Brevet FR2409461A1 — publié le 19790615

L'invention a pour obJet un procédé d'exploitation d'un réacteur thermique applicable notamment aux réacteurs nucléaires de tout type Jusqu'à présent, dans tous les procédés exploités ou proposés, le coeur du réacteur constitue une chaudière dont on extrait la chaleur au moyen d'un circuit de réfrigération dans lequel circule un fluide caloporteur inerte au point de vue radioactif, tel que de lthélium, du sodium, de l'eau lourde.Ce circuit de réfrigération porté sensiblement à la température du coeur du réacteur transmet par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur la chaleur qu'il reçoit du combustible nucléaire à un fluide d'echaageS habituellement de liteau sous pression de façon à produire ds la vapeur d'eau qui entraînera des turbines. Ces turbines entratnant des générateurs électriques fourniront de ltélectriclteo D'autres solutions ont été proposées telles notamment que les réacteurs dit à "eau bouillante" dans lesquels le réacteur est directement refroidi par de l'eau naturelle ou "légère" maintenue sous pression dans l'enceinte fermée du réacteur.L'eau sous pression transformée en vapeur entrain en circuit fermé des turbines qui entraient elles-mbmes des générateurs d'électricité. Dans tous les cas cependant la chaleur fournie par le réacteur nucléaire est transformée en énergie en suivant les rendements imposés par la thermo-dynamique. Dans le meilleur des cas, le rendement énergétique ne dépassere3O. En d'autres termes 30% de la chaleur développée au coeur du réacteur peut être transformée en énergie électrique tandis que 70% de cette chaleur est perdue et doit être dissipée dans le milieu ambiant. Ceci est évidemment extrtmement regrettable, tant du point de vue économique que du point de vue de la pollution thermique. Cependant il n'est pas possible d'augmenter le rendement thermo-dynamique de façon notable car on est limité dans cette voie par des contraintes de température que l'on ne peut dépasser, notamment en ce qui concerne les gaines métallzques dans lesquelles est maintenu le combustible nucléaire au coeur du réacteur. Conformément à l'invention on échappe en grande partie aux difficultés sus-mentionnées par le fait qu'on enferme le circuit de réfrigération du réacteur dans une enceinte fermée dont on fait rayonner au moins une partie de sa surface extérieur, et l'on concentre ce rayonnement par tous moyens appropriés, tels en particulier que des réflecteurs, ensuite de quoi on utilise ce rayonnement ainsi concentré et revalorisé en température de toute manière appropriée. De cette façon il est possible de tourner la difficulté liée à la température maximale admissible au coeur du réacteur et de faire émettre par le réacteur de la chaleur sous forme d'un rayonnement concentrable permettant de développer une température beaucoup plus élevée.A partir de ce moment il est possible d'utiliser cette chaleur extraite à plus haute température soit pour la transformer en travail avec des conditions de rendement thermo-dynamique bien plus satisfaisantes que précédemment, soit de l'utiliser pour la conduite de réactiom,notamment chimique intéressantesse déroulant dans des conditions satisfaisantes aux températures en question. L'invention se rapporte également à des réacteurs thermiques et plus particulièrement des réacteurs nucléaires équipés d'un circuit de réfrigération comprenant au moins une surface rayonnant de la chaleur et des moyens tels que des surfaces réflectrices assurant la concentration au moins partielle du rayonnement émis par ladite surface. L'invention vise également les applications doun tel réacteur et de son procédé d'exploitation à toutes sortes de réactions chimiques et notamment à des procédés de fabrication par synthèse de carburant. L'invention apparattra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la figure 1 montre en coupe horizontale faite sensiblement au niveau du plan I-I de la figure 2, un réacteur nucléaire à rayonnement conçu selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe verticale faite sensiblement selon le plan II-II de la figure 1 du meme réacteur; - la figure 3 montre à plus petite échelle et schématiquement comment peuvent être groupés des réflecteurs autour d'un réacteur à rayonnement conçu selon l'invention, cette vue étant faite en coupe horizontale; - la figure 4 montre comme la figure 3 une autre variante de réalisation. Selon le mode de mise en oeuvre illustré schématiquement aux figures 1 et 2 le réacteur thermique équipé selon l'invention est un réacteur nucléaire. On aperçoit en 1 l'enceinte en béton dans laquelle sont disposés les barreaux 2 de combustible nucléaire enveloppés dans leur gaine métallique 3. En 4 apparaissent les barres de contrôle du réacteur qui peuvent être remontées au moyen des moteurs 5. Lorsque le réacteur nucléaire fonctionne la chaleur qui se dégage de la réaction est extraite du coeur du réacteur, c'est-à-dire de l'enceinte 1 au moyen d'un fluide réfrigérant, par exemple de lthélium, de l'eau lourde ou du sodium. Avantageusement selon l'invention on utilisera du sodium qui est un excellent fluide caloporteur et qui sera particulièrement bien adapté aux conditions d'échange thermique mises en oeuvre selon l'invention. Le fluide caloporteur, avantageusement du sodium,sort chaud de l'enceinte 1 par les orifices 6, 6' pour store recueilli dans une enceinte fermée 7 dans laquelle il abandonne sa chaleur puis retourne refroidi dans l'enceinte en béton 1 logeant le coeur du réacteur en pénétrant par les orifices 8, 8'. La circulation du fluide caloporteur se fait soit en conversion naturelle soit plutôt en convection forcée au moyen de compresseurs (non représentg3. Des chicanes 9, et 10 sont avantageusement prévues pour assurer un bon balayage de l'enceinte 7 et de ses quatres parois verticales 11, 12, 13, 14. Ces parois métalliques sont avantageusement ailetées intérieurement comme repercé en 15 pour faciliter l'échange thermique entre ces parois et le fluide caloporteur qui les lèche, par exemple le sodium. Contrairement à l'art antérieur connu le sodium porté à haute température au coeur du réacteur nucléaire ne sert pas à échauffer un fluide de travail qui entraînera une turbine mais sert essentiellement à porter à une température équivalente les parois 11, 12, 13, 14 de l'enceinte 7. Pour des raisons de technologie cette température sera de l'ordre de 700 à 7500C, de façon à tenir compte des pertes thermiques, des coefficients d'échange de chaleur et des pointes de température maximale admissible pour les barreaux de combustible nucléaire et leursgdnesde protection. Conformément à l'invention le rayonnement des surfaces 11, 12, 13, 14, et plus précisient de leurs côtés tournés vers l'extérieur par rapport au réacteur est utilisé après concentration pour fournir de l'énergie revalorisée à plus haute température. Dans l'exemple illustré aux figures 1 et 2 on voit ainsi que la surface 11, assimilable à un corps noir rayonne comme schématisé vers un réflecteur 16 constitué par exemple par une surface métallique réfléchissante 16 e*torme de cylindre à section parabolique et à direction de génératrice verticale. L'énergie rayonnéipar la surface Il est ainsi concentrée dans une zone voisine de l'axe foyer17 du cylindre parabolique. Une telle concentration du rayonnement peut Store rapprochée à ce qui se fait dans les fours solaires dans lesquels la source de rayonnement ;stle soleil et non pas une plaque chauffée à relativement basse température (vers 7000C dans l'exemple considéré) formant corps noir. Avantageusement, et conformément à l'invention on utilisera l'énergie rayonnée ainsi concentrée autour de l'axe 17 en créant dans cette région une zone où sera conduite une réaction chimique endothermique qui absorbera l'énergie produite par le réacteur. Ceci peut btre réalisé par exemple en plaçant autour de l'axe 17 une conduite 18 dans laquelle on effectuera en continu ladite réaction. Un exemple préféré d'utilisation sera la fabrication de méthanol à partir de gaz carbonique et d'eau, selon les réactions chimiques bien connues : Dans ces réactions avantageusement le gaz carbonique proviendra de cimenterie selon la réaction connue C03Ca - C02 + CaO - 45 mth Ainsi à partir d'un sous-produit indésirable, à savoir le gaz carbonique produftpsr)scimenteries, d'eau et de chaleur nucléaire il est possible de fabriquer directement du méthanol dans d'excellentes conditions. Pour fixer les idées on précisera que le calcul montre qu'avec un réacteur nucléaire de moyennes dimensions développant une puissance thermique de 150 MW on pourra extraire la puissance thermique développée par ce réacteur en utilisant moins de 2500 m2 de surface rayonnante formant corps noir porté à 7000C. Si comme schématisé à la figure 3 on utilise les quatres faces verticales 11, 12, 13, 14 de ltenceinte 7 cosme surface de rayonnement, il suffit donc que ces faces aient des dimensions de l'ordre de 25 m x 25 m, ce qui est tout ce qu'il y a de plus compatible avec les dimensions d'un tel réacteur. Dans le cas considéré on a supposé que la face supérieure 19 ne rayonnait pas età cet effet on a placé une couche d'isolation 20 (figure 2). On précisera d'autre part qu'avec un tel réacteur de 150 MW thermique on pourra ainsi fabriqpar par an 200 000 tonnes de méthanol à partir de gaz carbonique et d'eau, la quantité de gaz carbonique nécessaire étant équivalente à celle que produit une cimenterie de puissance moyenne. En ce qui concerne la conduite des réactions de dissociation du gaz carbonique en oxyde de carbone, de dissociation de l'eau par l'oxyde de carbone et de combinaison de l'oxyde de carbone et de lthydrogène, celles-ci pourront être conduites successivement ou parallèlement dans diverses parties de conduite tel que 18 ou dans la même conduite. La conduite 18 pourra être réalisée en quartz et dans ce cas on lui donnera un diamètre suffisant pour que sa paroi, du reste refroidie par la circulation des gaz réagissan9ne soit portée à trop haute température, les réactions s1 effectuant essentiellement ns la région centrale de la conduite où la température est beaucoup plus élevée par suite de la concentration plus grande d'énergie. Bien entendu, de nombreuses autres applications de l'invention sont possibles, et en particulier on peut faire circuler dans la conduite 18 tout fluide approprié que l'on soumettra à toutes réactions chimiques appropriées et/ou que l'on fera travailler dans des conditions thermodynamiques plus avantageuses que la vapeur d'eau à température nécessairement limitéeproduite normalement par un réacteur nucléaire. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3 le réacteur enfermé dans eon enceinte en béton 1 elle-même entourée par 1'enceinte fermée 7 baignée par le fluide de réfrigération transmet à 11 extérieur par ses quatres faces rayonnantes 11, 12, 13, 14 la puissance thermique du réacteur, laquelle est concentrée par quatres réflecteurs paraboliques 16, 16', 16n, 16"' dans trois zones entourées par des canalisations 18, 18', 18", 18', Ces conduites 18 et 18', 18", 18"' doivent évidemment extraire de l'installation la puissance thermique produite par le réacteur, ceci se faisant avantageusement par la mise en oeuvre à l'intérieur desdites conduites de réactions chimiques endothermiques telles que celles conduisant à la synthèse du méthanol à partir de gaz carbonique et dteau Dans la variante de réalisation schématisée à la figure 4 les fac rayonnantes 21, 22, 23, 24 de l'enceinte 7 ne sont pas planes mais curvilignes, par exemple hyperboliques ou paraboliques, de façon que l'énergie rayonnée par ces surfaces soit concentrée vers les zones où sont disposées des conduites 18, 18', 18", 18'il. Dans ces conduites seront là encore effectuées les réaction endothermiques voulues utilisant directement la puissance thermique du réacteur. Avantageusement une surface réfléchissante 25, par exemple cylindrique circulaire entourera toute l'installation en reconcentrant dans les zones des conduites 18, 18', 18", 18"' le rayonnement qui tendrait à ne pas être utilisé fournie par ces surfaces. Parmi les avantages à mettre à l'actif de l'invention on notera la simplicité de réalisation,l'intérat économique permettant la valorisation de sous produis indésirableg le rendement thermique pratiquement égal à 1005', la sécurité d'emploi, aucun fluide ne s'échappant en dehors de l'enceinte 7. Bien entendu de nombreuses variantes peuvent être apportées au procédé et aux installations décrites. En particulier les surfaces réfléchissantes et les surfaces rayonnantes peuvent être constituées de toute manière connue appropriée, par exemple par facettes juxtaposées courbes ou planes différemment orientées. L'invention comprend donc tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont réalisées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1.- Procédé dtexploitation d'un réacteur thermique applicable notamment aux réacteurs nucléaires de tout type, caractérisé en ce qu'on enferme le circuit de réfrigération du réacteur dans une enceinte fermée dont on fait rayonner au moins une partie de sa surface extérieure et l'on concentre ce rayonnement par tous moyens appropriés tels en particulier que des réflecteurs, ensuite de quoi on utilise ce rayonnement ainsi concentré et revalorisé en température de toute manière appropriée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise le rayonnement concentré pour porter à haute température un fluide circulant dans une conduite placée sensiblement dans la zone de concentration du rayonnement. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on effectue en continu dans ladite conduite une réaction chimique endothermique qui absorbe l'énergie produite par le réacteur. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on fait circuler dans la conduite du gaz carbonique et/ou de la vapeur d'eau en vue de la fabrication d'oxyde de carbone, d'hydrogène et/ou de méthanol. 5.- Réacteur thermique, et plus particulièrement réacteur nucléaire de tout type, comprenant une source engendrant de la chaleur et un circuit de réfrigération extrayant la chaleur de cette source, caractérisé en ce que ledit circuit de réfrigération comprend au moins une surface rayonnante de la chaleur et des moyens tels que des surfaces réflectrices assurant la concentration au moins partielle du rayonnement émis par ladite surface. 6.- Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite surface entoure et enferme au moins partiellement le réacteur et rayonne vers l'extérieur par rapport audit réacteur. 7.- Réacteur selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ladite surface comprend des parois extérieures de l'enceinte enfermant le circuit de réfrigération du réacteur. 8.- Réacteur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite surface rayonnante est sensiblement plane et fait face à une surface réflectrice concentrant le rayonnement. 9.- Réacteur selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisé en ce que ladite surface rayonnante est sensiblement courbe ou constituée de facettes différemment orientées concentrant le rayonnement dans un volume réduit. 10.- Réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que face à ladite surface rayonnante est disposée une surface réflectrice concentrant le rayonnement. 11.- Réacteur selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il est prévu dans la zone de concentration du rayonnement une conduite dans laquelle circule un fluide auquel est apportée la puissance rayonnée concentrée par le réacteur.