve 4 d'un acier courant. Dans tous les cas, l'intégration du circuit primaire permet, avec emploi d'un volume de sel combustible sensiblement égal à celui des réalisations connues à boucles externes, une meilleure accessibilité aux différents composants pour leur entretien et leur remplacement éventuel, ces composants étant rassemblés en un seul lieu où peuvent être plus facilement concentrés les moyens nécessaires à leur manutention. REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire à sel combustible fondu, caractérisé en ce qu'il comporte à l'intérieur d'une cuve commune contenant le coeur du réacteur constitué d'une masse modératrice percée de canaux pour la circulation du sel combustible fondu, un échangeur de chaleur primaire situé au plus près du coeur et traversé par le sel combustible chaud à la sortie immédiate du coeur, et des moyens de mise en circulation du sel fondu froid sortant de l'échangeur pour être renvoyé dans le coeur. 2. Réacteur nucléaire à sel combustible fondu, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de la cuve comporte un calorifuge interne et un circuit de refroidissement externe, apte à réaliser la solidification partielle du sel combustible au contact de cette paroi pour limiter les effets de la corrosion par le sel fondu en circulation. 3. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur du réacteur est disposé à la partie basse d'une cuve ouverte à axe vertical et est parcouru de bas en haut par le sel combustible fondu, l'échangeur primaire étant monté au-dessus du coeur, tandis que les moyens de mise en circulation du sel combustible fondu sont répartis autour du coeur dans la cuve dans la région annulaire comprise entre la paroi de la cuve et l'ensemble formé par le coeur et l'échangeur primaire. 4. Réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de mise en circulation du sel combustible fondu sont constitués par des pompes primaires aspirant une partie du sel fondu froid à la sortie de l'échangeur et le refoulant sous pression dans des hydro-éjeceurs aspirant le débit restant sortant de l'échangeur. 5. Réacteur nucléaire selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque pompe primaire est associée à deux hydro-éjecteurs voisins disposés de part et d'autre de la pompe et constituant avec celle-ci un ensemble autonome. 6. Réacteur nucléaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque ensemble autonome est démontable d'un bloc par la partie supérieure de la cuve. 7. Réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le coeur est surmonté d'un réflecteur supérieur et d'un écran biologique délimitant avec un réflecteur latéral un passage étroit de longueur limitée débouchant dans un collecteur pour le sel combustible fondu chaud sortant du coeur vers l'échangeur primaire. 8. Réacteur nucléaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'échangeur primaire et le collecteur présentent une forme annulaire, laissant libre au-dessus du coeur une région centrale d'accès au coeur et de passage d'organes de contrôle. 9. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur du réacteur disposé dans la partie centrale d'une cuve ouverte & axe vertical est entouré latéralement par un réflecteur délimitant avec la paroi de la cuve une région annulaire, les moyens de mise en circulation du sel combustible fondu étant constitués par des pompes disposées dans cette région annulaire entre des échangeurs également montés dans cette même région, les pompes et les échangeurs étant régulirement répartis autour du coeur. 10. Réacteur nucléaire selon la revendication 9, caractérisé en ce que les pompes et les échangeurs sont suspendus dans l'espace annulaire sous une dalle supérieure horizontale s'étendant au dessus de la cuve, cette dalle comportant un orifice central au droit du coeur, fermé par un bouchon amovible. 11. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendication 3 ou 9, caractérisé en ce que la région annulaire comporte, en dehors des moyens de mise en circulation du sel combustible fondu, une masse d'un matériau inerte compatible avec le sel combustible, pour limiter le volume utile en circulation a l'extérieur du coeur et de l'échangeur.