Brevet FR2546656A1 — publié le 19841130

La présente invention concerne un réacteur surgénérateur rapide et plus particulièrement la structure du coeur du réacteur. Généralement le coeur d'un réacteur surgénérateur rapide a une configuration cylindrique ou une configuration se rapprochant de celle-ci et il est entoure par un manteau. Du combustible nucléaire chargé dans le coeur de réacteur comprend généralement de lluranium concentré ou de l'uranium enrichi avec du plutonium et le manteau est formé d'une substance fertile qui absorbe des neutrons fuyant du coeur pour convertir les neutrons absorbés en une substance fissile utilisable et le manteau est chargé avec de l'uranium naturel ou de l'uranium épuisé. La figure 1 représente schématiquement une coupe vertIcale d'un réacteur surgénérateur rapide homogène de i'art antérieur. Dans le coeur du réacteur représenté sur la figure 1, un coeur extérieur de réacteur 5 est entouré par un manteau radial annulaIre 1, et un manteau axial supérieur 2 et un manteau axial Inférieur 3 sent entourés par les parties supérieure et inférieure du manteau radial 1. Dans la partie centrale du coeur de réacteur, il est prévu entre les manteaux supérieur et inférieur 2 et 3 un coeur intérieur de réacteur 4 comprenant des ensembles combustibles contenant une substance fissile à faible densité.Le coeur extérieur de réacteur 5 comportant des ensembles combustibles contenant une substance fissile à forte densité est installé entre le coeur intérieur de réacteur t et le manteau radial 1. Ben que sur la figure 1 les différents coeurs 2, 3, 4 et 5 soient représentés par des blocs indépendants, en realité chaque barre combustible est formée des différentes substances constituant respectivement les coeurs 2, 3, 4 et 5, comme cela sera décrit dans la suite. Dans le réacteur surgénérateur rapide ayant la structure indiquée sur la figure 1, la distrIbutIon de puissance n'est pas suffisamment plate ou uniforme dans la dIrectIon de l'axe Z comme indiqué par les courbes a sur la fig. 2, où les ordonnées représentent la dIstribution de pussance relative et les abscisses la distance Z à partIr du centre du coeur dans la direction verticale. Lors de la conception du coeur d'un réacteur surgénérateur rapide, il est économique de rendre aussi plate que possible la distribution de puissance dans le coeur afin de réduIre son diamètre et de diminuer la quantIté nécessaire de substance fissile. Cependant en pratique, avec les réacteurs surgénérateurs rapides de l'art antérieur, on n'a pas obtenu une dIstribution de puissance suffisamment plate comme IndIqué sur la fig. 2. Pour obtenIr une distribution sensiblement plate dans la direction axiale du réacteur surgénérateur rapide, on a essayé de modifier différemment le degré dgenr,chisse- ment de plutonium dans les pastilles combustibles contenues dans des barres ou broches combustibles insérée s dans le coeur du réacteur. Cette mesure augmente cependant le nombre de types de pastilles combustibles, en augmentant par conséquent non seulement le coût de fabrication du combustible mais en rendant également compliqué le contre du combustible. La Demanderesse a déposé au Japon sous le numéro 188 657/1982 une demande de brevet concernant un réacteur surgénérateur rapide comprenant un coeur intérieur formé d'un combustible nucléaire contenant une substance fissile à faible densité, un coeur extérieur entourant le coeur intérieur et formé d'un combustible nucléaire contenant une matière fissile à une plus forte densité que le coeur intérieur de réacteur et des manteaux supérieur et inférieur disposés sur les catés supérieur et InférIeur du coeur intérieur du réacteur et formés d'un combustible nucléaire contenant une substancefissile à la même densité que le coeur extérieur de réacteur. Ainsi, comme indiqué sur la fIg. 3, ce réacteur surgénérateur rapide comprend un coeur intérieur 9, un coeur extérieur 10, un manteau 6 d'enveloppement et des régions 11 et 12 disposées aux extrémités supérieure et inférieure du coeur intérieur 9 du réacteur et formées d'un combustible nucléaire contenant une substance fissile à la même densité que le coeur extérieur 10 du réacteur. Avec cette structure, comme indiqué sur la fig. 4, la distribution de puissance peut être rendue plus plate, comme indiqué par les courbes , que les courbes a du réacteur surgénérateur rapide de l'art antérIeur représenté sur la fig. 1, sans augmentation du nombre de types de pastilles combustibles ayant différents degrés d'enrichwsse- ment de plutonium, en éliminant ainsi les inconvénients d'augmentation du coût de fabricatIon des pastilles combustibles à cause de l'augmentation du nombre de types de pastilles combustibles contenant du plutonium à différents degrés d'enrichissement, et de complIcation du contrôle des pastilles combustibles. Cependant avec un tel réacteur surgénérateur rapide, au début du cycle de fonctionnement du réacteur nucléaire, puisque les barres de commande sont partiellement insérées dans le coeur à partir du haut, par exemple, la distribution de puissance du coeur à proximité des barres de commande diminue tandis que celle de la Fartie inférieure du coeur de réacteur augmente, ce qui se traduit par une asymétrie de distribution de puissance dans le sens de la hauteur, comme IndIqué par la courbe c représentée sur la fig. 5, en augmentant ainsi exces vivement la distribution de puissance de la partie inférieure du coeur de réacteur.Sur la figure 5, les abscisses représentent des positions axiales, 0, l0 - l5 (qui ont été indiquées le long de l'axe des abscIsses sur la figure 3 ), les ordonnées représentent la densité de puissance relative, et 20 représente la position d'une barre de commande. En conséquence l'invention a pour but de créer un réacteur surgénérateur rapide perfectionné capable de supprimer une augmentation excessive de la densité de puissance dans la partie inférieure ( ou supérieure ) du coeur du réacteur au moment d'une insertion partielle des barres de commande, en aplatissant aInsi autant qu'il est possible la distrIbutIon de puissance sans augmentation du nombre de types de pastilles combustibles ayant des degrés différents d'enrichissement de plutonium. Conformément à cette invention, il est prévu un réacteur surgénérateur rapide du type comprenant un coeur intérieur formé d'un combustible nucléaire contenant une substance fissile, un coeur extérieur formé d'un combustible nucléaire contenant une substance fissile à une plus forte densité que le coeur intérieur du réacteur et disposé pour entourer celui-ci, des régions supérieure et inférieure formées d'un combustible nucléaire contenant des substances fissiles à la même densité que celle du coeur extérieur, les régions supérieure et InférIeure étant disposées audessus et en dessous du coeur intérieur du réacteur, carac térisé en ce que l'épaIsseur axiale-de la région supérIeure est Flus grande que celle de la région InférIeure de 4/100 à 13/100 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la descripton, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe verticale schmétique montrant la structure d'un réacteur surgénérateur rapide de l'art antérieur, la fIgure 2 est un graphique donnant la relation entre la distance axiale et la densité de puissance relative du réacteur représenté sur la fig. 1, la figure 3 est une vue en coupe verticale schématique montrant la structure d'un réacteur surgénérateur rapide perfectIonné qui est décrit dans la demande de brevet japonais n 188 657/1982, la figure 4 est un graphique donnant la distribution de puissance axiale du réacteur représenté sur la fig. 3, la figure 5 est un graphique donnant la distribution de puissance axiale du réacteur représenté sur la fig. 3 lorsque des barres de commande sont partiellement Insérées dans le coeur du réacteur, la figure 6 est une vue en coupe verticale schématique montrant un mode de réalIsatIon du réacteur surgénérateur rapide conforme à l'invention, la figure 7 est une vue en coupe longItudInale montrant une broche combustible installée dans le coeur intérieur représenté sur la fig. 6, la figure 8 est une vue en coupe longitudinale montrant une broche combustible installée dans le coeur extérieur représenté sur la fig. 6, la figure 9 est un graphique donnant la distribution de puissance relative axiale du réacteur surgénérateur rapide représenté sur la fIgure 6, la figure 10 est une vue en coupe verticale montrant une modIficatIon de cette Invention, la figure 11 est un graphique donnant la distrIbutIon de puIssance radiale du réacteur représenté sur la fig. 10, et la figure 12 est un graphique donnant la relation entre le facteur de crete de puissance de coeur de réacteur et la différence entre les distances L0 - l1 et L3 - l4 On va maintenant décrIre les modes préférés de réalIsatIon de l'invention. LQ figure 6 montre la structure du coeur d'un réacteur surgénérateur rapide homogène mettant en oeuvre l'invention et produIsant à sa sortie une puissance de 1000 W. Dans le coeur de ce réacteur homogène, un manteau radial 6 est disposé autour de la périphérie complètement extérieure du coeur. Dans les parties supérieure et inférieure du coté intérieur du manteau radial 6 sont disposes respectivement un manteau axial supérieur 7 et un manteau axial Inférieur 8.Dans la parte centrale du coeur de réacteur, entre les manteaux axiaux supérieur et inférieur 7 et 8, il est prévu un coeur intérieur 9 constitué d'ensembles combustibles nucléaires contenant une substance fissile à faible densité. Un coeur extérieur 10 du réacteur, formé d'ensembles combustibles nucléaires contenant une substance fissile à forte densité, est dIsposé entre le coeur intérieur 9 et le manteau radial 6. Des réglons 11 et 12 formées d t une substance fissile ayant la meme densité que le coeur extérieur de réacteur 10 sont disposées respectivement aux extrémités supérieure et inféreire du coeur intérieur 9 du réacteur. L'épaisseur axiale l1 - L0 de la région supéreire 11 est rendue supérieure à l'épaisseur L3 - t 4de la région inféreire 12. Plus partIculIèrement l'épaisseur de la région supérieure 11 est rendue supérieure de 4/100 à 13/100 à celle de la région Inférieure 12. Sur la figure 6, on a désigné par 20 des barres de commande destinées à être insérées dans le coeur de réacteur. La figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une broche combustible 13 Installée dans le coeur snté- rieur 9 et contenant une pastille combustible 8a pour le manteau axial InférIeur 8, une pastille combustible 10a ayant le meme degré d'enrichissement de plutonIum que le coeur extérieur 10 du réacteur, une pastIlle combustIble 9a constituant le coeur IntérIeur de réacteur 9 et contenant une substance fissile à faible densité, une pastille combustible 10a ayant le même degré d'enr ch.ssement que le coeur extérieur 10 du réacteur, et une pastille combustible 7a constituant le manteau axial supérieur 7 lesdites pastilles combustibles étant empilées comme indiqué. La figure 8 est une vue en coupe longitudinale d'une broche combustible 14 installée dans le coeur extérieur lo du réacteur surgénérateur rapide de l'invention, représenté sur la fig. 6, et contenant une pastille combustible 8a pour le manteau axial inférieur 8, une pastille combustible 10a pour le coeur extérieur 10 du réacteur et formée d'une substance fissile à forte densité, et une pastille combustible 7a pour le manteau axial supérieur 7, lesdites pastilles combustibles étant empilées comme indiqué. Le réacteur surgénérateur rapide représenté sur les fIgures 6, 7 et 8 a une distribution de puissance plus aplatie que celle du réacteur surgénérateur rapide de l'art antérieur représenté sur la figure 3, comme Indiqué par les courbes d sur la fig. - 9, où les ordonnées désignent la densité de puissance relative tandis que les abscisses designent la dIstance le long d'un axe Z. Dans un coeur de réacteur ayant les dimensions indiquées sur la fig. 6, il a été possible de réduire le facteur de crete de puissance axiale de 1,27 à 1,22. Plus particulièrement dans le réacteur surgénérateur rapide représenté sur la figure 3, la distribution de puissance de coeur lorsque les barres de commande 20 sont insérées devient asymétrique dans le sens de la hauteur, comme indiqué par une courbe c représentée en trait interrompu sur la fig. 9, en augmentant ainsi excessivment la densité de puissance dans la partie inférieure du coeur de réacteur. A la différence du réacteur surgénérateur rapIde de l'inventwon, représenté sur la fiq. 6, il est possible de réduire la densité puissance dans la parte Inférieure du coeur, la distribu- tion de puissance entre les positions l1 et l4 devenant plus aplatie comme indiqué par les courbes d sur la figure 9. En supposant la même puissance maximale, le réacteur conforme à l'invention et représenté sur la figure 6 peut produire une plus grande puissance moyenne que le recteur de l'art antérIeur représenté sur la figure 3. En conséquence, dans des coeurs de réacteur ayant la meme puissance totale, il est possible avec le réacteur représenté sur la figure 6 de réduire le nombre des ensembles combustibles chargés dans le coeur, en diminuant aInsi le volume de ce coeur.Quand la différente entre les distances 1 - L0 et L3 - l4 est réglée à 8 cm, il est possible de réduire le volume du coeur d'environ 7 %. Les résultats de nombreux calculs et essaIs ont montré que, lorsque la diffé- rence entre les distances l1 - L0 et L3 - l4 était réglée de façon à être placée dans une plage de 4 - 13 cm, la distribution de puissance était plus efficacement aplatie. La figure 12 est un graphique donnant le coefficient de crête de puissance de coeur de réacteur ( rapport de la densité de puissance moyenne à la densité de puissance maximale) lorsque la différence entre les distances L0 - l1 et Le - l4 est modifiée de 0 à 16 cm. Comme le montre le graphique, lorsque la différence entre les distances L0 et Le - l4 est de 8 cm, le facteur de crête de puissance est minimal. En outre on peut remarquer que, lorsque la différence entre les distances L0 - l1 et L3 - l4 est comprise entre 4 et 13 em, le coefficient de crête de puissance peut etre remarquablement réduit.Dans cette plage, le volume du coeur de réacteur peut etre réduit d'environ 7 % par comparas son au réacteur surgénérateur rapide de même capacité de l'art antérieur. A 11 extérieur de cette plage, même lorsque la disposition des barres de commande est améliorée, le facteur de crête de puissance ne peut pas être réduit fortement. La figure 10 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel des régIons 11 et 12 placées sur les côtés opposés du coeur intérieur 9 sont pourvues de saillies axiales Ila, 12a sur leurs parties pérIphérIques, en formant ainsi les évidements. Les surfaces supérieure et inférieure de la région centrale sont pourvues de saillies axiales 9a, 9b reçues dans les évIdements. Cette modification permet de plus aplatir la distribution de puissance dans la directIon radiale que dans le mode de réalisation précédemment décrit en référence à la fig. 6, comme indiqué par les courbes e sur la figure 11.Sur la figure 11, les abscisses représentent la distance radiale R à partir du centre du coeur de réacteur tandis que les ordonnées représentent la puissance relative intégrée axialement. Les courbes f représentées en trait interrompu sur la fis. 11 représentent la puissance relative intégrée axialement du réacteur surgénérateur rapide de l'art antérieur indiqué sur la fig. 1. Comme décrit ci-dessus, conformément à cette inven talon, il est possible d'aplatir la distributIon de puissance du réacteur quand les barres de commande sont partiellement insérées dans le coeur sans augmentation du nombre de types de pastilles combustibles ayant différents degrés d'enrichissement de plutonium. En conséquence il est possIble d'empêcher une augmentation du coût de fabrication des pastilles combustibles à cause de l'augmentatIon des types de pastilles combustibles provoquée par différents degrés d'enrichissement de plutonium. I1 va de soi que Invention est également applica- ble à ce qu'on appelle un coeur de réacteur à trois régions comportant un coeur extérieur contenant 20 % en poids de plutonium, un coeur intérieur contenant 15 % en poids de plutonium et un coeur intermédIaire contenant 17 % en poids de plutonium, par exemple. Dans ce cas, les régIons 11 et 12 disposées au-dessus et en dessous du coeur Intérieur 9 sont agencées de façon à contenir des pastilles disposées dans coeur intermédiaire ou le coeur extérieur. REVENDICATIONS 1. Réacteur surgénérateur rapide du type comprenant un coeur intérieur formé d'un combustible nucléaire contenant une substance fissIle, un coeur extérieur formé d'un combustIble nucléaire contenant une substance fissile à une plus forte densité que le coeur intérieur et disposé de manière à entourer celui-ci, des régIons supérIeure et inférieure formées d'un combustible nucléaire contenant une substance fissile à la meme densIté que celle du coeur extérieur lesdites régIons supérieure et inférieure étant disposées au-dessus et en dessous dudit coeur intérieur du réacteur, caractérisé en ce que l'épaisseur axiale de ladite région supérieure (11) est supérieure de 4/100 à 13/100 à celle de ladite région Inférieure (12). 2. Réacteur surgénérateur rapide selon la revendIcation 1, caractérisé en ce que la somme des épaisseurs axiales dudit coeur intérieur (9) et desdites régions supérieure et inférieure (11, 12) est sensiblement égale à l'épaIsseur axiale dudit coeur extérieur (10). 3. Réacteur surgénérateur rapide selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledIt coeur intérieur (9) du réacteur est pourvu de saillies axiales (9a, 9b) sur ses surfaces supérieure et Inférieure et en ce que lesdites régIons supérIeure et inférieure (11, 12) sont pourvues de saillies annulaires axiales (12a, 12b) qui entourent respectivement lesdites saillies axiales dudit coeur intérieur.