Brevet FR2642558A1 — publié le 19900803

Système de réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome L'invention concerne un système de réacteur surrégénérateur rapide capable de fournir une production thermique/élec- trique correspondant à l'échelle requise. Plus particulière- ment, l'invention concerne un système de réacteur surrégéné- rateur rapide décentralisé autonome convenant aussi pour un site souterrain. En raison des caractéristiques de base d'un réacteur sur- régénérateur rapide, à savoir le fait que des neutrons rapides sont utilisés dans la production d'énergie de fission et dans la surrégénération de combustible, le surrégénérateur a un noyau dense. En conséquence, dans un réacteur de puis- sance à grande échelle, il est nécessaire de prendre en considération un changement de réactivité du coeur de façon à accumuler un plus grand volume de combustible dans le coeur. A cet égard, un mécanisme de sécurité propre parti- culier aux réacteurs surrégénérateurs rapides est nécessaire. Par exemple, la réactivité étant commandée de façon à être négative pour un changement Doppler ou analogue, la sécurité du coeur est maintenue à un niveau élevé. Cependant, dans le but d'assurer la fiabilité de ces mécanismes, des limi- tations de conception sont imposées à la structure et à la commande du coeur, etc. Par exemple, une structure de coeur plate, une structure qui permet une dilatation du coeur, ou une commande pour mettre à niveau le flux de neu- trons du coeur est nécessaire. Ces limitations ne peuvent être résolues seulement en réduisant la taille du coeur. Il existe un besoin pour la réalisation d'un système de réacteur nucléaire optimal applicable universellement dans lequel la rationalisation de la conception est obtenue sur la base d'un équilibre harmonieux entre la sécurité et l'éco- nomie. Un but de la présente invention est de fournir un système de réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome opérant de façon autonome tout en présentant un degré élevé de sécurité et de fiabilité, et dans lequel l'échelle de puissance peut varier facilement, conformément à la demande et à l'application. Pour atteindre le but ci-dessus, l'invention fournit un système de réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome caractérisé en ce qu'une multiplicité de sous-sys- tèmes de réacteurs nucléaires de petite taille, possédant chacun un coeur de réacteur surrégénérateur rapide à petite échelle, et une multiplicité de sous-systèmes générateurs de vapeur, sont disposés dans une cuve principale unique d'un réacteur nucléaire, et un transfert de chaleur est provoqué entre chaque sous-système de réacteurs nucléaires et chaque sous-système de générateurs de vapeur par un réfri- gérant circulant naturellement à travers l'intérieur de la cuve principale du réacteur nucléaire et subissant un échange de chaleur avec un réfrigérant circulant naturellement à travers l'intérieur de chaque sous-système de réacteur nuclé- aire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront de la description ci-après et des dessins annexés, dans lesquels des signes de référence semblables représentent des éléments identiques ou similaires: - la figure 1 est un schéma illustrant un mode de réalisa- tion d'une centrale de production d'énergie à réacteur sur- régénérateur rapide décentralisé selon l'invention; - la figure 2 représente un mode de réalisation d'un réac- teur surrégénérateur rapide décentralisé selon l'invention, (A) étant une vue en coupe longitudinale et (B) une coupe radiale; - la figure 3 est un schéma montrant un mode de réalisation d'un réacteur surrégénérateur rapide du type unitaire; - la figure 4 montre un mode de réalisation d'un générateur de vapeur du type cartouche, (A) étant une vue en coupe longitudinale, (B) une vue en plan et (C) une vue de l'élé- ment de générateur de vapeur vu du dessus; - la figure 5 est une vue conceptuelle illustrant une cen- trale de production d'énergie à réacteur surrégénérateur rapide du type dispersé sur un site souterrain; et - la figure 6 est une vue schématique montrant le système de réacteur de la figure 5. Des modes de réalisation de la présente invention sont dé- crits ci-après en référence aux dessins. Les figures 1 à 4 montrent une turbine 7, une génératrice 8, un réacteur surrégénérateur du type dispersé autorégulé 9, une conduite de vapeur 10, un condenseur 11, une pompe à condensat 12, un dispositif de désalinisation de condensat 13, un réchauffeur 14, des tubulures de chauffage 15, un bassin d'accumulation de chaleur 16, des tubulures d'alimen- tation en chaleur 17, un ventilateur refroidisseur direct 18, une conduite d'alimentation en eau 19, du sodium 20, une cuve principale 21 du réacteur, un réacteur nucléaire du type unitaire 22, des générateurs de vapeur du type car- touche 23, un dispositif de refroidissement direct du coeur 24, de l'eau d'alimentation 25, de la vapeur 26, un courant de convection naturelle 27, un coeur 28, un élément d'échange de chaleur 29, une plate-forme supérieure 30 de la cuve principale du réacteur, une cuve de réacteur du type unitaire 31, du sodium 32, un assemblage de combustible de coeur 33, des barres de commande 34, un ensemble de couverture fertile 35 pour la surrégénération, une tige de support d'alimentation en combustible 36, un mécanisme d'entraînement de barres de commande 37, un mécanisme de support de coeur 38, un soufflet de mécanisme de support de coeur 39, un courant de convection naturelle 40, une conduite de transfert de chaleur 52, un tube de retour 53, une plaque de transfert de chaleur 54 et un raccord 55. Dans le réacteur surrégénérateur rapide décentralisé auto- nome selon la présente invention, la vapeur produite par le réacteur surrégénérateur rapide 9 est amenée à la turbine 7 à travers la conduite de vapeur 10 pour faire fonctionner la génératrice 8, comme montré à la figure 1. La vapeur qui est passée à travers la turbine 7 est condensée par le condenseur 11, o la chaleur est épuisée. Le condensat résultant est envoyé dans le dispositif de désalinisation de condensat 13 par la pompe à condensat 12, mis sous pres- sion puis renvoyé au réacteur surrégénérateur 9 à travers le réchauffeur 14 et la conduite d'alimentation en eau 19. La chaleur recueillie dans le condenseur 11 est transférée au bassin d'accumulation de chaleur de grande capacité 16 au moyen des conduites de chaleur 15. La chaleur contenue dans le bassin d'accumulation de chaleur 16 est fournie par la canalisation d'alimentation en chaleur 17. La conduite de réfrigération directe 18 est raccordée entre le bassin d'accumulation de chaleur 16 et le réacteur surrégénérateur rapide 9. Comme montré à la figure 2, le réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome 9 comprend une multiplicité de réacteurs du type unitaire 22 possédant chacun un coeur surrégénérateur rapide à petite échelle. Les réacteurs sur- régénérateurs du type unitaire 22 sont disposés le long de la périphérie interne de la cuve principale 21 du réacteur recevant le sodium 20 qui sert de réfrigérant, et chacun d'eux est un sous-système individuel qui foncitonne de mani- ère autonome. Les générateurs de vapeur du type cartouche 23 sont disposés radialement sur le c8té interne des réac- teurs du type unitaire 22, et définissent de façon analogue des soussystèmes individuels qui fonctionnent de manière autonome. Le transfert de chaleur s'effectue parmi les sous- systèmes en raison de la convection naturelle du sodium provoquée par une différence de température, comme il sera décrit ci-après. En conséquence, chaque sous-système fonc- tionne en coopération avec les autres pour former un système. Le dispositif de refroidissement direct du coeur 24 est disposé au centre du réacteur surrégénérateur. Comme montré à la figure 3, chaque réacteur du type unitaire 22 est monté sur la plate-forme supérieure 30 de la cuve principale 21, et une multiplicité de ces réacteurs 22 sont décentralisés à l'intérieur de la cuve 21 de la façon montrée à la figure 2(B). Le coeur 28 de chaque 'cuve de réacteur du type unitaire 31 est constitué par les assemblages de combustible de coeur 33, l'ensemble de couverture fertile , et les barres de commande 34. Les assemblages de combus- tible de coeur 33 sont suspendus aux tiges de support d'as- semblages de combustible tous les six ou sept assemblages, et les barres de commande 34 sont situées au centre de ceux-ci pour former une cartouche qui peut être détachée facilement. Les barres de commande 34 sont déplacées vers le haut et vers le bas par les mécanismes d'entraînement sus-jacents 37 pour la commande principale de la variation de réactivité. Le mécanisme de support de coeur 38 est muni du soufflet 39 de façon à permettre une élimination facile de la dilata- tion thermique due aux effets des changements de température à la sortie du coeur. Cette dilatation est supérieure à la variation de la dilatation de la cuve de réacteur du type unitaire 31, et est prévue de façon que les barres de commande 34 ne soient pas extraites du coeur 28 en raison de la dilatation thermique relative des barres de commande et du coeur. 2642558 - L'élément d'échange de chaleur 29 est prévu sur la périphérie externe de la cuve de réacteur du type unitaire 31 et est agencé à l'intérieur de la cuve principale 21 à la partie inférieure de celle-ci en compagnie du coeur de production de chaleur 28 de façon que la convection naturelle du réfri- gérant puisse se produire facilement. Ainsi, l'agencement incorpore le mécanisme de sécurité propre susmentionné, à savoir la suppression de la réactivité du coeur par dila- tation thermique, la cuve du réacteur du type unitaire 31 étant relativement longue, et les assemblabes de combustible 33, l'ensemble de couverture 35 et les barres de commande 34 du coeur 28 utilisant aussi cette longueur. Le sodium 32 à l'intérieur de la cuve 31 du réacteur du type unitaire chauffé dans le coeur 28 s'élève en raison de la flottaison, formant ainsi le courant de convection naturelle 40. Le sodium 32 transfère la chaleur au sodium dans la cuve principale de réacteur 21 par l'intermédiaire de l'élément d'échange de chaleur 29 de la cuve 31 et est ainsi refroidi, et le courant de convection naturelle 27 est formé à l'intérieur de la cuve 21. Ainsi, chaque réac- teur du type unitaire fonctionne de manière autonome grâce à la convection naturelle du sodium 32 et définit un sous- système. Comme montré à la figure 2(B), les générateurs de vapeur du type cartouche 23 sont disposés radialement de telle sorte que deux ou trois de ces générateurs de vapeur corres- pondent à un réacteur du type unitaire. Comme illustré à la figure 4, chaque générateur de vapeur 23 a une configuration en forme de plaque dans laquelle les plaques de transfert de chaleur 54 en forme de plaques entourent la canalisation de transfert de chaleur 52, qui a une configuration en épingle à cheveu et serpente à travers le générateur de vapeur, et le tube de retour 53 raccordé à la partie inférieure de la canalisation de transfert de chaleur 52, protégeant ainsi la canalisation 52 et le tube 53. Les plaques de transfert de chaleur 54 agissent comme éléments de conduction thermique. Les plaques 54, la canali- sation 52 et le tube 53 sont réalisés dans le même matériau métallique. De plus, la canalisation 52 et le tube 53 possè- dent une structure tubulaire duplex de façon à être proté- gés contre la rupture. A la partie supérieure du générateur de vapeur, la canalisation de transfert de chaleur 52 et le tube de retour 53 sont capables d'être raccordés de façon détachable à la canalisation de transfert de chaleur exté- rieure 52 et à la conduite de vapeur 10, respectivement, au moyen du raccord. Ainsi, chaque générateur de vapeur est facilement remplaçable sous forme de cartouche. Les vides dans les plaques de transfert de chaleur 54, la canalisation de transfert de chaleur 52 et le tube de retour 53 sont remplis d'hélium gazeux sous pression. En surveil- lant la pression de gaz, l'humidité et analogues, une fonc- tion de détection de fuites peut être mise en oeuvre pour une mise en évidence rapide d'une rupture de la canalisation 52, du tube 53 et de la plaque 54. L'eau d'alimentation du générateur de vapeur est introduite vers le bas par le tube de retour 53 et, pendant sa remontée dans la canalisation de transfert de chaleur 52, est trans- formée en vapeur 26 en raison de l'échange de chaleur avec le sodium 20 à haute température par l'intermédiaire de la plaque de transfert de chaleur 54. Par suite de cet échan- ge de chaleur, le sodium à haute température 20 subit une chute de température, ce qui entraîne le courant de convec- tion naturelle 27 dans le sens descendant (figure 2). De plus, du fait que chaque générateur de vapeur est construit de façon à dépendre de la plate-forme supérieure 30 de la cuve principale 21, le remplacement est facile. Ainsi, chaque générateur de vapeur fonctionne de manière autonome et défi- nit un sous-système de la même façon que les réacteurs du type unitaire. Du fait que le réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome a la structure ci-dessus, la chaleur produite dans le coeur du sous-système de réacteur du type unitaire est transférée au sodium 20 à l'intérieur de la cuve principale 21 du réacteur par l'intermédiaire de l'élément d'échange de chaleur au moyen du sodium 32 en convection naturelle, et en outre à chaque sous-système de générateur de vapeur par la convection naturelle du sodium 20. La vapeur produite par le sous-système de générateur de vapeur est amenée au système de turbine o elle est utilisée pour produire de l'électricité. Le dispositif de refroidissement direct du coeur 28 assure une capacité d'enlèvement de chaleur en cas d'incident et est raccordé à la conduite 18 du dispositif de refroidisse- mert direct du coeur. MAme si par exemple l'un des sous-systèmes de réacteur du tyoe unitaire est mis en arrêt dans le système de réac- teur nucléaire surrégénérateur composé des multiples sous- systèmes de réacteurs du type unitaire et des multiples sous-systèmes de générateurs de vapeur, la chaleur de désin- tégration consécutive à l'arrêt de la réaction nucléaire est réduite par le refroidissement par convection naturelle en coopération avec les autres sous-systèmes par l'intermé- diaire du sodium dans la cuve principale du réacteur nuclé- aire. En conséquence, même en cas de défaillance partielle d'un soussystème, la fonction du sous-système défaillant est prise en charge par les autres sous-systèmes dont le fonctionnement est maintenu de façon continue. Ainsi, une structure de sécurité propre est réalisée qui empêche la destruction du système dans son ensemble. De plus, la struc- ture est telle que le rétablissement à la suite d'une défail- lance dans un sous-système peut être facilement effectué en remplaçant l'élément unitaire ou en cartouche défaillant. En outre, du fait que la remise en service est simplifiée, une opération automatique de remise en service par robot peut facilement être réalisée. Le réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome selon l'invention peut être installé en utilisant un sous- sol de roche solide. Dans ce cas, le site souterrain doit posséder une structure offrant une protection suffisante contre la radiation et avoir un plafond suffisant. Par consé- quent, le refroidissement par convection naturelle peut être utilisé. Ainsi, comme décrit ci-dessus, le présent système fait usage d'un mécanisme de sécurité propre, la commande de réactivité nucléaire correspondant à une puissance de réacteur à grande échelle est facilitée par l'agencement décentralisé des réacteurs, et la commande de réactivité par refroidissement par convection naturelle et dilatation thermique du coeur est employée dans les réacteurs unitaires. De plus, en uti- lisant un site souterrain, la roche solide sert de barrière de radiations. De plus, un système de refroidissement de réacteur qui fait appel à la convection naturelle dans le système de vapeur peut être réalisé en utilisant la hauteur verticale disponible sur le site. Ce mécanisme de sécurité intrinsèque non seulement assure la sécurité dans une cen- trale à laquelle le présent système est appliqué mais simpli- fie aussi la commande du fonctionnement de la centrale. En conséquence, le fonctionnement par robot est possible, sans qu'un degré élevé d'intelligence soit requis à cet effet. La figure 5 est une vue conceptuelle illustrant une centrale de production d'énergie dans un site souterrain dans laquelle la présente invention est appliquée, et la figure 6 est une vue schématique montrant le système de réacteur de la figure 5. La référence 60 désigne un robot industriel, 61 un espace de travail, 62 une batterie d'accumulateurs, 63 un dépôt de combustible, 64 la roche, 66 un espace fermé à grande échelle, 67 la surface du sol et 68 une entréesortie. La centrale de production d'énergie de ce réacteru surrégéné- rateur rapide autonome est installée en sous-sol en utilisant la roche solide naturelle 64. A une profondeur souterraine de 200 à 300 m audessous de la surface du sol 67 ou de l'entrée-sortie 68, la différence de hauteur est utilisée pour produire une force de circulation naturelle et décharger de la nécessité de pomper. La protection contre la radia- tion, l'étanchéité à l'air, la rétention de substances radio- actives et la protection contre les tremblements de terre sont obtenus par l'utilisation de la roche. De plus, l'espace fermé à grande échelle 66 et le bassin d'accumulation de chaleur 16 ayant une grande capacité calorifique sont aussi prévus. La canalisation d'alimentation en chaleur 17 est installée à partir du bassin d'accumulation pour fournir de la chaleur à une ville voisine. Le système de réacteur nucléaire fonctionne grâce à la coopé- ration autonome entre les sous-systèmes. Le système de mesure et de contrôle pour le fonctionnement du réacteur, qui n'est pas décrit ici, est mis en oeuvre par une intelligence arti- ficielle ayant une coopérativité autonome. La maintenance et les remplacements requis pour le fonctionnement sont effectués par le robot industriel 60. En termes de structure, les réacteurs du type unitaire 22 et les générateurs de vapeur du type cartouche 23 sont un assemblage d'éléments discrets convenant à une telle activité de robot. La batte- rie d'accumulateurs 62, le dépôt de combustible 63 et analo- gues sont placés dans l'espace dans lequel le réacteur nuclé- aire est installé pour former l'espace de travail 61 du robot. il Conformément à l'invention telle que définie plus haut, il est possible de réaliser un réacteur surrégénérateur rapide de haute fiabilité capable de fournir une production thermique/électrique correspondant à l'échelle requise. En ce qui concerne la fiabilité du système en relation à la société, le système fonctionne comme un assemblage de sous-systèmes dispersés et travaille d'une manière coopéra- tive auto-régulée. Par conséquent, même si les sous-systèmes devaient connaître une défaillance partielle, cette défail- lance ne pourrait conduire à la destruction du système entier. Ainsi, le système est d'une fiabilité élevée et résiste à la destruction. Ceci rend possible l'établissement d'une alimentation en énergie stable. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation dé- crits ci-dessus, qui peuvent être modifiés largement sans sortir de l'esprit et du cadre de l'invention. Revendications 1.- Système de réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome comprenant: - une cuve principale unique d'un réacteur nucléaire; - une multiplicité de sous-systèmes de réacteurs nucléaires de type unitaire disposés dans ladite cuve principale et ayant chacun un coeur de réacteur surrégénérateur rapide à petite échelle; - une multiplicité de soussystèmes de générateurs de vapeur disposés dans ladite cuve principale; un premier réfrigérant circulant naturellement à travers l'intérieur de ladite cuve principale; - un second réfrigérant circulant naturellement à travers l'intérieur de chaque sous-système de réacteur nucléaire de type unitaire; et - des moyens pour provoquer un transfert de chaleur entre chaque sous-système de réacteur nucléaire de type unitaire et chaque soussystème de générateur de vapeur par ledit premier réfrigérant circulant naturellement à travers l'inté- rieur de ladite cuve principale et subissant un échange de chaleur avec ledit second réfrigérant circulant naturelle- ment à travers l'intérieur de chaque sous-système de réac- teur nucléaire de type unitaire. 2.- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits soussystèmes de réacteurs nucléaires de type unitaire sont agencés sur une partie périphérique interne de ladite cuve principale, et que lesdits sous-systèmes de générateurs de vapeur sont agencés dans une partie centrale de ladite cuve principale. 3.- Système de réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome comprenant: - un système de turbine pour introduire de la vapeur produite par un sous-système de générateur de vapeur, et - un bassin d'accumulation de chaleur pour un condensat de refroidissement d'une turbine. 4.- Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de refroidissement d'urgence dans lesquels une tubulure provenant dudit bassin d'accumu- lation de chaleur est raccordée à une partie centrale d'un réacteur surrégénérateur rapide. 5.- Système de réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome dans lequel un système total comprenant un réacteur surrégénérateur rapide décentralisé autonome, un système de turbine pour introduire de la vapeur produite par ledit réacteur surrégénérateur rapide, et un bassin d'accumulation de chaleur pour un condensat de refroidissement de la turbine est installé en sous-sol, et la commande du réacteur sur- régénérateur rapide de type dispersé autorégulé est réalisée par un robot industriel.