Brevet FR2709858A1 — publié le 19950317

La présente invention concerne un réacteur à neutrons rapides du type refroidi par un métal liquide et plus particulièrement un coeur de réacteur à neutrons rapides présentant un agencement amélioré des éléments constitutifs du coeur. Un coeur de réacteur à neutrons rapides est constitué généralement par un certain nombre d'assemblages combustibles garnis chacun de matière fissile et utilise le sodium (Na) liquide comme caloporteur pour évacuer la chaleur du combustible. Lorsqu'un réacteur à neutrons rapides fonctionne de manière normale en régime permanent, bien que les températures des parties respectives du coeur à neutrons rapides n'augmentent pas de manière anormale, le coeur est conçu en prévision d'un accident de façon qu'il puisse être arrêté de manière sûre lorsque la température augmente au-delà de valeurs prédéterminées. Dans le cas par exemple d'un coeur de petite taille, lorsque le sodium présent dans les assemblages combustibles est chauffé à haute température et lorsque sa densité décroît, du fait qu'un grand nombre de neutrons s'échappent du coeur, il apparaît une réactivité négative pour arrêter le coeur de manière sûre. Cependant, dans le cas d'un coeur de grande taille, les neutrons qui s'échappent du coeur sont en nombre réduit et la réactivité est rendue positive lorsque le sodium présent dans les assemblages combustibles est très chauffé. Dans ce cas, il est nécessaire d'examiner en détail si le coeur doit être arrêté, compte tenu des autres facteurs de la réactivité. Ainsi, il est extrêmement utile, pour une conception sûre du coeur, de rendre négatif l'effet de réactivité, c'est-à-dire le coefficient de température du caloporteur, du fait de l'augmentation de température du sodium. En général, cependant, il n'est pas souhaitable dans une centrale nucléaire de réduire énormément la puissance délivrée par le coeur, pour des raisons de coût de production d'énergie. En même temps, dans une conception conventionnelle du coeur, pour rendre négative la réactivité du coeur lorsque la température du sodium augmente, il a été nécessaire d'abaisser la puissance du coeur à une valeur inférieure à environ 100 MW. Cependant, ceci pose un problème du fait que le coefficient de température du caloporteur devient positif lorsque le coeur est conçu pour produire une grande quantité d'énergie. Autrement dit, la conception du coeur pour la production d'une grande quantité d'énergie implique que le coeur soit de grande taille. Lorsque la densité du caloporteur est réduite par suite d'une augmentation de sa température, le coefficient de température (réactivité) du caloporteur est déterminé par la relation entre l'effet selon lequel une réactivité positive apparaît du fait que l'effet de ralentissement des neutrons décroît et que les neutrons de plutonium produits comprennent un grand nombre de neutrons d'énergie élevée et l'effet selon lequel il apparaît une réactivité négative du fait que les neutrons s'échappent aisément du coeur. Dans le cas d'un coeur de grande taille, l'effet mentionné en dernier lieu disparaît au voisinage de la partie centrale du coeur (du fait d'une moindre fuite de neutrons, la réactivité est rendue positive au voisinage de la partie centrale du coeur de sorte que la température du coeur augmente de manière uniforme si bien que la réactivité est rendue positive dans la totalité du coeur). On considère que les raisons principales pour lesquelles la température du caloporteur dans le coeur augmente de manière anormale sont une augmentation de puissance (phénomène de type augmentation de puissance) due à l'apparition d'une réactivité positive et une réduction du débit) de caloporteur (phénomène de type réduction de débit) due à un arrêt de fonctionnement des pompes. Ainsi, en cas de phénomène de type réduction de débit, la pression du caloporteur décroît en même temps que son débit. Cependant, dans la technologie de l'état de la technique, aucune mesure positive appropriée visant à combattre un tel phénomène ou accident n'a été proposée. Ainsi, la présente invention a pour but d'éliminer les défauts ou inconvénients rencontrés dans l'état de la technique décrit ci-dessus et de proposer un coeur de réacteur à neutrons rapides capable de faire apparaître une réactivité négative importante en réponse à un phénomène de type augmentation de puissance ou à un phénomène de type réduction de débit du caloporteur dans le coeur. Ce but peut être atteint selon la présente invention grâce à un coeur de réacteur à neutrons rapides parcouru par un caloporteur, comprenant une multiplicité d'assemblages combustibles garnis chacun d'une matière fissile et une multiplicité d'assemblages étanchéifiés par gaz disposés entre les assemblages combustibles et étanchéifiés par un gaz, dans lequel le niveau de la surface du caloporteur dans le coeur varie entre une position axialement supérieure incluant le niveau supérieur du coeur et une position axialement inférieure lorsque la puissance du coeur augmente et lorsque le débit de caloporteur du coeur diminue. Dans des modes de réalisation que l'on préf'ere, chacun des assemblages étanchéifiés par gaz comprend un élément cylindrique interne destiné à réduire l'aire en section droite horizontale du caloporteur en une position en hauteur correspondant à la partie axialement centrale du coeur, l'élément cylindrique comprenant un élément destiné à produire de la chaleur par rayonnement. Les assemblages étanchéifiés par gaz sont agencés successivement dans la direction circonférentielle dans le coeur ou en position adjacente aux barres de commande dans le coeur. Chacun des assemblages étanchéifiés par gaz comprend une gaine externe destinée à être disposée dans le coeur de manière verticale et remplie d'un gaz d'étanchéité, un élément générateur de chaleur disposé à l'intérieur de la gaine extemrne, un élément formant limite interne contigu à l'élément générateur de chaleur et ayant un diamètre inférieur à celui de l'élément générateur de chaleur au niveau d'une position en hauteur correspondant à la partie axialement centrale du coeur, un absorbeur de neutrons disposé au niveau d'une partie interne inférieure de la gaine externe et un orifice d'introduction de caloporteur formé dans la gaine externe et par lequel le caloporteur pénètre à l'intérieur de la gaine externe. Une première chambre d'expansion de gaz est formée au niveau d'une partie située entre la gaine externe et la partie formant limite interne et une seconde chambre d'expansion de gaz est formée au niveau d'une partie supérieure interne de la gaine extemrne, les première et seconde chambres d'expansion de gaz communiquant entre elles par l'intermédiaire d'une partie de communication de gaz. L'élément générateur de chaleur est constitué par un matériau dégageant de la chaleur par absorption de neutrons. De manière plus détaillée, le coeur de réacteur à neutrons rapides comprend également une multiplicité d'assemblages de couverture disposés de manière à entourer les assemblages combustibles et les assemblages étanchéifiés par gaz, une multiplicité d'éléments de protection neutronique disposés de manière à entourer les assemblages de couverture et des barres de commande disposées chacune entre les assemblages combustibles ou les assemblages étanchéifiés par gaz. Selon la présente invention, en cas d'apparition du phénomène de type augmentation de puissance, le nombre de neutrons dans le coeur augmente et la quantité de rayonnement augmente de ce fait. Il en résulte que la quantité de chaleur dégagée par l'élément générateur de chaleur cylindrique augmente et que le caloporteur situé à l'intérieur du coeur entre en ébullition. De ce fait, le niveau de caloporteur baisse depuis le niveau supérieur du coeur en formant un espace supérieur. Lorsque la puissance n'augmente pas au point que le caloporteur entre en ébullition, au bout d'une longue durée, le gaz d'étanchéité se dilate thermiquement du fait de l'augmentation de la température à l'intérieur des assemblages étanchéifiés par gaz et le niveau du caloporteur décroît depuis le niveau supérieur du coeur de sorte qu'il apparaît également un espace supérieur. Il en résulte que les neutrons produits dans les assemblages combustibles s'échappent principalement vers le haut dans le coeur depuis les assemblages étanchéifiés par gaz, ce qui entraîne une réactivité négative. En cas de phénomène de type réduction de débit du caloporteur, la pression du caloporteur dans les assemblages étanchéifiés par gaz décroît, par exemple du fait d'une diminution du débit de caloporteur provoquée par un arrêt de fonctionnement des pompes, et la pression du caloporteur devient inférieure à la pression du gaz d'étanchéité de sorte que le niveau du caloporteur dans les assemblages étanchéifiés par gaz décroît beaucoup. Ainsi, dans ce cas, il apparaît également une réactivité négative. Ainsi que cela a été décrit ci-dessus, selon la présente invention, en cas d'accident du coeur du réacteur à neutrons rapides, la réactivité négative peut être augmentée sensiblement par rapport au cas d'un coeur dépourvu d'assemblages étanchéifiés par gaz, ce qui améliore remarquablement la sécurité et la fiabilité de fonctionnement du réacteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'un assemblage étanchéifié par gaz utilisé pour un coeur de réacteur à neutrons rapides selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une coupe longitudinale d'un coeur de réacteur à neutrons rapides contenant une multiplicité d'assemblages étanchéifiés par gaz du type représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue de dessus du coeur de réacteur à neutrons rapides selon la figure 2; la figure 4 est une coupe longitudinale de l'assemblage étanchéifié par gaz représenté sur la figure 1 destinée à expliquer son fonctionnement; la figure 5 est une vue de dessus d'un coeur de réacteur à neutrons rapides selon un autre mode de réalisation de la présente invention; et la figure 6 est une coupe longitudinale d'un assemblage étanchéifié par gaz présentant une autre structure selon la présente invention. En se référant aux figures 1 à 3 on va décrire ci-dessous un premier mode de réalisation de la présente invention. xLes assemblages étanchéifiés par gaz 1 (désignés par C sur la figure 3) de la figure i sont disposés entre une multiplicité d'assemblages combustibles 22 (figure 3) contenant chacun une matière fissile, au niveau de la partie centrale 27 du coeur, tandis que des parties formant couvertures axiales 26, 26 constituées par un matériau fertile et des parties formant chambres d'expansion de gaz 25, 25 garnies d'un gaz de fission sont disposées sur les deux côtés axiaux de la partie 27 du coeur, comme le montrent les figures 2 et 3. Le coeur 20 (figure 3) d'un réacteur à neutrons rapides selon la présente invention est constitué par ces assemblages 1 et 22, par des assemblages de couverture 23 (désignés par B sur la figure 3) et par des éléments de protection neutronique 24 (désignés par. sur la figure 3) qui entourent les assemblages 1, 22 et 23. Des barres de commande (désignées par P sur la figure 3) sont disposées dans le coeur 20 en étant écartées les unes des autres. Comme le montre la figure 1, chaque assemblage étanchéifié par gaz 1 comprend une gaine externe 12 et un élément générateur de chaleur 4, tandis qu'un gaz d'étanchéité 8 et un caloporteur interne 10 sont disposés dans la gaine externe 12. Un ou des orifices d'introduction de caloporteur 9 est ou sont formés dans la partie inférieure de la gaine externe 12. Comme gaz d'étanchéité 8, on préfere généralement utiliser, pour éviter une réaction avec le caloporteur, un gaz inerte tel que l'argon qui est utilisé habituellement comme gaz de couverture dans une enceinte d'un réacteur à neutrons rapides. La quantité de caloporteur qui doit être introduite dans l'assemblage étanchéifié par gaz 1 par les trous 9 et la forme intérieure de l'assemblage étanchéifié par gaz 1 sont déterminées de manière que le niveau 11 de la surface du caloporteur dans la gaine 12 soit rendu supérieur au niveau supérieur du coeur en régime permanent sous l'action de la pression du caloporteur qui pénètre par les trous 9, et que le niveau de liquide 11 soit rendu inférieur au niveau supérieur du coeur en cas de phénomène de type augmentation de puissance ou de phénomène de type réduction de débit du fait de l'augmentation de volume due à l'augmentation de température du gaz d'étanchéité ou à la baisse de pression du caloporteur entrant. En général, le flux de neutrons est important au niveau de la partie axialement centrale du coeur de sorte que l'élément générateur de chaleur 4 est agencé de manière que sa position coïncide avec cette partie afin d'augmenter la quantité de chaleur dégagée en cas d'augmentation de puissance. De manière appropriée, un tel élément générateur de chaleur 4 est constitué par un matériau tel que le hafnium qui dégage de la chaleur par absorption de neutrons, mais il est possible aussi d'utiliser d'autres matériaux tels qu'un matériau générateur de chaleur par rayons gamma (y), le tantale ou l'acier inoxydable. Comme le montre la figure 1, l'élément générateur de chaleur 4 est situé de manière fixe dans la gaine 12 au-dessus de l'absorbeur de neutrons 7 et il est muni d'une partie formant limite interne 5 de diamètre réduit afin de réduire l'aire de la section transversale du caloporteur à un niveau proche du niveau axialement central, c'est-à-dire que la partie formant limite interne 5 est située dans une position proche de la partie axialement centrale de l'assemblage étanchéifié par gaz en réduisant l'aire en section droite du caloporteur 10 dans ce domaine. Selon l'agencement décrit ci-dessus, dans lequel les assemblages étanchéifiés par gaz du présent mode de réalisation sont disposés dans le coeur dans sa direction diamétrale, l'effet de réactivité positive dû à la réduction de l'effet de ralentissement des neutrons au voisinage de la partie centrale du coeur est supprimé et, au contraire, l'effet de réactivité négative dû à la fuite de neutrons dans la direction axiale n'est pas modifié dans une grande mesure. Ainsi, globalement, l'effet de réactivité négative est augmenté. Une chambre d'expansion de gaz 2 est prévue entre la gaine externe 12 et l'élément générateur de chaleur 4 dans une position proche de la partie médiane de la gaine externe 12. La chambre d'expansion de gaz 2 communique par une partie de communication de gaz 6 avec une chambre d'expansion de gaz 3 supérieure en contact avec le niveau de liquide 11 pendant un fonctionnement en régime permanent. De plus, l'absorbeur de neutrons 7 constitué par du hafnium ou analogue est disposé en une position inférieure au niveau de l'extrémité inférieure du coeur dans une partie inférieure de l'assemblage étanchéifié par gaz. Dans l'agencement ci-dessus, en cas de phénomène de type augmentation de puissance, le flux de neutrons et le flux de rayons y augmentent tout d'abord dans le coeur. Puis, la quantité de chaleur dégagée par le matériau générateur de chaleur 4 augmente de manière correspondante et la température du caloporteur interne 10 augmente également de sorte qu'il entre en ébullition si bien que des vapeurs de sodium remplissent la chambre d'expansion de gaz supérieure 3. Il en résulte que, comme le montrent les figures 2 et 4, le niveau de liquide du caloporteur décroît du niveau en régime permanent 41 au niveau d'augmentation de puissance 46 et, lorsque la puissance n'augmente pas au point que le caloporteur entre en ébullition, le niveau de liquide décroît, en cas d'accident, du niveau en régime permanent 41 au niveau 42 qui est inférieur au niveau supérieur 43 du coeur. Ainsi, les neutrons provenant de la partie combustible du coeur, c'est-à-dire de la partie 27 du coeur sur la figure 2, s'échappent axialement vers le haut par la zone du gaz d'étanchéité de sorte qu'il apparaît dans le coeur une réactivité négative, que la puissance du coeur décroît et que le phénomène de type augmentation de puissance est compensé. Par ailleurs, en cas de phénomène de type réduction de débit, le niveau de liquide décroît jusqu'au niveau d'accident de type perte de débit 45 qui est inférieur au niveau inférieur 44 du coeur, comme le montrent les figures 2 et 4, par suite de la baisse de pression du caloporteur 10 à l'intérieur des assemblages étanchéifiés par gaz 1. Ainsi, les neutrons réfléchis par le caloporteur 10 pendant la période de fonctionnement en régime permanent s'échappent de la partie combustible du coeur dans la direction axiale par la zone du gaz d'étanchéité en provoquant une réactivité négative. Il en résulte que la puissance du coeur est réduite et que le phénomène de type réduction de débit est compensé. Pendant cette période de fonctionnement, comme décrit ci-dessus, au niveau central du coeur, la réactivité positive est provoquée par la quantité de sodium présente de sorte que la partie formant limite interne 5 est conçue pour réduire la proportion de caloporteur interne dans la zone provoquant la réactivité positive de manière à réduire la quantité de sodium, ce qui permet d'obtenir un effet de réactivité fortement négatif. En outre, la réactivité négative peut être rendue importante grâce à la présence de l'absorbeur de neutrons 7 au niveau de la partie inférieure de l'assemblage étanchéifié par gaz 1 qui déforme le flux de neutrons dans la direction axiale et amène les neutrons à s'échapper dans la direction axiale en grande quantité. Il est possible de rendre importante la réactivité négative, sans limitation spécifique, en réglant la quantité de gaz d'étanchéité et en construisant la structure interne de l'assemblage étanchéifié par gaz de manière que la hauteur du niveau de liquide du caloporteur interne 10 soit supérieure à la partie formant couverture axiale supérieure au cours de la période de fonctionnement en régime permanent et soit éventuellement plus basse en cas d'accident et de manière que la limite interne 5 et l'absorbeur de neutrons inférieur 7 soient agencés pour supprimer la réactivité positive et augmenter l'effet de fuite des neutrons. Par exemple, il est possible de rendre important le changement de niveau, même avec la même variation de pression, en augmentant la quantité de gaz d'étanchéité initiale ou en formant une chambre d'expansion de gaz supérieur de grande taille. De plus, comme l'absorbeur de neutrons 7 a pour effet de supprimer l'écoulement des neutrons et d'absorber les neutrons, il peut être plus favorable d'agencer l'absorbeur 7 de manière que sa partie supérieure n'apparaisse pas au-dessus de la couche de gaz d'étanchéité en cas d'accident. Selon la présente invention, l'agencement et la structure interne des assemblages étanchéifiés par gaz ne sont pas limités au mode de réalisation décrit et de nombreuses autres modifications peuvent être apportées. Par exemple, on peut envisager un agencement des assemblages étanchéifiés par gaz dans lequel il apparaît une réactivité négative en cas d'accident et dans lequel il suffit que chaque assemblage étanchéifié par gaz soit de forme et de structure lui permettant de fonctionner de la manière décrite ci-dessus en référence aux modes de réalisation préférés afin que le gaz d'étanchéité ne s'échappe pas par les orifices d'introduction de caloporteur. Par exemple, comme le montre la figure 5, les assemblages étanchéifiés par gaz 1 (désignés par C sur la figure 5) peuvent être agencés autour des barres de commande 35 (désignées par P sur la figure 5), car l'absorbeur constitué par les barres de commande présente un effet d'absorption des neutrons qui fait apparaître un gradient périphérique de neutrons important et qui provoque de ce fait un effet important de fuite des neutrons. En outre, comme le montre la figure 6, dans une partie périphérique du coeur exempte de zone à réactivité positive, les assemblages étanchéifiés par gaz (colorés en noir sur la figure 5) peuvent être munis d'une limite interne de forme axialement linéaire pour augmenter la section droite du caloporteur. Par ailleurs, la partie de communication de gaz 6 peut être conçue de manière à présenter une forme cylindrique pour accomplir efficacement l'évacuation de la chaleur du caloporteur interne de l'extérieur de l'assemblage étanchéifié par gaz 1 afin d'empêcher la température du caloporteur 10 situé à l'intérieur de l'assemblage étanchéifié par gaz 1 d'augmenter anormalement pendant la période de fonctionnement en régime permanent du réacteur. Il peut être prévu une ailette disposée sur la surface de l'élément générateur de chaleur 4 et reliée à une partie métallique pour favoriser l'augmentation de température du gaz d'étanchéité. La chambre d'expansion de gaz située au niveau de la partie médiane du coeur peut être remplacée intégralement par l'élément générateur de chaleur, ou bien un poids peut être prévu pour empêcher le flottement de l'assemblage étanchéifié par gaz 1 dû à la pression du caloporteur. En outre, un gaz marqueur, utilisé habituellement pour détecter la rupture d'une aiguille de combustible, peut être introduit dans l'assemblage étanchéifié par gaz pour détecter les fuites de gaz d'étanchéité dues à la rupture de l'assemblage étanchéifié par gaz. Ainsi que cela a été décrit ci-dessus, selon la présente invention, la valeur de la réactivité négative peut être augmentée sensiblement en cas d'accident du coeur de réacteur à neutrons rapides par rapport au cas d'un coeur dépourvu d'assemblages étanchéifiés par gaz, ce qui améliore remarquablement la sécurité et la fiabilité de fonctionnement du réacteur. REVENDICATIONS 1. Coeur de réacteur à neutrons rapides dans lequel circule un calo- porteur et comportant une multiplicité d'assemblages combustibles garnis chacun d'une matière fissile, caractérisé en ce qu'une multiplicité d'assemblages étanchéifiés par gaz (1) sont disposés entre les assemblages combustibles (22) et sont étanchéifiés par un gaz (8), le niveau de la surface (11) du caloporteur (10) dans le coeur variant entre une position axialement supérieure incluant le niveau supérieur du coeur et une position axialement inférieure lorsque la puissance du coeur augmente et lorsque le débit de caloporteur diminue. 2. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits assemblages étanchéifiés par gaz comprend un élément cylindrique interne pour réduire l'aire en section droite horizontale du caloporteur à un niveau en hauteur correspondant à la partie axialement centrale du coeur, ledit élément cylindrique comprenant un élément (4) destiné à produire de la chaleur par rayonnement. 3. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits assemblages étanchéifiés par gaz (1) sont agencés successivement dans la direction circonférentielle du coeur. 4. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits assemblages étanchéifiés par gaz (1) sont agencés de manière adjacente à des barres de commande (35) dans le coeur. 5. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits assemblages étanchéifiés par gaz (1) comprend une gaine externe (12) destinée à être disposée dans le coeur de manière verticale et à être remplie d'un gaz d'étanchéité (8), un élément générateur de chaleur (4) disposé à l'intérieur de la gaine externe, un élément formant limite interne (5) contigu à l'élément générateur de chaleur et ayant un diamètre inférieur à celui de l'élément générateur de chaleur à un niveau en hauteur correspondant à la partie axialement centrale du coeur, un absorbeur de neutrons (7) disposé au niveau d'une partie interne inférieure de la gaine externe et un orifice d'entrée de caloporteur (9) formé dans la gaine externe et par lequel le caloporteur (10) pénètre à l'intérieur de la gaine externe. 6. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une première chambre d'expansion de gaz (2) est formée au niveau d'une partie située entre la gaine externe et la partie formant limite interne et une seconde chambre d'expansion de gaz (3) est formée au niveau d'une partie interne supérieure de la gaine externe, lesdites première et seconde chambres d'expansion de gaz communiquant entre elles par une partie de communication de gaz (6). 7. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite partie de communication de gaz (6) est de structure cylindrique. 8. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément générateur de chaleur (4) est constitué par un matériau dégageant de la chaleur par absorption de neutrons. 9. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit élément générateur de chaleur (4) est constitué par du hafnium. 10. Coeur de réacteur à neutrons rapides selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit gaz d'étanchéité (8) est un gaz inerte.