Brevet FR2520545A1 — publié le 19830729

La présente invention concerne le réglage de la réactivité d'un réacteur nucléaire à eau sous pression PWR. Les variations lentes de réactivité dans les réacteurs nucléai- res à eau sous pression sont reprises par un ajustement de la concentra- tion d'un poison soluble dans le réfrigérant du circuit primaire Les ori- gines de ces variations de réactivité sont essentiellement dues à un épui- sement du combustible au cours du cycle, à un empoisonnement du coeur par la production de produits de fission (Xénon, etc) ou encore à des chan- gements de la température du réfrigérant entre les conditions d'arrêt à froid et d'arrêt à chaud Les poisons solubles couramment utilisés peuvent être des sels de gadolinium ou de l'acide borique. Il est clssique d'ajuster la concentration du poison soluble dans le réfrigérant par injection de solution concentrée de poison ou au contrai- re par dilution du réfrigérant Cette dernière opération conduit à la forma- tion d'un volume important d'effluents qui doivent être traités avant réuti- lisation dans le circuit primaire ou rejet. Pour éviter d'avoir à traiter ces effluents avant leur réutilisa- tion ou leur rejet, on a essayé de diminuer le volume d'effluents obtenus lors du réglage de la concentration du poison dans le réfrigérant On pour- ra par exemple se reporter au brevet français N O 1 598 608, dans lequel on utilise, pour modifier la concentration de poison soluble dans le réfrigé- rant, des résines échangeuses d'ions chargées de poison et dont on modifie la capacité de mise en réserve au cours du pasage du réfrigérant en faisant varier leur température de fonctionnement, c'est-à-dire celle du réfrigérante la fixation du poison sur les résines échangeuses d'ions a lieu à une tempé- rature de l'ordre de 0-40 C et, au contraire, son dégagement a lieu vers une température de ltordre de 60-900 C Ainsi les effluents sont stockés dans les résines et ne sont pas évacués Il n'y a donc aucun problème de retrai- tement de ces effluents. Cependant, si le procédé décrit dans le brevet français N O 1 598 608 ne présente pas l'inconvénient résidant dans la formation d'un volume impor- tant d'effluents, il comporte principalement deux autres inconvénients: ce procédé ne permet qu'une variation lente de la concentration en poison solu- ble et il ne permet d'ajuster que certaines concentrations de poison situées dans une plage qui est fonction des résines. La présente invention tente donc de remédier à ces inconvénients. L'invention vise un procédé par lequel on puisse traiter rapide- ment de grands volumes de fluide réfrigérant dans une grande plage de con- centrations du poison et qui ne présente pas 1 ' inconvénient de produire une grande quantité d'effluents a traiter. L'invention concerne aussi un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de modifica- tion de la concentration du poison -soluble contenu dans le fluide réfrigé- rant du ciremdt primaire d'un réacteur nucléaire à eau sous pression. Selon l'invention, ce procédé consiste à prélever le fluide ré- frigérant du circuit primaire, à le faire passer dans au moins un module d'électrodialyse et à le renvoyer dans le circuit primaire. Le procédé selon l'invention est de préférence réversible, c'est- à-dire qu'il utilise les mêmes modules d'électrodialyse pour augmenter ou pour diminuer la concentration du poison, seule une inversion de polarité étant nécessaire pour inverser leur fonctionnement. Dans un mode préféré, le procédé selon l'invention consiste à faire passer une partie seulement du fluide réfrigérant dans les modules d'électrodialyse, l'autre partie étant dirigée vers au moins un appareil d'osmose inverse. De préférence, ce procédé n'utilise simultanément les modules délectrodialyse et les appareils d'osmose inverse que lorsque la concen- en goison (par I Vies par million) tration du fluide réfrigérant est inférieure à 500 ppm/ou lorsque la con- centration en poison doit être modifiée de plus de 50 ppm par heure, les modules d'électrodialyse étant utilisés seuls en dehors de ces vakurs. Dans là cas oa le poison soluble est de l'acide borique dilué, on ajoute au fluide réfrigérant, à sa sortie du circuit primaire, un ad- ditif destiné à favoriser la dissociation de l'acide borique. Linvention concerne également un dispositif de mise en oeuvre de ce prcodé. Dans un premier mode de réalisation, ce dispositif conmporte deux circuits, le premier fermé sur le circuit primaire et le second fermé sur un réservoir dteffluents, ces deux circuits passant tous les deux à travers au moins un module d'électrodialyse commun. Ces modules d'électrodialyse peuvent être montés en parallèle ou en série. Dans un deuxième mode de réalisation, ce dispositif conmporte, outre les deux circuits précités, un circuit fermé sur le circuit primaire et comportant au moins un appareil d'osmose inverse. On a en outre intérêt à compléter ce dispositif par un circuit destiné au traitement des effluents, partant du réservoir d'effimnts et passant par au moins un module d'électrodialyse de séparation des effluents et en eau d'une part/en poison soluble d'autre part, en vue de leur stockage. Ce circuit de traitement des effluents peut également comporter des appareils d'osmose inverse au lieu de modules d'électrodialyse. Dans le cas o le poison soluble est de l'acide borique, le dispo- sitif selon l'invention comporte en outre des moyens pour injecter un ad- ditif dans le fluide réfrigérant à sa sortie du circuit primaire et des moyens pour éliminer l'additif du fluide réfrigérant à son retour vers le circuit primaire. Les moyens d'injection de l'additif peuvent être constitués par exemple par un lit de résines cationiques ou par des zéolithes, selon que l'additif est ionisé ou ne l'est pas. Les moyens d'élimination peuvent être constitués par un lit de ré- sines cationiques, par des zéolithes ou par un module d'ultrafiltration. Afin de mieux être comprise, l'invention va être décrite de façon plus précise en se référant plus particulièrement à un mode de réalisation préféré représenté par la figure unique annexée. Cette figure représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, comportant à la fois des modules d'élec- trodialyse et un appareil d'osmose inverse et dans lequel un produit tsi- que est injecté dans le fluide réfrigérant puis éliminé, au moyen de deux lits de résines cationiques En outre, sur ce schéma, le dispositif selon l'invention est complété par un circuit de traitement des effluents par osmose inverse. Plus précisément, la figure représente une installation destinée à modifier la concentration du poison soluble contenu dans le fluide réfri- gérant du circuit primaire 1 d'un réacteur nucléaire, le fluide réfrigérant (Darties Dar million) étant constitué par de l'acide borique dilué de 2000 à 10 ppm/de bore Le fluide réfrigérant est prélevé du circuit primaire 1 au moyen d'une canali- sation 2 reliant une branche froide d'une boucle du circuit primaire 1 à l'entrée du c 8 té chaud d'un échangeur de chaleur 3 La sortie de l'échan- geur de chaleur 3 est reliée, par l'intermédiaire d'orifices de détente 4, à un deuxième échangeur de chaleur 5 qui refroidit encore le fluide réfri- gérant jusqu'à une température comprise entre 30 et 800 C L'échangeur de chaleur 3 et les orifices de détente 4 sont placés à l'intérieur de lten- ceinte étanche dont on a représenté la paroi 6 alors que le reste de ltins- tallation se situe à l'extérieur Une vanne 7 permet d'isoler éventuelle- ment ltenceinte du circuit de modification de la concentration du poison. Après son passage dans l'échangeur 5, le fluide réfrigérant est filtré en 8. Si la concentration en bore 5 qui a été xwsurée préalablement au niveau du circuit primaire 1 est correcte, la vanne 10 reste fermée alors que la vanne 10 ' s'ouvre pour permettre au fluide réfrigérant de pénétrer dans un circuit 11, un déminéraliseur 12 et un réservoir de contr 8 le volumétri- que 13 Par l'intermédiaire d'une pompe de charge 14, le réservoir 13 est relié à l'entrée froide de l'échangeur 3 par une ligne 15, munie d'une van- ne de réglage 16 Le réservoir 13 est également relié aux joints à fuite contr 8 lée des pompes primaires par une ligne 17. Si la concentration en poison soluble du fluide réfrigérant n'est pas correcte, la vanne lot reste fermée alors que la vanne 10 s'ouvre pour permettre au fluide réfrigérant de pénéter dans le circuit de modification de la concentration du poison. L'ouverture de la vanne 18 permet au fluide réfrigérant de passer sur un lit de résines cationiques 19 initialement saturé en cations (NH 4 + par exemple) et d'extraire de celui-ci des ions qui augmentent sa teneur en base; ceci favorise la dissociation de l'acide borique contenu dans le fluide, avant que celui-ci ne pénètre dans les modules dtélectrodialyse 20 et 21: le rendement de ces modules est ainsi augmenté. Avant de pénétrer dans les modules d'électrodialyse 20 et 21, la température du fluide est encore abaissée jusqu'à une température comprise entre 30 et 50 C par un échangeur de chaleur (ou une pompe à chaleur) 22. Les modules d'électrodialyse 20 et 21 sont identiques et sont constitués chacun de compartiments séparés par des membranes De préférence, ces membranes sont de faible épaisseur et présentent une bonne résistance mécanique (on peut utiliser par exemple des membranes d'épasseur inférieure à 1 mm et dont la surface atteint 1 m 2) Ces membranes sont alternativement cationiques et anioniques Les membranes cationiques ne laissent passer que les cations alors que les membranes anioniques ne laissent passer que les anions Par conséquent, les compartiments vont contenir alternativement des anions et des cations, ce qui revient à dire qu'ils vont alternativement s'appauvrir ou s'enrichir en poison soluble Dans le cas que nous décrivons, le poison est constitué par de l'acide borique, presque en totalité disso- cié en anions BO 2 et en cations H Ce poison pourrait aussi être consti- tué par des sels de gadolinium dissociés. Le circuit amenant le fluide réfrigérant dans les modules d'élec- trodialyse 20 et 21 se divise, à travers ces modules, en autant de bran- ches qu'il y a de compartiments anioniques s'il doit s'enrichir en bore ou de compartiments cationiques s'il doit s'appauvrir en bore (Quand on veut passer d'un enrichissement à un appauvrissement ou réciproquement, l'inversion se fait par inversion des polarités des modules dtélectrodia- lyse: les compartiments anioniques deviennent cationiques et réciproque- ment). Alors que le circuit de fluide réfrigérant traverse par exemple les compartiments anioniques, un autre circuit 23 traverse simultanément les compartiments cacioniques Ce circuit est fermé sur un réservoir 24 des effluents primaires o sont stockés les effluents liquides primaires du type de ceux issus des purges et évents, échappements de soupape, etc du circuit primaire 1 (représentés sur la figure par le repère 51 et conduits au réservoir 24 par la ligne 52) Le circuit 23 se divise, à l'entrée de chaque module d'électrodialyse 20 ou 21, en autant de branches que le circuit du fluide réfrigérant La circulation des effluents dans le circuit 23 est assurée par une pompe 25. Après avoir traversé les modules d'électrodialyse 20 et 21, le fluide réfrigérant est dirigé vers un deuxième lit de résines cationiques 19 ' qui fixe les ions qui avaient été extraits du lit 19 Le fluide réfri- gérant est alors prêt à emprunter le circuit de retour au circuit primaire 1. On voit sur la figure qu'il est prévu d'inverser les lits 19 et 19 ', le fluide réfrigérant traversant le lit 19 ' à l'aller et le lit 19 au retour des modules d'électrodialyse: en effet, au bout d'un certain temps de fonctionnement, le lit duquel sont extraits les ions n'en contient plus suffisamment et le lit qui fixe les ions n'est plus capable d'en fixer da- vantage Pour déterminer le moment o l'inversion doit être effectuée, un compteur dtimpulsions 26 Lotalise le débit de fluide réfrigérant fourni aux modules d'électrodialyse: quand le compteur 26 a totalisé un certain débit, l'inversion s'effectue automatiquement. Quand la concentration en bore du fluide réfrigérant est suffisan- ment importante (au-dessus de 500 ppm) et quand la variation de cette con- centration n'est pas très importante (inférieure à 50 ppm par heure) les. modules d'électrodialyse sont utilisés seuls. Toutefois, quand la concentration en bore est inférieure à o ppa om quand la variation de la concentration doit être supérieure à ppm par heure, les modules dtélectrodialyse peuvent s'avérer insuffi- sants; en effet, dans ces conditions, la modification de la concentration S en bore est possible mais longue On se trouve dans de telles conditions en fin de cycle de vie du combustible, lorsque la quantité de bore devient faible ou pendant les transitoires de fonctionnement (redémarrage après ar- rêt à chaud, et empoisonnement maximal du coeur par le xénon, etc) , lorsque la variation de la concentration est importante. Dans ces conditions, on n'utilise plus les modules dtélectrodia- lyse seuls mais on adjoint à ceux-ci d'autres moyens Dans le cas de la fi- gure, ces moyens supplémentaires sont constitués par un appareil d'osmose inverse 27 La mise en fonctionnement de l'appareil 27 est commandée par une vanne 28 L'ouverture et la fermeture de cette vanne peuvent être com- mandées automatiquement en fonction de la concentration en bore L'appa- reil d'osmose inverse est un appareil de type classique; toutefois, on uti- lise de préférence des membranes se présentant sous forme de fibres creuses en polyamide aromatique Ces membranes permettent de séparer le fluide ré- frigérant en deux solutions, une solution de très faible concentration en bore qui est évacuée de l'appareil d'osmose 27 par la ligne 29 et une solu- tion de très forte concentration en bore qui est évacuée par la ligne 30. Si l'on souhaite diminuer la concentration en bore du fluide ré- frigérant, on ouvre le robinet à trois voies 31 de façon à ce que le fluide évacué par la ligne 29 se dirige vers le lit 19 t (ou 19) afin de retourner vers le circuit primaire 1 Dans ce cas, le robinet à trois voies 32 est ouvert de façon à ce que le fluide évacué par la ligne 30 se dirige vere le réservoir d'affluents 24. Si l'on souhaite augmenter la concentration en bore du fluide ré- frigérant, on dirige au contraire le fluide de la ligne 29 vers le réser- voir d'effluants 24 et le fluide de la ligne 30 vers les lits 19 ' eu 19. Le dispositif que l'on vient de décrire présente de nombreux avan- tages: il permet de traiter en continu et rapidement de grands volumes de fluide r 4 frgéúrant dans une grande plage de concentrations du poison solu- ble Lesa u dispositif est utilisé pour augmenter ou pour diminuer la con- centration du poison. La mise en fonctionnement et l'arrêt du dispositif, de même que laa rsioa de la fonction, peuvent être automatisés et s'effectuent de famea très rapide. 2520 545 En outre, le traitement du fluide réfrigérant ne conduit pas à la formation d'un volume important d'effluents puisque les modules d'élec- trodialyse n'augmentent pas le volume des effluents mais ils ont pour seul effet de concentrer ou de diluer le fluide contenu dans le circuit 23 fermé sur le réservoir d'effluents 24. Toutefois, si l'appareil d'osmose inverse 27 est utilisé simul- tanément, le volume d'effluents va to 4 t de mâme augmenter C'est pourquoi, on a prévu un dispositif 33 de traitement des effluents contenus dans le réservoir 24 Ce dispositif permet de traiter d'une part les effluents pro- lo du*its par l'appareil d'osmose 27 dans les cas o celui-ci est utilisé et d'autre part les effluents du circuit primaire issus de 51. Ce dispositif 33 comporte une ligne 34 issue du réservoir 24 dans lequel sont prélevés les effluents au moyen d'une pompe 35 La ligne 34 conduit les effluents tout d'abord dans un déminéraliseur 36 puis dans un module de décontamination et de dégazage 37 et enfin dans un réservoir 38 dans lequel les effluents sont stockés jusqu'à ce que leur volume soit suffisamment important pour démarrer l'opération de traitement Le traite- ment est effectué par deux appareils d'osmose inverse 39 et 40 montés en série; la mise en pression de ces appareils et la circulation du fluide est assurée par deux pompes 41 et 42 Les appareils 39 et 40 permettent la séparation des effluents en une solution concentrée de poison, stockée en 43, et en eau stockée en 44 La solution concentrée de poison issue de l'appareil 40 est recyclée vers le réservoir 38 afin de n'admettre dans le réservoir 43 qu'une solution concentrée d'un niveau élevé constant (de pré- férence aux alentours de 7000 ppm). Du circuit de traitement des effluents est issu un circuit 45 qui permet le réajustement des modules d'électrodialyse 20 et 21 en ammonia- que Ce circuit 45 compense les fuites d'ammoniaque qui se produisent inévi- tablement dans les modules d'électrodialyse, l'tam=niaque s'échappant vers le réservoir d'effluents 24 Le circuit de réajustement 45 prélève les ef- fluents après leur dégazage c'est-à-dire à la sortie du module 37 (le module 37 permet en particulier de séparer l'ammoniac des autres gaz dissous dans les effluents, tels que hydrogène ou xénon) Le circuit 45 se compose d'un compresseur 46, d'un réservoir de décroissance des effluents gazeux sous pression 47 permettant la liquéfaction de l'ammoniac, et d'un détendeur 48 d'extraction du condensat obtenu en 47, qui dirige celui-ci dans un réser- voir 49 Le réservoir 49 comporte une arrivée d'eau 53 permettant la disso- lution de l'ammoniaque Ce dernier est ensuite injecté dans les électrodia- lyseurs 20 et 21 quand cela est nécessaire, au moyen d'une pompe 50. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisa- tion qui vient d'être décrit, uniquement à titre d'exemple, mais elle cou- vre également toutes les variantes qui n'en différeraient que par des dé- tails ou par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi, le nombre de modules d'électrodialyse n'est absolument pas limitatif et il dépend en particulier des variations de concentration voulues et du poison soluble concerné Les modules d'électrodialyse peuvent aussi être disposés en série plut 8 t qu'en parallèle. Les lits de résines cationiques 19 et 19 ' peuvent être remplacés par des zéolithes, dans le cas o l'additif destiné à favoriser la dissocia- tion de ltacide borique n'est pas ionisé (les lits des résines cationiques n'étant utilisés que pour un additif ionisé). Les lits 19 et 19 ' peuvent aussi être remplacés par un dispositif à ultrafiltration: l'additif injecté est dans ce cas constitué de composés basiques à grosses particules, par exemple du type amines, et, à son retour des modules dtélectrodialyse, le fluide réfrigérant passe à travers un modu- le d'ultrafiltration qui retient les composés basiques. Le circuit de traitement des effluents peut aussi utiliser des mo- dules d'électrodialyse put 8 t que des modules d'osmose inverse Il suffit de remplacer les modules 39 et 40 de la figure par un ou plusieurs modules d'électrodialyse montés en série ou en parallèle. REVENDICATIONS 1. Procédé de modification de la concentration du poison solu- ble contenu dans le fluide réfrigérant du circuit primaire d'un réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'il consiste à prélever le fluide réfrigérant du circuit primaire ( 1), à le faire passer dans au moins un module dfélectro- dialyse ( 20) ou ( 21) et à le renvoyer dans le circuit primaire ( 1). 2. Procédé de modification de la concentration du poison solu- ble contenu dans le fluide réfrigérant du circuit primaire ( 1) d'un réac- teur nucléaire, selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il utilise les mêmes modules d'électrodialyse ( 20) ou ( 21) pour augmenter ou pour diminuer la concentration du poison, seule une inversion de polarité étant nécessaire pour inverser leur fonc- tionnement. 3 Procédé de modification de la concentration du poison solu- ble selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire passer une partie seulement du fluide réfrigérant dans les modules d'électrodialyse ( 20) ou ( 21), l'au- tre partie étant dirigée vers au moins un appareil d'osmose inverse ( 27). 4 Procédé de modification de la concentration du poison solu- ble selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il n'utilise simultanément les modules d'électro- dialyse ( 20 ou 21) et les appareils d'osmose inverse ( 27) que lorsque la concentration du fluide réfrigérant est inférieure à 500 ppm ou lorsque la concentration en poison doit être modifiée de plus de 50 ppm par heure, les modules d'électrodialyse ( 20 et 21) étant utilisés seuls en dehors de ces va- leurs. 5. Procédé dé modification de la concentration du poison soluble selon ltune des revendications 1 à 4, dans le cas o le poison soluble est de l'acide borique dilué, caractérisé par le fait que l'on ajoute au fluide réfrigérant, à sa sortie du circuit primaire, un additif destiné à favoriser la dissociation de l'acide borique. 6. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte deux circuits, le premier fermé sur le circuit primaire ( 1) et le second ( 23) fermé sur un réservoir d'effluents primaires ( 24), ces deux circuits passant tous les deux à travers au moins un module d'électrodialyse commun ( 20 ou 21). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux circuits passent tous les deux par plusieurs modules d'électrodialyse ( 20 et 21) communs montés en série. 8 Dispositif selon la revendication 6, caracttrisé par le fait que les deux circuits passent tous les deux par plu- sieuns modules d'électrodialyse ( 20 et 21) montés en parallèle. 9. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des re- vendicaiems 3 ou 4, caractérise par le fait qu'il comporte, outre deux circuits selon tl'une des reveudications 5 à 7, un circuit fermé sur le circuit primaire ( 1) et comportant aw moins un appareil d'osmose inverse ( 27). 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un circuit ( 33) pour le trai- temnent des efflufets primaires partant du réservoir d'effluents ( 24) et pas- sant par au moins un appareil dtosmose inverse ( 39 ou 40) de séparation des effluents en eau d'une part et en poison soluble d'autre part, en vue de leur stockage (en 43 ou 44). 11. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un circuit pour le traitement des effluents primaires partant du réservoir d'effluents ( 24) et passant par au moins un module d'électrodialyse de séparation des effluents en eau d'une part et en poison soluble d'autre part, en vue de leur stockage (en 43 ou 44). 12. Dispositif selon ltune des revendications 6 à 11, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5, caractérise par le fait qu'il co Wporte des moyens pour injecter un additif l dans le fluicd primaire ( 1) et des moyens pour éliminer l'additif du fluide réfrigérant à son retour vers le circuit primaire ( 1). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérié par le fait que lesdits moyens d'injection sont constitués par un Lit de résines cationiques 19 ou 19 '. 14. Dispositif selon la revendication 12, cara:ctrisé par le fait que lesdits moyens d'injection sont constitués par dms xiolithes. 15 Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'élimination sont constitués par un lit de résines cationf ques 19 ou 19 '. 16. Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 14, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'élimination sont constitués 1 i par des zéolithes. 17. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que lesdits moyens d'élimination sont constitués par un module d'ultrafiltration.