Brevet FR2326013A1 — publié le 19770422

La présente invention concerne la production d'énergie électrique à partir de la fission nucléaire. I-Etat de la technique I-1 Centrales éxistantes La production d'énergie électrique à partir de la fission en channe des noyaux atomiques est maintenant de pratique industrielle courante.Parmi noyaux atomiques très lourds,certains tels que 235U et 239Pu sont fissiles,c' est à dire que,à la suite de la capture d'un aeutren,ils peuvent se scinder en deux noyaux de sasse différente nais comparable.Cette réaction dégage une énergie considérable et libère de neuveaux neutrons,ee qui permet à la réaction de se poursuivre en chatoie. 28 D'autres noyaux très lourds,et notamment U peuvent capter un neutron et engendrer, après réactions nucléaires,des noyaux fissiles,par exemple Pu à partir de U.De tels noyaux sont dits fertiles.Un métal,un alliage,une coinisaison chimique contenant à la fois comme constituant de base des atomes à neyau fissile et des atomes à noyau fertile est dit combustible nucléaire: l'uranium,naturel eu u enrichi en U,son oxyde 02U en sont des exemples. La plupart des centrales en serviee fonctionnent avec un uranium un peu enrichi,ua "modérateur" destiné à ralentir les neutrons par des chocs successifs (neutrons thermiques) et n'engendrent qu'une quantité modérée de noyau fissiles à partir des noyaux fertiles. Il tend à se developper d'autres centrales dites surrégénératrices compor- tant une proportien sensiblement plus grande de noyaux fissiles,fonctionnant sans ralentisseur et dénommées pour cette raison à neutres rapides et qui ont la particularité d'engendrer,à partir de matériau fertile,plus de noyaux fissiles qu'elles n'en consomment. Ces centrales ont en commun de transformer,par freinage,l'énergie cinétique des fragments de fission en chaleur.Cette dernière est évacuée par un fluide cale- perteur et est utilisée finalesent à faire fonctionner un ou plusieurs moteurs thermiquès couplés avec des alternateurs électriques.Le rendement de l'installation,limité par le principe de Carnet,so situe ainsi au mieux vers 30%,avec rejet au condenseur d'une énerme quantité de chaleur. 1-2 Propositions faites pour aiéli.rer le rendement. Plusieurs brevets ou demandes de brevet ont proposé de convertir directement en énergie électrique l'énergie de fission,ce qui permettrait d'éviter,au moins partiellement,les inconvenients précédents.Pour celà,le combustible nucléaire oit disposé en feuilles très minces,d'une épaisseur de l'ordre de 4 microns,ce qui permet aux fragments de fission d'en sortir sans avoir été freinés de manière importante.Ces fragments,fortement ionisée,puisque leur charge moyenne est de +.20 e,sont munis d'une énergie considérable,en l'ocuurence plusieurs dissines de MeV et peuvent,de ce fait,remonter un champ électrique et atteindre une plaque collectrice portée à un potentiel électrique positif très élevé par rapport à la feuille émettriee.L'ensemble fonctionne alors en générateur de courant continu sous haute tension. Le fonctionnement d'un tel dispositif ne doit entrainer ni collision ni ionisation sur le parcours des fragments de fission,ce qui implique un vide pousmé.Ces conditions sent de nature à permettre et même favoriser le fonctionne- ment du réacteur en iode surrégénérateur. Mais les dispositifs décrits dans ces brevets ou demandes de brevet,non seulement n'ont encore donné lieu à aucune réalisation,mais sent irréalistes en Iétat,pour des raisons qui vont être explicitées pour chacun d'eux en les considérant dans leur ordre chronomique. @-2-1.Le Patentschrift 1 071 857,déposé en R.F.A. le 22 aoùt 1956 par le Docteur DIEBMER prévoit une alternance de feuilles émétttices et de plaques réceptrices ayant entre elles une différence de potentiel de 4,5 millions de volts (M V). Un tel champ électrique peut,certes,Etre remonté jusqu'à la plaque par un ion de fission,mais à la cendition expresse entre émis normalement aux feuilles et plaques;comme les fragments de fission sont émis de manière isotrope,seule une proportion infime serait éfficace.Les autrestaprès une trajectoire incurvée reviendront sur la feuille émettrice où leur énergie se transformera en une chaleur que rien n'est prévu pour évacuer et encore moins pour utiliser. il est facile de montrer qu'un abaissement de la différence de potentiel ne suffirait pas pour obtenir un rendement et un fonctionnement convenables, Soit,en effet,une tension électrique moitié;un calcul élémentaire montre que seuls parviendront à la plaque les ions émis à l'intérieur d'un cone ayant pour axe la normale et pour demi angle au sommet 45 ,soit environ 30% de l'angle 80 lide plateau total,mSme au prix d'une tension réduite de 50%,le courant recueilli ne represente que 30% du courant global et le rendement résultant n'est que 0,5 x 0,3 = 0,15;;encore resterait il à résoudre l'évacuatien,non prévue,de la chaleur produite sur les plaques receptrices et surtout sur les feuilles émét- tripe où leur énergie calorifiquesera disproportionnée avec la conductivité de feuilles ayant une épaisseur de 4 microns I-2-2.le brevet 1 314 899 demandé le 14 février à Paris par la Société Uniteil Aireraft Corportaion part du même principe de base.Il présente,par rapport au Patentschrift 1 071 857 ci dessus deux différences notables.La feuille émettrice est disposée à la surface dJun cylindre de petit diamètre, la"plaque" étant un cylindre concentrique de rayon beaucoup plus grand.Par ailleurs,pour empècher que des électrons quittant éventuellement la feuille combustible lors de l'émission des ions ne viennent neutraliser partiellement le courant d'ions positifs,il est prévu pour les refouler une sorte de grille Suprosseuse portée à un potentiel négatif approprié.Ce dispositif est,lui aussi irréaliste pour les raisons suivantes: @ -chaque fission produit deux fragments de fission émis en sens opposé et dont, par consséquent,un seul sera orienté vers la"plaque",l'autre restant inutilisé, d'où un rendement réduit,de ce seul fait,de 50% ~aucun compromis n'est étudié pour obtenir un rendement électrique acceptable compte tenu de ce que les ions émis sont,en géntral,obliques par rapport à l'axe -enfin,selon les données numériques du brevet,la proportion en volume attri buée au coihustible nucléaire est tellement infime que la dimension critique dans tel réacteur ne peut qu'être absolument prohibitive.L'autre configuration proposée,sphérique,serait encore plus catastrophique à cet égard. L-2-3.Ma demande de brevet enregistrée le 20 septembre-1974 à Paris sous n0 74 31756 préconise des cylindres coaxiaux alternativement en feuille émet- tripe et en plaque receptrise.Bien qu'elle prévoie explicitement ltévacuation et l'utilisation de la chaleur dissipée sur les plaques,le rendement électrique /du dispositif /décrit demeure trop faible dans les meilleures conditions,pour les raisons exposées ci dessus au sujet du Patentschrift 1 071 857. I1 convient néanmoins de mentionner que cette demande de brevet reven dique la mise en oeuvre de réactions nucléaires d'appoint produites sur du lithium sous l'une ou lsautre forme isotopique,ainsi que l'extension à ces réactions,improprement appelées de fusion,de la conversion directe en énergie électrique selon le principe décrit ci dessus. II-Résultat recherché au moyen de l'invention. L'invention a pour but de définir,pour un réacteur nucléaire à fission, dos modalités de réalisation et de fonctionnement faisant appel à la conver sion directe en énergie électrique,mais évitant les inconvénients ci dessus0 Pour celà elle décrit diverses variantes de dispositif réalisant un compromis entre les éxigences partiellement contradictoires suivantes: ~rendement de conversion directe au moins comparable au rendement des centrales en service. -évacuation et utilisation de la chaleur produite ~dimension critique acceptable. Bien entendu,comme indiqué dans les brevets déjà cités,l'invention se propose,outre d'accroître le rendement,de diminuer la pollution thermique,de simplifier la technologie,au moins pour les surrégénérateurs,enfin d'abaisser, de ce fait,le coùt de réalisation d'une centrale nucléaire, III-Moyens mis en oeuvre III-t-Description de principe d'un compartiment Le dispositif objet de l'invention dispose les feuilles émettrices en combustible nucléaire,d'une épaisseur de l'ordre de 4 microns,à 11 intérieur de volumes ou compartiments juxtaposés presqutentièresent clos et destinés à collecter,sur leur surface intérieure,la quasi totalité des ions de fission. Seuls,en effet,sont prévus entre les compartiments des orifices de communicatien permettant à la feis le passage des connexions électriques sous haute tension et la réalisation du vide. Des grilles suppresseuses,formant barrière de potentiel négatif par rapport aux feuilles éméttrices peuvent ttre disposées de part et d'autre de celles-ci pour refouler les électrons qui viendraient à en sortir. Pour expliquer la disposition et le fonctionnement du compartiment ci après il est commode d'étudier au préalable le cas,défavorable,des ions de typiques fission lourds;masse atomique 140,énergie cinétique 67 MeV,charge + #0e dans la configuration schématisée par la figure 1.Celle ci comporte: -une feuille émettrice 1 -deux grilles suppresseuses 2,de part et dtautre,à une distance de 7n et portées à un potentiel négatif de quelques dizaines de kV -deux plaques collectrices 3 à 23 mm de part et dtautre de la feuille 1 et portées à un potentiel de +1,6 MV Um calcul simple et classique montre que:: -les ions émis dans une direction faisant un angle de loins de 450 avec la normale se propagent selon une trajactoire telle que a,rectitigne entre 1 et 2 puis incuvée,mais atteignant la plaque 3-Ila sont dans la proportion de 30%. -les ions faisant au départ un angle compris entre 450 et 700 avec la nor laie ont une trajectoire telle que X,reetiligne jusqu'à la grille 2,puis,en gres,parabolique sous l'effetddu champ électrique,revenant jusqu'à 2,enfin 2 rectiligne.Ces ions,soit une proportion de #5%,rejoignent la feuille 1 à une distance d'environ 80a de leur point d'émission -les ions initialement inclinés de plus de 70%,soit 5%, ont une trajectoire telle que e de "portée" supérieure à 80mm. Sur la base de ces résultats,un compartiment type comprend: -une feuille de matériau combustible très mince,l'épaisseur étant de l'ordre de 4 microns,ayant la forme d'un héxagone régulier d'apothème 40mm (coté 46mm) -deux grilles suppresseuses de part et d#autre à la distance de 7mm -un conteneur métallique,sorte de boite,fermée aux orifices près,constituant l'enveloppe du cempartiment.Ce conteneur possède des faces supérieure et inférieure de part et dtautre et à 23 mm de la feuille combustible et un contour latéral en héxagone régulier de coté au moins égal à 63mm,soit une distance minimale de 15mm latéralement de la feuille. Feuille et conteneur sont representés respectivement en 20 et 21 sur la figure 2. Si le conteneur est à un potentiel de +1,6 MV,tous les ions ont une composante de leur énergie cinétique,soit normalement soit parallèlement à la feuille suffisante pour lui permettre dtatteindre #n coté,supérieur,infé- rieur eu latéral du conteneur.La proportion des ions retombant sur la feuille combustible sera négligeable.Avec une collecte pratiquement totale du courant et la tension considérée,le rendement électrique de conversion directe s' établit donc aux environs de 30%;il pourrait même être un peu supérieur dans la mesure où la fifference de potentiel peut être légèrement aocrue sans perte appréciable dans la collecte de courant. Le fait que la masse des fragments de fission soit d'un ordre de grandeur comparable à celle des stmes de fer,constituant de base du conteneur en acier inoxydabl,est de nature à favoriser grandement la conversion de l'énergie cinétique restante au moment de choc en chaleur fournie à la parei du conteneur.Il est raisonnable d'estimer qu'an total 50% de l'énergie nucléaire sera ainsi transformée en chaleur des centeneurs e@ qu'en l'utilisant avec un rendement de Carmet de 30% il en résultera un appoint de rendement du réacteur de 15%. Au total en est donc droit d'attendre d'un tel dispositif un rendement global supérieur de moitié à celui des ionstallations en service. La dimension critique d'un coeur de réacteur obtenu en juxtaposant de tels compartiments reste acceptable puisque,avec un fluide caloporteur jeuant un role de modérateur et un reflecteur à neutrons,elle semble pouvoir descendre à 3 ou 4 metres. III-2.Variantes de compartiment Il est possible de faire varier les dimensions et la forme d'un compartiment urilisant le même principe de fonctionnement et permettant d'obtenir des caractéristiques réalistes. La dilatation,approximativement pas homothétie,des dimensions du compartiment ci dessus ne modifie pas sensiblement les résultats;même la proportion du volume attribuée au combustible nucléaire varie peu si l'on maintient constant l'écart entre les bords de la feuille et les parois latérales du conteneur. La dimension optimale est onc plutôt déterminée par la commodité de rálisation. Pour ce qui est de la ferme à donner au contour latéral des conteneurs plats,il est préférable de la choisir de manière à couvrir totalement une portion de plan par juxtaposition.A est égard,une forme carrée,par exemple,serait stisfaisant,mais elle paraît un peu moins performante à la lumière du raisonnement developpé plus haut. Il est également possible d'envisager,toujours avec la même différence de potentiel,une disposition géométrique sensiblement différente dans laquelle les senteneurs ont une forme prismatique,de section droite héxagonale,carrée eu mieux triangulaire,les feuilles de combustibles nucléaire étant,cette fois, disposées selon des plans radiaux.La figure 3 schématise un tel dispositif; on y voit,en 31,le contour latéral triangulaire,section droite du conteneur, en 32 l'axe supportant les feuilles radiales 33 et conduisant le courant électriqe.Pour assurer un taux de collecte du courant acceptable,il est necessaire de disposer,de distance en distance,un cloisennement tel que celui figuré en 34 et comportant un orifice central livrant passage aux conneriens haute tennien et à la circulation des gas d'un compartiment à l'autre en vue d'y faire et d'y maintenir le vide pousée.Les grilles suppresseuses éventuelles ne sont pas representées sur la figure. III-3.Organisation du réacteur. Les modalités de rálisation et d'organisation d'un réacteur à base de compartiments d'un des types ci dessus sont extremment diverses,aussi le dispositif d'écrit ci après est il donné à titre de simple illustration et sans carctère limitatif. Le coeur de réacteur comprend plusieurs modules identiques dont chacun est constitué par un ansemblage de plus de compartiments et d'une enveloppe. L'un des compartiments est schématisé sur les figures 4 (perspective) 5 (élévation) et 6 (plan). Il comporte: -une feuile héxagonale (hachurée sur les figures)40 en combustible nucléaire,d'une épaisseur de quelques microns,eventuellement revètue d'un film ultramince en métal léger.Le reseau de feuilles est souteau par un encadrement métallique assurant,en outre,la connexion électrique et le passage du meurant;;cadres et connexions sent visibles en 41 sur certaines des figures, -de part et d'autre des feuilles minces de combustible nucléaire sont dispe- sées des grilles suppresseuses (non representées sur les figures) formant un double reseau plan.Ces grilles sent maintenues à un potentiel négatif par rapport aux feuilles au moyen d'une alimentation continue extérieure au réacteur -le conteneur 42,élément d'un plan de compartiments est completement ouvert à sa partie supérieure,le "couvercle" étant constitué par l'étage supérieur -les orifices de coxunication 43 se prolongent jusqu'à la partie supérieure du conteneur,ce qui permet la mise en place aimée,ainsi que le démontage-remontage des reseaux de feuilles et de grilles -des croisillon 44 en sateriau isolant supportent les connexions-cadres des feuilles et grilles @un ensemble de clavettes telles que 45 permet le verrouillage du plan supé rieur a moment de l'assemblage;elles pouvent s'ascamotor grace à des passages ménagés tels que 46. La facilité avec laquelle peurent entre démontés et remontés les divers plans:conteneurs,grilles et feuilles rend aisées les opérations de retraite sent.Il convient d'ailleurs de noter que,dans une large proportion,les produits de fission ne contamineront pas le combustible,mais seront évacués dans 15 appareillage à vide eu se fixeront sur les parois. Quant aux modules,qui renferment un eipileient de plans de compartiments, ils jouent un double rele: -ils sont des enceintes à vide;à ce titre,ils sont reliés à un générateur de vide poussé;ils sont assez épais et ont une forme (en principe cylindre de révolution terminé en demi-sphère)assurant une bonne résistance à l'implosion; des conduits intérieurs facilitent,au besoin,la circulation des gaz pour main- tenir partout le vide voulu.Quant à l'appareil à vide il doit pouvoir entretenir,malgré l'émission interne au moins 10 à 10' millimètres de wercire et possèder,à la sortir un filtre arrètant les produits de fission évacués. -le fluide caloperteur circule autour d'eux pour évacuer la chaleur produite sur les pareis de compartiments;ils doivent donc être en excellent contact ther mique et électrique avec les plans de conteneurs,par exemple au moyen de joints métalliques. Pour ces raisons,les modules sont,électriquement,à la iasse;par suite,les réseaux de feuilles de combustibles,interconnectés à l'intérieur du module,se trouvent à une haute tension négative,le courant sortant par une sortie isolée, de itme pour les grilles. Peur diminuer les dimensions critiques,le fluide caloporteur est choisi pour assurer aussi le role de modérateur (eau ordinaire ou lourde) et un reflectour à neutrons entoure le coeur de réacteur,qui est muni,en outre,des erganes de régulation par barres de endminu et de protection par uu entourage en béton épais habituelle Des réactions nucléaires d'appoint sont possibles,notaiment celles dites improprement de fusion engendrées sur le lithiums et qui peuvent titre plus particulièrement de deux ordres:: ~@Id (n, ' )avec des neutrons thermiques,donc autour de la région où circule le fluide caloporteur (de préférence avec du lithiua enrichi en isotope 6 et avec récupération du tritium engendré) @ 'Ld Ld (p, 2&alpha; )avec des protons rapides projetés par des neutrons rapides, donc dans les modules ou à leur périphérie. Le lithium peut,à cet effet,être disposé de manière à ce que l'énergie des réactions nucléaires soit partiellement convertie en énergie électrique directement dans des compartiments semblables décrits ci dessus0Toutefois,la différence de potential doit être adaptée aux conditions spécifiques de la réaction,soit,par analogie avec ee qui précède environ 200 kV pour Li et 800 kV pour Li. La puissance électrique ditectement engendrée sous forme de courant continu sous haute tension,que ce soit par fission ou par réaction improprement dite de fusion,est transformée en courant alternatif à usage industriel au moyen de dispositifs électroniques appropriés tels qutignitrons,excitrons ou onduleurs, ce mdme dispositif assurant également,le maintien de la haute tension à la valeur désirée. Il est à remarquer que le fait,pour les neutrons d'être rapides tant qu' ils ne sortent pas des modules,est de nature à faroriser le fonctionnement en surrégénérateur. REVENDICATION 1.Centrale à fission nucléaire en chaîne convertissant directement une partie de l'énergie nucléaire en énergie électrique,en profitant de l'énergie cinétique dos fragments de fission peur leur faire franchir une differenee de potential élevée et caractérisée par l'ensemble des dispositions suivantes: le combustible nucléaire ost disposé en feuilles d'une épaisseur type de quelques nicrons,plaséez à l'intérieur de compartiments presqu'entièrement clos e# destinés à rec#cillir la quasi totalité des charges électriques portées par les fragments de fission émis. -la difference de potentiel entre les feuilles de combustible et les parois des compartiments Ht de l'ordre de 1,5 B 2 MV,l'ensemble jouant ainsi le role d'une source de courant continu sous très haute tension. -des orifices d'interecommunication entre compartiments livrent passage aux connexions haute tension et aux gai ot permettait d'établir et de maintenir, de proche en proche,un vide poussé 8 l'intérieur des compartiments -les compartiments sont juytaposés en modules,reliés à un appareillage permettent d'yfaire regner un vide d'au moins 10-6 à 10-7 mm de mercure et autour desquels circule un fluide caloporteur destiné à évacuer et utiliser la chaleur communiquée aux parois des compartiments,notamment par le choe des fragments de fissie. -la chaleur ainsi @@portés par le fluide caloporteur ost utilisée à faire fenetienner des motours thermiques et @otionner des alternateurs. 2.Centrale à fission nucléaire en chaîne selon la revendication 1 et carctérisé par l'interposition,entre les feuilles de combulstible nucléaire ot les parois dos compartiments,de grilles portées à un potentiel par rapport aux feuilles et empèchent qu'elle émettent,eventuellement,des électrons. 3.Centrale à fission nucléaire en chaîne selon la revendication 1 et, eventuellement,la revendication 2 et caractérisé par le fait que tout ou partie des compartiments ont la forme d'une baite plate,à conteur latéral héxagonal ou carré.Le tout organisé pour permettre un assemblage aisé par plane succesifs,les feuilles de combustible étant disposées parallèlement aux plana. 4.Centrale à fission nucléaire en chaîne selon la revendication I et, eventuellement la revendication 2 et carastérisée par le fait que tout ou partie des compartiments ont la forme de prismas droits,à section héxagonale, carés ou mieux triangulaure,ineemplotement elaidennés de distance en distance les feuilles de combustible étant disposées radialement,en principe selon des plans de symétrie. 5.Centrale à fission nucléaire en chaîne selon la revendication 1 et, eventuellement,les revendications 2,3 et 4 et caractérisée par la production de réactions de réactions nucléaires d'appoint,improprement dites de fusion, dues à l'action de neutrons sur la lithium,soit directement,soit par l'intermédiaire d'isotopes de l'hydrogène projetés. 6.Centrale nucléaire selon les revendications 1 et 5 et caractérisée la conversion partielle directe do l'énergie de. réactions #nproprement dites de fusion,les feuilles de lithium étant disposées comme les feuilles de combustible dans les revendications 1 et,eventuellement#2,3 ou 4,mais la différence do potentiel étant de l'ordre de 200 kY peur Li et 800 kV pour 7Ii 7.Centrale nucléaire selon la revendication 1 e,eventuellement,la reven- dilation 6 et caractérisée par la transformetion du courant continu haute ten- sion,obtenu par conversion directe de l'énergie nucléaire,au courant alternatif au moyen de dispositifs électronique appropriés tels qu'excitrens,ignitrons ou onduleurs