Brevet FR2470428A1 — publié le 19810529

La présente invention se rapporte a un nouveau type de blindage pour réacteur fusion thermonucléaire commandée, de construction complexe. Une grande différence entre les réacteurs a fission et les réacteurs a fusion tient au fait que les réacteurs à fission sont d'une construction très simple, alors que les réacteurs a fusion ont en général une construction extrêmement complexe. En effet, tandis que les réacteurs à fission, dans leurs grandes lignes et dans leurs caractéristiques essentielles, sont constitué par un récipient cylindrique, fermé par un couvercle et dans lequel sont disposés les éléments combustibles et les barres de contrôle, avec une unique entrée et une unique sortie pour le fluide réfrigérant, les réacteurs a fusion, en plus du fait qu'ils sont en général d'une construction complexe du point de vue technique, qu'ils aient une forme sphérique ou une forme torique ou toute autre configuration, (par exemple les réacteurs du type "tokamak" ou du type "stellarator"), nécessitent, sur tout leur pourtour, de nombreux points de pénétration pour injecter le combustible (deutérium ou tritium), pour faire le vide, pour extraire et remettre en circulation le combustible partiellement brfllé,pour injecter lténergie servant à assurer les conditions d'injection, et pour d'autres fonctions. De plus, autour des réacteurs a confinement magnétique, doivent être prévus les bobinages électriques destinés à fournir les champs magnétiques nécessaires, ce qui donne lieu a un ensemble complexe de bobines de tous types, de supraconducteurs et de conducteurs normaux. Il convient d'ajouter que tous ces éléments doivent être accessibles de manière å pouvoir être traités sur place, c'est-a-dire réparés, démontés ou remplacés, a l'aide d'installations de manutention a distance, étant donné qu'il s'agit certainement de matériaux activés et que, par conséquent, les ouvriers ne peuvent pas s'approcher tout près de ces éléments, même si le réacteur est épuisé. On peut en déduire que le réacteur a fusion ne se présente pas comme un simple cylindre muni d'un unique couvercle démontable et comportant une unique extrémité accessible, mais, au contraire, ressemble à l'un de ces mécanismes extrêmement compliqués que l'on voit sur les images des romans d'anticipation plutôt qu'à une installation de technique courante. En outre, tout l'ensemble présente des dimensions très importantes. On comprend donc aisément qu'il soit très difficile d'assurer le blindage de réacteurs de ce type. En effet, il ne saurait être question de murer l'ensemble dans une coulée de béton, car il serait alors impossible d'intervenir sur les divers eléments, en raison de leurs formes extrêmement complexes, pour les réparer, les démonter ou les remplacer. Pour cette raison, les solutions qui ont été étudiées jusqu'a présent au stade de la conception prévoient l'utilisation de blindage ou boucliers biologiques très complexes et démontables, en des matériaux solides de types variés, métalliques ou non, contenus dans des structures métalliques et parcourus par des tubes dans lesquels doit circuler un fluide réfrigérant. Une telle installation est d'autant plus complexe et coûteuse qu'en raison des dimensions des réacteurs à fusion, il s'agit souvent de milliers de tonnes de matériaux de types divers, soumis à activation et d'une manutention difficile. Pour décrire le mode de blindage selon l'invention, on se reportera à un réacteur à fusion à confinement magnétique, de forme torique et du type "tokamak", mais il est bien entendu que ce mode de blindage pourrait s'appliquer tout aussi bien à des réacteurs à fusion d'un autre type. L'invention a pour objet un blindage biologique pour réacteur à fusion thermonucléaire, caractérisé par le fait qu'il comprend, autour de la zone de confinement du plasma, un récipient métallique double délimitant un espace rempli de gaz asservi dans sa partie supérieure par des prolongements alternés avec les bobines de champ torique, protégé par des bouchons de blindage revêtus de couvercles, ce récipient double étant muni, extérieurement et aux endroits où cela est nécessaire, de plaques de blindage en plomb et étant entouré par un blindage torique en plomb disposé à l'intérieur des bobines du champ de confinement magnétique, ledit réacteur étant contenu dans une cavité cylindrique d'axe vertical étanche et plongée dans de l'eau déminéralisée en circulation, cette cavité servant de bouclier biologique et de moyen de refroidissement. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le gaz contenu dans l'espace délimité par le récipient métallique double est de lthélium en circulation, servant au refroidissement et à la récupération du tritium. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ce récipient métallique double délimitant un espace rempli de gaz est arrosé extérieurement par de l'eau déminéralisée qui circule lentement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description qui va suivre et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une coupe verticale correspondant à la coupe I-I de la figure 2 du réacteur à fusion selon l'invention; et - la figure 2 est une vue partielle et en perspective de ce réacteur. Le réacteur selon l'invention ne sera décrit ci-après que dans ses grandes lignes; ce réacteur comprend essentiellement - la cavité torique principale 1 dans laquelle doit se former le plasma et la cavité annexe secondaire, en communication directe avec cette cavité principale, comme par exemple la cavité 2 destinée au réchauffement auxiliaire du plasma, ces cavités communiquant avec les pompes à vide, par exemple pour l'injection du combustible, ainsi que des cavités éventuelles pour le déviateur (non représenté sur la figure pour plus de clarté), c'est-à-dire le volume de forme complexe dans lequel on doit faire le vide pour que puisse ensuite se former le plasma;; - le récipient primaire 3 du volume décrit plus haut, qui est une structure soudée en alliage métallique du type nucléaire, c'est à-dire ne comportant pas d'impuretés activables, par exemple en aluminium ou en titane. Une telle structure, destinée à demeure a basse température, fait partie des structures permanentes du réacteur qui doivent durer aussi longtemps que ce dernier. Cette structure délimite la chambre å vide de forme torique, dans laquelle devra se former le plasma, et elle comprend un espace libre 4 dans lequel doit circuler en permanence de l'hélium, espace dans lequel il sera possible de régler et de récupérer les pertes éventuelles en tritium. Une telle structure soudée doit être constituée par des segments de tore, soudés le long de plans verticaux d'orientation radiale; ces soudages doivent être effectués entre des parties ondulées et amincies de la structure, de manière à être en mesure de pouvoir absorber localement les dilatationsdifférentielles éventuelles et de façon limiter les courants électriques parasites qui risquent de se former dans le récipient au cours du fonctionnement des recteurs. La structure soudée peut être refroidie, soit par la circulation dthélium dans l'espace 4, soit a l'aide de tubes a circulation d'eau, disposés le long de sa surface extérieure. Un tel récipient étanche 3, de forme aussi comple.-e, correspond au récipient cylindrique des réacteurs å fission. Par conséquent, de même que le récipient cylindrique des réacteurs à fission, ce récipient étanche doit être accessible intérieurement a l'aide d'organes de manipulation commandés distance et de dispositifsautomatisés correspondant a ceux qui, dans les réacteurs à fission, sont appelés machines de chargement et de déchargement.Par conséquent, dans sa partie supérieure, il pourra comporter, dans les zones accessibles, c'est-8-dire dans les zones intermédiaires entre les bobinages du champ torique 14 (figure 2),desprolongements 15 ayant une orientation oblique vers l'extérieur et dirigés vers le haut, munis à leur partie supérieure,de brides 5 sur lesquelles seront fixés les couvercles 6 de fermeture et les boucliers démontables 7 correspondants. Ces couvercles, avec les bouchons de blocage cor respondants,constituent les portes d'acces a la chambre torique et ils sont au nombre de douze ou de seize, sur tout le pourtour du réacteur, à raison d'un bouchon pour chaque espace compris entre les bobinages contigus du champ torique 14. L'étanchéité entre les couvercles 6 et les brides 5 du récipient pourra être assurée de façon connue à l'aide de garnitures métalliques démontables. Sur les brides d'accès 5, après avoir ouvert et retiré le couvercle 6, on pourra installer les dispositifs automatiques d'intervention correspondant aux machines de chargement et de déchargement, destinés à remplacer les parties du réacteur qui se trouvent à l'intérieur du récipient 3. Ces parties situées à l'intérieur du récipient 3 sont des pièces indépendantes, éventuellement de type normalisé, pouvant être remplacées séparément, destinées à être portées des températures élevées et qui risquent d'être endommagées par l'irradiation du plasma, de telle sorte que ces pièces ont une vie courte etqu'ilfautlesremplacerpério- diquement. Ces parties correspondent aux éléments de combustible dans les réacteurs à fission.De telles pièces doivent revêtir intérieurement tout le récipientétanche3, de façon que ce récipient ne voie jamais le plasma et soit suffisamment protégé par ces pièces. Ces pièces contiennent le matériau fertile, en général du lithium métallique en 8 > destiné à la production du tritium et des couches arrière 9,en général métalliques, destinées à jouer le ralle de réflecteur pour les neutrons provenant du plasma. Dans ces parties se dépose, sous la forme d'ênergie thermique, une grande partie de l'énergie provenant du plasma, de telle sorte que ces parties doivent être refroidies de façon efficace, par exemple au moyen d'une circulation d'hélium sous pression dans des tubes disposés intérieurement. L'énergie thermique A haute température ainsi enlevée pourra être utilisée ensuite pour la production d'énergie électrique ou comme énergie de traitement. Par conséquent, chacune de ces parties devra être reliée à un tube d'entrée 10 etc un tube de sortie 11 pour le fluide réfrigérant, ainsi qu'à d'autres tubes destinés à la mise éventuelle sous pressioneta la circulation du lithium métallique liquide, pour l'extraction du tritium, etc. Ces branchements devront être facilement démontables à l'intérieur du récipient, de manière qu'il soit possible de remplacer facilement les pièces endommagées. Afin de limiter le nombre des branchements, on pourra réunir les parties internes en sous-ensembles ou segments de revêtement, démontables séparément, de sorte que, pour chaque sous-ensemble ou segment à extraire par l'ouverture d'accès, on pourra ne prévoir qu'un seul branchement démontable de l'un des divers types convenables.Les segments disposés au-dessous des ouvertures d'accès 5 pourront être extraits directement de telles ouvertures, tandis que les segments situés dans les zones comprises entre une ouverture et l'ouverture con tiguX, devront, après extraction des segments contigus situés audessous des ouvertures, être mis en circulation suivant un mouvement torique pour parvenir au-dessous des ouvertures par lesquelles ils devront être extraits. Le récipient secondaire 12, qui doit être une seconde structure soudée en alliage métallique peu activable, de type nucléaire (avantageusement de l'aluminium) doit entourer complètement le récipient primaire 3 et doit délimiter, avec ce dernier, l'espace 4 rempli de gaz, entourant toute la cavité torique principale et les cavités secondaires annexes communiquant avec ces cavités principales. Cette structure elle aussi pourra être constituée par des segments de tore, soudés le long de plans verticaux d'orientation radiale, en des endroits amincis et ondulés de la structure, de manière à pouvoir absorber localement les dilatations différentielles éventuelles et de façon à limiter les courants parasites susceptibles de se former au cours du fonctionnement. De plus, en vue de limiter et d'arrêter les courants induits, cette structure pourra être interrompue et traversée par des pièces non conductrices en céramique, qui, par conséquent, ne nuiront pas à l'étanchéité. Ce récipient secondaire 12, ou récipient de sécurité en ce qui concerne la retenue du tritium, devra être entouré sur toute sa surface extérieure, par de l'eau déminéralisée 13 circulant lentement, cette eau étant directement au contact de ce récipient et ayant pour rôle de le refroidir, en plus de son rôle de blindage du réacteur. Les bobinages du champ torique 14, contenant généralement des matériaux supraconducteurs, sont disposés suivant des plans radiaux verticaux tout autour de la cavité torique, à une certaine distance de celle-ci, de manière qu'il soit possible d'introduire,entre les deux pièces, une épaisseur suffisante de blindage d'eau déminéralisée. Ceux-ci sont au nombre de douze ou seize et sont alter- nés avec des ouvertures supérieures accessibles 15 de la cavité torique, de manière à ne pas gêner l'accès par le haut. Ils sont refroidis à la température cryogénique de l'hélium liquide et ils sont complètement entourés par une surface étanche 14' constituant un vase de "dewar", en vue de diminuer les pénétrations thermiques. Les bobinages du champ torique, qui comprennent, d'une part, des bobinages de chauffage ohmique du plasma 16, disposés dans la zone centraleetd'autre part, des bobinages d'équilibrage i7, disposés dans les zones situées davantage surie pourtour, sont de forme torique, c'est-à-dire se présentent comme des anneaux disposés dans des plans horizontaux et ils sont en général en cuivre et situés a l'extérieur des bobinages du champ torique (sans être reliés a ceux-ci pour des raisons de simplicité de construction). Dans la solution proposée, ils devront également être entourés par une surface étanche continue 17'. Toutes les autres installations et éléments auxiliaires disposés autour du réacteur, situés dans des plans différents et ayant des orientations variées, devront être entourés complètement par une surface étanche, raccordée directement au récipient secondaire de la cuve du réacteur. Tous les câbles d'alimentation électrique et tous les tubes et, d'une façon générale, tous les passages et les éléments de communication entre le réacteur et les installations extérieures à ce dernier devront être entourés par une surface étanche, qui pourra être directement au contact de l'eau déminéralisée 13 destinée à entourer toute l'installation. Tout le blindage du réacteur, aussi bien le blindage entre le récipient double de la cuve contenant le plasma et les bobinages qui fournissent les champs magnétiques que le blindage biologique entre toute l'tle nucléaire et le monde extérieur, devra être obtenu en remplissant tous les espaces vides extérieurs aux éléments considérés à l'aide d'eau déminéralisée 13, circulant lentement, afin d'éliminer l'énergie thermique qui s'y est déposée.Dans les zones comprises entre le récipient double et les bobinage du champ magnétique, où l'espace disponible n'est pas suffisant pour assurer un blindage uniquement par de l'eau, comme par exemple dans la zone centrale du réacteur, où l'espace est nécessairement limité, on pourrait installer des plaques en un matériau dense 18 (par exemple contenant du plomb), afin de constituer un blindage plus efficace contre les rayons gamma provenant du plasma ou des parties intérieures activées. L'plue nucléaire devrait être installée dans un récipient cylindrique 19 étanche, que l'on pourrait remplir d'eau avant la mise en marche du réacteur et que l'on pourrait vider après extinction du réacteur, chaque fois que l'on voudrait accéder aux divers organes en vue d'operations de manutention a effectuer à l'aide de dispositif de télécommande. Il n'est pas exclu non plus, le réacteur étant arrêté, qu'il soit possible grâce 8 l'utilisation d'un écran de plomb 20 disposé tout autour de la chambre torique et des parties activables, à une distance convenable, d'accéder au récipient, dans les zones entourant l'ile nucléaire, après avoir retire l'eau de blindage. Cela faciliterait, d'une façon générale,les opérations de manutention sur les parties extérieures non activées et permettrait un contrôle plus facile des machines automatiques d'intervention à l'intérieur de l'écran de plomb 20. La solution proposée de blindage du réacteur à fusion, reposant essentiellement sur l'utilisation d'eau déminéralisée, doit être comprise dans un sens beaucoup plus général que ne le laisse entendre la description qui précède, qui ne constitue qu'un exemple simple. C'est ainsi, par exemple, que rentrent sous la coupe de l'invention, tous les dispositifs et détails permettant d'améliorer l'application de l'invention et les résultats, par exemple la division du volume occupé par i'eau en autant de compartiments étanches et indépendants les uns des autres, ou encore l'application de cloisons en un matériau électriquement isolant, dans le volume occupé par l'eau, de manière à diminuer les risques de formation de courants parasites induits, ou encore tout dispo sitif avantageux. Les couvercles supérieurs 6 d'accès A la cavité sous vide contenant les parties intérieures du couvercle, ainsi que les bouchons de blindage 7 correspondants pourront être eux aussi plongés sous le niveau de l'eau, au cours du fonctionnement du réacteur. Dans ce cas, on pourrait faire baisser le niveau de l'eau, le réacteur étant éteint, avant de procéder à l'ouverture, et à l'application suivante sur la bride correspondante de l'appareillage de remplacement des pièces internes du couvercle (les récipients contenant du lithium métallique et les parties correspondantes de la première cloison, les parties situées en arrière, le réflecteur de neutrons, les parties intérieures auxiliaires, par exemple "limiters", etc.). Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par lthomme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Bouclier biologique pour réacteur à fusion thermonucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend, autour de la zone de confinement du plasma, un récipient métallique double (3, 12) délimitant un espace (4) rempli de gaz asservi, dans sa partie supérieure par des prolongements alternés avec les bobines de champ torique, protégé par des bouchons de blindage (7) revêtus de couvercles (6), ce récipient double étant muni, extérieurement et aux endroits où cela est nécessaire, de plaques de blindage en plomb, et étant entouré par un blindage torique (20) en plomb disposé à l'intérieur des bobines du champ de confinement magnétique, ledit réacteur étant contenu dans une cavité cylindrique d'axe vertical, étanche et plongée dans de l'eau déminéralisée (13) en circulation, cette cavité servant de bouclier biologique et de moyen de refroidissement. 2 - Bouclier biologique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce récipient métallique double (3, 12) est constitué par une structure soudée en alliage de type nucléaire, non activable. 3 - Bouclier biologique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ce récipient métallique double (3, 12) est en aluminium. 4 - Bouclier biologique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ce récipient métallique double (3, 12) est en titane. 5 - Bouclier biologique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz contenu dans l'espace (4) délimité par ce récipient métallique double (3, 12) est de l'hélium en circulation, servant au refroidissement et à la reXcupération du tritium. 6 - Bouclier biologique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, a sa partie supérieure, des prolongements d'asservissement obliques vers l'extérieur et dirigés vers le haut, fermés par des bouchons de blindage amovibles et protégés par des couvercles. 7 - Bouclier biologique selon la revendication 1 ou 6, caractérisé en ce que lesdits bouchons de blindage contiennent du carbure de bore. 8 - Bouclier biologique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit récipient métallique double (3, 12) délimitant un intervalle rempli de gaz, est arrosé extérieurement par de l'eau déminéralisée en circulation.