Brevet FR2765722A1 — publié le 19990108

La présente invention a pour objet un dispositif permettant de moduler l'absorption, I'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules, par exemple de neutrons, dans le but, par exemple, de régler la réactivité d'un système nucléaire, de le rendre sûr ou de contenir le rayonnement ionisant, par exemple, d'un réacteur, d'une pile à combustible, ou d'un système de stockage de matière radioactive, potentiellement radioactive, ou devant subir une irradiation. La figure 1 du dessin schématique annexé montre une vue en coupe longitudinale d'un réacteur nucléaire. Dans un tel réacteur, dont la cuve est désignée par la référence 2, les éléments radioactifs 3 sont disposés sous forme de piles verticales, entre lesquelles sont ménagés des vides. L'absorption des flux neutroniques, par exemple, pour réaliser l'arrêt de l'installation, est obtenue grâce à des barres de contrôle 4, disposées au-dessus des éléments radioactifs. Ces barres de contrôle 4 sont destinées, pour réaliser l'absorption des flux neutroniques, à être introduites dans les espaces disposés entre les éléments radioactifs. II en résulte que la hauteur de la cuve doit être très importante pour permettre le débattement des barres de contrôle entre une position dans laquelle elles sont disposées entre les éléments radioactifs et une position dans laquelle elles sont disposées au-dessus de ceux-ci. Les autres inconvénients de cette technique résident - d'une part, dans les dangers liés aux risques de coincement d'une barre de contrôle, au saut d'un pas du mécanisme de commande de ces barres, et à la non descente d'une barre de contrôle lors d'un arrêt d'urgence d'un réacteur, et - d'autre part, dans les difficultés d'exploitation des installations nucléaires consécutives à l'usure inégale du combustible et à la dissymétrie du flux neutronique résultant notamment de l'empoisonnement des combustibles et de l'effet xénon samarium. Ces derniers points imposent l'utilisation de bore pour régler la réactivité et entraînent une consommation imparfaite du combustible. En outre, cette technologie étant sensible aux mouvements et aux accélérations, pose des problèmes dans le cas d'installations mobiles ou embarquées sur des navires ou dans des sous-marins. Le but de l'invention est de fournir un dispositif de structure simple et compacte, permettant de moduler l'absorption, I'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules, et qui ne soit pas sensible aux mouvements et aux accélérations. A cet effet, le dispositif qu'elle concerne, comporte un faisceau de canaux, tubes ou cavités disposés en permanence dans le système et/ou autour de celui-ci, destinés à être remplis à volonté de fluides absorbant, modérant, réfléchissant ou émettant des particules ou rayonnements ionisants. Le dispositif selon l'invention est un dispositif statique, dans lequel la modulation souhaitée est obtenue en faisant varier le niveau de fluide à l'intérieur des canaux, ou en remplissant de façon différenciée les différents canaux, ou encore en faisant varier la nature ou la composition du fluide circulant dans les canaux. Cette modulation peut être réalisée y compris en période de fonctionnement du système. Suivant une caractéristique de l'invention, le fluide permettant l'absorption, I'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules se présente sous forme liquide, sous forme pulvérulente, ou sous forme de gaz, de structure homogène ou contenant des particules en suspension. Avantageusement, les particules en suspension sont constituées par l'association par frittage, alliage ou assemblage, de différents métaux ou autres matières, absorbants, modérateurs, réfléchissants ou émetteurs de rayonnements ou de particules. Dans le cas du contrôle d'un réacteur nucléaire, et suivant une possibilité, le fluide peut être constitué par un métal liquide neutrophage, tel que le cadmium, dans lequel se trouvent en suspension des éléments neutrophages choisis, par exemple, parmi le gadolinium, le bore, I'hafnium, I'argent, I'indium et/ou des éléments réflecteurs, tels que le béryllium, ou leurs composés chimiques ou alliages. A titre d'exemple, ce fluide peut être constitué par du cadmium liquide additionné de micro-billes de borure de tungstène W2B5, allié par frittage avec un alliage indium-argent. Le dispositif selon l'invention permet d'introduire au sein d'un réacteur nucléaire une substance neutrophage permettant de maîtriser la réaction nucléaire, tant dans sa puissance que dans sa répartition spatiale. La maîtrise de la répartition spatiale de la réaction nucléaire permet d'économiser le combustible et d'allonger la durée des périodes entre deux changements de combustible. Le dispositif peut également introduire dans la réaction un apport de réactivité en substituant au fluide neutrophage un fluide émetteur de neutrons ou encore du combustible. Suivant une autre possibilité, le fluide est constitué par deux liquides de natures différentes, non miscibles et de densités proches, tels qu'un liquide neutrophage et un liquide non neutrophage, par exemple à base de plomb. La modulation est alors réalisée en faisant varier les positions respectives des deux liquides dans le faisceau de canaux. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les canaux sont constitués chacun par un tube en forme de U ou par deux tubes concentriques communiquant à l'une de leurs extrémités, dont le remplissage en fluide ou la composition du fluide sont réglés par un dispositif pneumatique, une source de vide, ou un dispositif de circulation par une pompe ou un piston. II est possible de regrouper les canaux par série de canaux commandés simultanément. Dans ce cas, les extrémités correspondantes de plusieurs tubes parallèles sont reliées à un même canal. Suivant une possibilité, I'une des extrémités de chaque canal contenant du fluide est reliée à un ballon. Avantageusement, le ballon est également relié à des circuits auxiliaires équipés de moyens permettant d'analyser les fluides, de les retraiter, de les homogénéiser ou d'en varier la composition. Ainsi, pendant le fonctionnement, les fractions solides du fluide peuvent être retirées, par exemple par filtration, décantation, centrifugation, piège électromagnétique, analysées, retraitées ou ajoutées au liquide, afin de faire varier les propriétés de celui-ci. La partie vecteur du fluide peut elle-même être analysée, retraitée et sa composition peut être modifiée pendant le fonctionnement de l'installation. En fonction du but recherché à un instant déterminé, il est possible de modifier la composition du fluide. C'est ainsi que certains fluides peuvent être dédiés à la modulation en cours de fonctionnement normal d'une installation, et peuvent être instantanément remplacés par un autre fluide neutrophage, qui sera libéré en cas de besoin pour un arrêt d'urgence de l'installation. Avantageusement, certains au moins des tubes ou canaux ou cavités sont munis, sur au moins une partie de leur périphérie, d'un écran réflecteur vis-à-vis des rayonnements ionisants, par exemple en béryllium, pour protéger l'extérieur du système de ce rayonnement et le renvoyer vers l'intérieur, ou pour provoquer un double passage des particules dans le fluide absorbant ou modérateur. Un autre avantage de l'invention est de dissocier du fluide caloporteur les matières qui sont employées à la maîtrise du réacteur. On s'affranchit ainsi de la gestion chimique du fluide caloporteur, et des inconvénients de la présence d'acide borique dans les circuits caloporteurs, qui se traduisent par de la corrosion. En outre, de la structure même de l'invention résulte la possibilité de s'affranchir des barres de contrôle mécanique. En raison de sa taille réduite et de la possibilité de changer les substances actives pendant le fonctionnement, le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté à des systèmes compacts, et soumis à des mouvements, tels que les réacteurs embarqués sur des navires ou dans des sous-marins. De toute façon, I'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce dispositif Figure 1 est une vue en coupe d'un réacteur nucléaire traditionnel; Figure 2 est une vue très schématique en coupe d'un réacteur nucléaire selon l'invention; Figure 3 est une vue partielle, en coupe longitudinale d'un canal de circulation de fluide modérateur selon l'invention; Figure 4 est une vue en coupe transversale du canal de figure 3 selon la ligne IV-IV de figure 3 Figure 5 est une vue de principe illustrant la circulation de fluide dans un canal de fluide modérateur selon l'invention; Figure 6 est une vue en coupe transversale d'un canal du type de ceux représentés à la figure 2; Figure 7 est une vue en coupe de plusieurs canaux du type de ceux représentés aux figures 3 et 4. La figure 2 représente très schématiquement un réacteur nucléaire comportant une cuve 6, à l'intérieur de laquelle sont disposées des piles 7 verticales de matériau combustible entre lesquelles sont ménagés des espaces libres. Entre les piles de matériaux combustibles est installé un faisceau de tubes 8 en forme d'épingles en U, les premières extrémités des épingles 8 étant reliées à un canal 9 et les secondes extrémités des épingles 8 étant reliées à un canal 10. Les épingles 8 et les canaux 9 et 10 forment un circuit à l'intérieur duquel circule un fluide neutrophage constitué de cadmium liquide additionné de microbilles de borure de tungstène W2B5, allié par frittage avec de l'alliage indium-argent. Le canal 9 est relié par l'intermédiaire d'un siphon 12 à un ballon sous pression 13 situé à l'intérieur de la cuve du réacteur, ce qui assure le maintien en température du fluide. Le ballon sous pression pourrait être situé à l'extérieur de la cuve, mais devrait dans un tel cas être réchauffé. Le canal 10 est, pour sa part, relié par l'intermédiaire d'une électrovanne 14 à trois voies, d'une part, à une source d'air sous pression 15 et, d'autre part, à l'air libre 16. Le ballon 13 communique, pour sa part, par l'intermédiaire d'un canal 17 sur lequel est montée une électrovanne 18 avec un dispositif 19 d'analyse des fluides, à partir duquel les fluides peuvent être envoyés par des conduits 20, 22 vers des dispositifs de traitement ou de remplacement. Lorsque l'électrovanne 14 permet l'admission d'air sous pression, la pression fait monter le fluide neutrophage à l'intérieur du ballon 13, et les tubes 8 ont tendance à se vider. Pour remplir les tubes, il suffit de basculer l'électrovanne dans la position vers laquelle elle met les tubes en communication avec l'échappement 1 6. La pression chutant, le fluide neutrophage est chassé par la pression régnant dans le ballon et remplit à nouveau les tubes. En cas de panne de courant, cette dernière commutation peut être effectuée automatiquement, ce qui assure la mise en sécurité de l'installation. La figure 2 ne représente qu'un groupe de tubes 8. Il est possible de disposer de plusieurs groupes de tubes, les tubes étant commandés indépendamment les uns des autres, ce qui permet de réaliser une modulation différente en différents endroits du réacteur. La modulation de la puissance du réacteur est obtenue en faisant varier le nombre de groupes de tubes pleins et vides. Le réacteur est arrêté en laissant tous les tubes se remplir de fluide. En modulant la hauteur de remplissage du tube, une branche de l'épingle étant remplie et l'autre non, on obtient une variation de puissance au prix d'une certaine dissymétrie du flux neutronique. II est possible de remédier à cette dissymétrie en utilisant non pas des tubes à épingles, mais deux tubes concentriques 24 et 25, le tube 24 étant fermé à son extrémité inférieure et le tube intérieur 25 comportant une ouverture 26 à son extrémité inférieure créant ainsi une liaison avec le tube extérieur 24. Le fluide est soumis à une pression d'air, par exemple, dans l'espace annulaire compris entre les deux tubes, de telle sorte que le fluide s'échappe par le tube intérieur 25 en direction du ballon. Dans une variante d'exécution représentée à la figure 5, qui n'illustre qu'un seul tube 27 en épingle, celui-ci contient, d'une part, un liquide neutrophage 28 et, d'autre part, un autre liquide 29 de densité proche du premier, non miscible avec celui-ci, et peu ou pas du tout neutrophage, par exemple, du plomb. Les extrémités des deux branches du tube 27 sont reliées à deux chambres respectivement 30 et 32, ellesmême reliées par l'intermédiaire de vannes à trois voies 33 et 34 à des sources 35, 36 de gaz ou d'air sous pression. En fonction de la pression dans l'une et l'autre des chambres 30 et 32, il est possible de modifier la répartition du liquide neutrophage et de l'autre liquide entre les deux branches du tube. La figure 6 représente, vue en coupe, un tube 8 similaire à ceux représentés à la figure 2. Ce tube 8 est équipé sur la moitié de sa périphérie extérieure d'un écran protecteur 37, par exemple en béryllium, pour protéger l'extérieur du réacteur du rayonnement ionisant. La figure 7 représente plusieurs tubes concentriques 24, 25 du type de ceux représentés aux figures 3 et 4. Dans ce cas, un écran réflecteur 38 en béryllium entoure chaque tube 24, et renvoie les neutrons augmentant ainsi leur temps de parcours dans le fluide neutrophage, le passage successif entre le cadmium, par exemple, et le fluide modérateur ralentissant le neutron jusqu'au domaine de capture et augmentant la probabilité de celle-ci. Comme il va de soi, I'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. C'est ainsi notamment que les moyens de circulation du fluide pourraient être différents, et obtenus soit par une source de vide, soit par un dispositif de circulation, par une pompe, par un piston, ou par un fluide de commande intermédiaire, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de moduler l'absorption, I'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules à l'intérieur d'un système, caractérisé en ce qu'il comporte un faisceau de canaux (8, 9, 10), tubes ou cavités disposés en permanence dans le système et/ou autour de celui-ci, destinés à être remplis à volonté de fluides absorbant, modérant, réfléchissant ou émettant des particules ou rayonnements ionisants. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (12, 14, 15, 30, 32, 33, 34, 35, 36) permettant de moduler l'absorption, I'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules en faisant varier le niveau de fluide dans chaque canal (8, 24, 25, 27), et/ou le nombre de canaux contenant du fluide, et/ou la nature ou la composition de fluide, y compris en période de fonctionnement du système. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le fluide permettant l'absorption, I'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules se présente sous forme liquide, sous forme pulvérulente, ou sous forme de gaz, de structure homogène ou contenant des particules en suspension. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les particules en suspension sont constituées par l'association par frittage, alliage ou assemblage, de différents métaux ou autres matières, absorbants, modérateurs, réfléchissants ou émetteurs de rayonnements ou de particules. 5. Dispositif selon l'ensemble des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le fluide est constitué par un métal liquide neutrophage, tel que le cadmium, dans lequel se trouvent en suspension des éléments neutrophages choisis parmi le gadolinium, le bore, l'hafnium, I'argent, I'indium et/ou des éléments réflecteurs, tels que le béryllium, ou leurs composés chimiques ou alliages. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide est constitué par du cadmium liquide additionné de micro-billes de borure de tungstène W2B5, allié par frittage avec un alliage indium-argent. 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide est constitué par deux liquides (28, 29) de natures différentes, non miscibles et de densités proches, tels qu'un liquide neutrophage et un liquide non neutrophage, par exemple à base de plomb. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les canaux sont constitués chacun par un tube (8) en forme de U ou par deux tubes concentriques (24, 25) communiquant à l'une de leurs extrémités, dont le remplissage en fluide ou la composition du fluide sont réglés par un dispositif pneumatique (15, 35, 36), une source de vide, ou un dispositif de circulation par une pompe ou un piston. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les extrémités correspondantes de plusieurs tubes parallèles (8) sont reliées à un même canal (9, 10). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'une des extrémités de chaque canal (9) contenant du fluide est reliée à un ballon (13). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le ballon (13) est également relié à des circuits auxiliaires (19, 20, 22) équipés de moyens permettant d'analyser les fluides, de les retraiter, de les homogénéiser ou d'en varier la composition. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que certains au moins des tubes ou canaux (8, 24) sont munis, sur au moins une partie de leur périphérie, d'une écran réflecteur (37, 38) vis-à-vis des rayonnements ionisants, par exemple en béryllium, pour protéger l'extérieur du système de ce rayonnement et le renvoyer vers l'extérieur, ou pour provoquer un double passage des particules dans le fluide absorbant ou modérateur.