Brevet FR2652190A1 — publié le 19910322

La présente invention a trait d'une manière gé- nérale à des réacteurs nucléaires et en particulier à des réacteurs délivrant de l'ténergie thermique pour une utili- sation spatiale. Les réacteurs nucléaires conçus pour une utili- sation dans l'espace peuvent être classés selon la réparti- tion énergétique des neutrons dans le coeur. Cette réparti- énergétique peut être classée selon la quantité et le type du modérateur (matériau qui réduit le niveau énergétique des neutrons) et du réflecteur (matériau qui renvoie ou réfléchit les neutrons vers le coeur du réacteur) utilisés dans et autour du coeur. Les trois classifications suivan- tes sont généralement utilisées. En premier lieu, un réacteur rapide est un réac- teur dans lequel peu ou pas de modérateur est utilisé et l'énergie moyenne des neutrons est proche de celle à la- quelle les neutrons sont générés par fission. Le premier réacteur spatial ayant connu un succès, le SNAP-8 et le SP-100 en cours de développement sont des exemples de ce type. Ce sont habituellement des réacteurs refroidis par un métal liquide et ils sont caractérisés par une masse spécifique de combustible (Kg/Kw) relativement élevée. En second lieu, un réacteur intermédiaire est un réacteur dans lequel l'énergie moyenne des neutrons à la- quelle la fission apparaît est comprise entre quelques électron-volts (ev) à quelques milliers d'électron-volts (Kev). Un exemple de celui-ci est le réacteur de propul- sion de type NERVA qui est modéré en partie par la matrice de graphite des cartouches de combustible et en partie par des colonnes distinctes d'hydrure de zirconium. Ces réacteurs sont prévus pour un fonctionnement à court terme à puissance très élevée et sont relativement massifs en comparaison de constructions de conceptions plus récentes. En troisième lieu, un réacteur thermique est un réacteur dans lequel l'énergie moyenne des neutrons à la- quelle la fission apparaît est inférieure à un électron- volt. A ce niveau d'énergie, les sections efficaces de fission des matériaux fissiles importants deviennent très importantes et la charge fissile est réduite par rap- port à celle nécessaire dans les deux premiers types de réacteurs. A cause des sections efficaces de fission importantes, les réacteurs thermiques exigent des quanti- tés substantielles de modérateur efficace entre et autour des éléments de combustible. La quantité relativement faible de matériau fissile nécessaire dans un réacteur thermique procure des avantages importants sur les réac- teurs rapides et intermédiaires. Un certain nombre de missions dans l'espace ne sont pas présentement réalisables du fait de la masse du système de propulsion et/ou du système d'énergie embarqué. Dans le cas d'un réacteur nucléaire avec un modérateur solide et une densité d'énergie élevée, un refroidissement adéquat du modérateur impose une exigence sévère sur la masse. Les exigences de sécurité imposent également des exigences de masse supplémentaires. Un autre problème limitant certaines missions est la détérioration du modé- rateur du réacteur provoquée par une détérioration dûe aux rayonnements. On peut voir de ce qui précède qu'un besoin existe pour des réacteurs utilisés dans des applications spatiales présentant une sécurité accrue, une masse spé- cifique faible, et une aptitude à.un fonctionnement pro- longé à puissance élevée sans dommage par radiations causé au modérateur. La présente invention résout les problèmes pré- cités sous la forme -d'un réacteur à modérateur et/ou ré- flecteur liquide. Dans un réacteur nucléaire refroidi par air, les éléments de combustible sont entourées par un modérateur liquide qui déplace le spectre énergétique des neutrons dans une plage de probabilité de fission élevée. Ceci permet une réaction en chaîne entretenue et une pro- duction d'énergie avec une quantité de combustible et une masse de réacteur minimales.La dissipation thermique du mo- dérateur/réflecteur est effectuée par circulation forcée du modérateur/réflecteur liquide sur un réseau d'ailettes conductrices de la chaleur faisant saillie dans le liquide depuis les gaines logeant les éléments de combusti- ble. La chaleur provenant du liquide est acheminée par l'intermédiaire des ailettes jusqu'au gaz de refroidisse- lent du radiateur du réacteur sur l'intérieur des gaines tandis que dans les réacteurs eau pressurisée classique, le flux de chaleur se fait dans le liquide plutôt que depuis le liquide. A la différence des réacteurs modérés par eau classiques, le modérateur/réflecteur liqui- de n'est pas utilisé dans le processus de conversion d'é- nergie. En vue d'une meilleure compréhension de la nature et des buts de la présente invention, on se référera à la description qui va suivre, en référence aux dessins annexes, sur lesquels des parties identiques sont désignées par les mêmes chiffres de référence. La Figure 1 est une vue en coupe latérale d'un réacteur nucléaire illustrant l'écoulement de réfrigérant gazeux selon l'invention. La Figure 2 est une vue en coupe selon un plan médian de la Figure 1. La Figure 3 est une vue en coupe latérale d'un réacteur nucléaire représentant un écoulement de modéra- teur/réflecteur. La Figure 3A est une vue de détail représentant une gaine à ailettes recevant un élément de combus- tible et le trajet d'écoulement de retour depuis le réflec- teur vers le modérateur du coeur du réacteur. La Figure 4 est une vue en coupe latérale par- tielle d'un réacteur nucléaire selon l'invention. Les Figures 4A-4C sont des vues de détail repré- sentant le trajet d'écoulement du réfrigérant gazeux. La Figure 5 représente une variante de réalisa- tion de l'invention. En référence aux dessins, on voit que l'inven- tion est désignée dans son ensemble par le chiffre de ré- férence 10. Un réacteur nucléaire 10 est constitué d'une enceinte de réacteur 12 possédant une chambre 14 de sortie de réfrigérant primaire, d'un barillet de coeur 16, des éléments de combustible 18, de barres de sécurité 20, et de tambours de commande 22. Des entraînements 24 sont égale- ment prévus pour les barres de sécurité 20 et pour les tambours de commande 22. Des fils d'instrumentation et d'énergie pénètrent dans le réacteur 10 par l'intermédiaire d'un ajutage de pénétration de tête 26. Le réacteur nuclé- aire 10 est essentiellement un réacteur nucléaire classi- que en ce qui concerne l'utilisation d'une enceinte de réacteur, des éléments de combustible, de barres de sé- curité, et de tambours de commande avec des perfectionne- ments axés sur des réacteurs nucléaires prévus pour des applications spatiales. Le passage d'admission de réfrigérant primaire 28 est prévu sur la paroi extérieure de la chambre de sor- tie de réfrigérant primaire 14. Ainsi qu'on le voit sur la vue de détail de la Figure 4A, le passage 28 est en forme de tore ou semicirculaire dans le mode de réalisa- tion préféré. Ainsi qu'on le voit mieux sur la Figure 4 et sur la vue de détail de la Figure 4B, le passage d'admis- sion 28 dirige le réfrigérant primaire vers la chambre d'admission 30 adjacente à une plaque de distributeur 32. Durant une dissipation thermique auxiliaire, le réfrigé- rant gazeux circule dans la chambre 28 par l'intermédiaire d'ajutages 46. Ainsi qu'on le voit sur les Figures 1 et 4B, la plaque de distributeur 32 est boulonnée à unbarillet de coeur 16 et s'étend à travers la partie inférieure de l'enceinte de réacteur 12 au-dessus de la chambre de sortie 14 de ré- frigérant primaire. Ainsi qu'on le voit mieux sur les vues de détail des Figures 4B et 4C, la plaque de distributeur 32 est munie de passages 34 qui dirigent le réfrigérant primaire vers un intervalle 38 entre chaque gaine 36 d'élément de combustible et l'élément de combus- tible qu'elle entoure. Ainsi qu'on le voit sur la Fi- gure 4C, les gaines 36 d'élément de combus- tible et les éléments de combustible 18-sont mon- tés dans une plaque de distributeur 32 pour former un in- tervalle 38- Les éléments de combustible 18 s'étendent également audessous de la plaque de distributeur 32 dans la chambre de sortie de réfrigérant primaire 14 comme on le voit sur les Figures 1, 3 et 4 de sorte que l'intérieur de chaque élément de combustible 18 se trouve en commu- nication de fluide avec elle. Le réfrigérant primaire s'écoule depuis l'intervalle 38 à travers un matériau poreux 40 comme indiqué par la flèche sur la Figure 4C dans le centre 42 d'un élément de combustible 18 et ensuite s'écoule vers le bas à travers l'élément de combustible 18 dans la chambre de sortie 14 de réfrigérant primaire. L'enceinte de réacteur 12 est munie d'ajutages 44 utilisés pour introduire ou drainer un liquide depuis le coeur du réacteur. Durant le fonctionnement du réacteur, le liquide circule à travers la région du modérateur li- mitée par l'intérieur du barillet de coeur 16 et l'ex- térieur des gaines 36 recevant les éléments de com- bustible. Ainsi qu'on le voit sur la Figure 3 et indiqué par des flèches, le liquide pénètre ensuite dans des pom- pes de circulation 45, est déchargé par les pompes dans la colonne supérieure,'et ensuite s'écoule vers le bas autour et à travers les tambours de commande 22 dans la région de réflecteur limitée par l'enceinte de réacteur 12 et le barillet de coeur 16. Ainsi qu'on le voit sur la Figure 3A, et indiqué par des flèches, le liquide achève ensuite sa boucle de circulation en s'écoulant dans la région du modérateur à travers les passages prévus dans la cuve de réacteur 16 à l'extrémité inférieure. Ainsi qu'on le voit sur la Figure 3A, les gaines 36 recevant les éléments de combustible sont mu- ni d'ailettes qui s'étendent depuis la circonférence ex- térieure des gaines dans le liquide et qui servent à transférer la chaleur depuis le liquide jusqu'au réfrigé- rant gazeux primaire s'écoulant à l'intérieur des gaines 36. Dans des réacteurs à modérateur à eau terrestres classiques, en vue d'une production d'énergie utile, le transfert de chaleur s'effectue dans le modérateur liquide sur les éléments de combustible plutôt que depuis le li- quide comme dans le réacteur de l'invention. Le modérateur/réflecteur liquide n'est pas mis en place durant la fabrication, le transport terrestre, le lancement, et la mise à disposition, augmentant ainsi la sécurité du réacteur puisque le réacteur est maintenu dans un état sous-critique. Lorsque le fonctionnement commence, le modérateur/réflecteur liquide est ajouté à l'enceinte de réacteur 12 par l'intermédiaire d'ajutages de remplissa- ge/évacuation 44 pour une circulation dans le coeur comme décrit ci-dessus. Le modérateur/réflecteur liquide permet à la quantité relativement faible de matière fissile dans les éléments de combustible 18 de devenir critique (pro- voquant une réaction auto-entretenue) dans le coeur et re- froidit les tambours de -commande et autres constituants du système. Dans le mode de réalisation préféré, le réfrigé- rant primaire est un gaz approprié pour une telle utilisa- tion et le modérateur/réflecteur liquide est de l'eau. Un autre modérateur/réflecteur liquide approprié tel que dif- férents liquides organiques peut également être utilisé. Une variante à la solution préférée est représen- tée sur la Figure 5 dans laquelle un échangeur thermique extérieur au réacteur est prévu en vue d'une extraction supplémentaire de chaleur du modérateur liquide. Le modé- rateur liquide circule à travers le coeur depuis les aju- tages de remplissage inférieurs à travers les régions du modérateur et du réflecteur et dans la colonne supérieure. De la colonne de réacteur supérieure, le liquide quitte le coeur, traverse la pompe 47, et s'écoule dans l'échangeur de chaleur 48 o il est refroidi par le réfrigérant gazeux avant que le gaz pénètre dans le réacteur. Le modérateur liquide s'écoule ensuite depuis l'échangeur de chaleur dans le coeur à travers les ajutages de remplissage/évacua- tion 44. Un refroidissement du modérateur liquide est pré- vu dans le coeur comme décrit dans la solution préférée. REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire (10) comprenant une enceinte de réacteur (12) possédant un barillet de coeur (16) à l'in- térieur de l'enceinte de réacteur, des éléments de combus- tible (18) et des barres de sécurité (20) à l'intérieur du barillet de coeur (16), une gaine (36) de combustible entou- rant chaque élément de combustible et définissant un inter- valle (38) entre eux, et un trajet d'écoulement de réfrigé- rant primaire qui comprend un écoulement à travers des in- tervalles de gaines d'élément de combustible, caractérisé en ce qu'il comporte: a. des moyens (44, 45) pour faire circuler un modéra- teur liquide à travers le barillet de coeur autour des gai- nes d'élément de combustible; et b. des moyens pour transférer la chaleur du modérateur liquide au réfrigérant primaire s'écoulant à travers les dits intervalles de gaine d'élément de combustible. 2. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le réfrigérant primaire est un gaz. 3. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens pour faire circuler un modé- rateur liquide comportent des pompes (45) et des ajutages de remplissage et d'évacuation (44) sur l'enceinte de réac- teur (12) 4. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens de transfert de chaleur com- portent des ailettes sur lesdites gaines-(36)dlélîment de combus- tible. 5. Réacteur nucléaire refroidi par air, comprenant une enceinte de réacteur (12) possédant un barillet de coeur(16) à l'intérieur de l'enceinte du réacteur, des éléments de com- bustible (18) et des barres de sécurité (20) à l'intérieur du barillet de coeur, une gaine (36) d'élément de combustible entourant chaque élément de combustible et définissant un intervalle (38) entre eux, et un trajet d'écoulement de ré- frigérant primaire qui comprend un écoulement à travers les intervalles de gaines d'élément de combustible, caractérisé en ce qu'il comporte: a. des moyens (45) pour faire circuler un modérateur liquide à travers le barillet de coeur (16) autour des gai- nes d'éléments de combustible; et b. des ailettes sur les gaines d'éléments de combusti- ble pour transférer la chaleur du modérateur liquide au ré- frigérant gazeux primaire s'écoulant à travers lesdits in- tervalles de gaines d'éléments de combustible. 6. Réacteur nucléaire selon la revendication 5, carac- térisé en ce qu'il comporte en outre un échangeur de chaleur extérieur au réacteur (10) en communication de fluide avec le modérateur liquide et le réfrigérant primaire du réacteur pour transférer la chaleur du modérateur liquide au réfrigé- rant primaire.