Brevet FR2817649A1 — publié le 20020607

Domaine de l'invention La présente invention vient en complément du système permettant de moduler l'absorption, l'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules, décrit dans le brevet français référencé no 97. 08818, et le brevet européen no 98 935107.7-1240. La présente invention, utilisée conjointement avec l'invention décrite dans les deux brevets précités, permet d'une part, de régénérer le combustible nucléaire en fonctionnement, et d'autre part, de renforcer la modulation de puissance à l'aide de poison neutrophage (ou absorbant neutronique) telle que décrite dans les brevets en référence. Etat de la technique antérieure Dans un réacteur nucléaire, lorsqu'un neutron traverse un milieu modérateur (milieu aqueux dans un réacteur nucléaire pressurisé ou bouillant), il est ralenti par le milieu ambiant jusqu'à une valeur d'énergie qui favorise la collision avec les atomes fissiles. Lorsque l'on remplace le volume occupé par un milieu modérateur, par un gaz ou un liquide non modérateur, les neutrons émis par un atome de combustible conservent leur énergie à travers ce volume non modérateur. Lorsqu'ils rencontrent un atome de combustible au delà de cet espace, ils peuvent le rendre fissile, on a alors enrichi une partie du combustible. Dans l'état actuel de la technologie, on peut créer un effet de vide en faisant varier la vitesse de rotation des pompes dans les réacteurs nucléaires de type bouillant uniquement. Les inconvénients de la technologie actuelle sont : - d'une part, les dangers liés au risque de non refroidissement du combustible qui peut entraîner une altération du combustible, - d'autre part, les difficultés d'exploitation des installations nucléaires consécutives à la variation de vitesse des pompes et à la difficulté de maintenir ce taux de vide à une valeur stable, conduisent à une instabilité neutronique qui ne permet pas une régénération facile du combustible. Exposé de l'invention Le but de l'invention est un dispositif, à l'identique des brevets précités, constitué d'un réseau de canaux insérés en permanence dans et autour (ou éventuellement seulement dans ou seulement autour) des éléments radioactifs (mais conservant la possibilité d'être démontés) permettant de moduler la puissance des réacteurs nucléaires et de régénérer une partie du combustible en fonctionnement. A cet effet, le dispositif qu'elle concerne est caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur du réacteur des canaux, tubes ou similaires connectés à un réseau d'alimentation en hélium par exemple. Avantageusement, selon une application de l'invention, ces tubes sont répartis de façon judicieuse sur l'ensemble du volume du réacteur nucléaire. Cette répartition pouvant être soit homogène par carré d'assemblage combustible, soit disposée entre les assemblages combustibles. La figure N'O est un exemple possible, mais non exclusif, d'une répartition de canaux à effet de vide dans un réacteur nucléaire. La modulation de la pression dans ce canal, qui peut être, suivant une application particulière de l'invention décrite par les figures N'l et 2, à son extrémité basse, ouvert sur l'eau contenue dans le réacteur, permet de remplir ou de vider partiellement ou entièrement ces tubes avec l'eau du réacteur. Quand ce canal, constitué par un tube en zirconium ou de tout autre matériau transparent vis-à-vis des neutrons, est rempli d'un liquide modérateur, l'eau du réacteur par exemple, il a le même pouvoir modérateur vis-à-vis des neutrons que l'eau en circulation en dehors de ce tube. Quand ce canal est rempli d'hélium, ou de tout autre gaz ou liquide n'ayant aucun effet vis-à-vis des neutrons, il crée un effet de vide qui ne ralentit pas les neutrons et, de ce fait, les neutrons émis par un crayon combustible peuvent recréer un atome fissile, par exemple de plutonium, par bombardement d'un noyau fissile qui peut être, par exemple, de l'uranium, du plutonium, du thorium. L'invention offre la possibilité de piloter, à l'aide de la pression de gaz dans les tubes, le rapport entre le volume occupé par le milieu modérant les neutrons dans un volume de cuve constant et le volume occupé par du combustible ; ce rapport sera appelé taux de vide. Le taux de vide permet, dans un réacteur nucléaire, un effet de régénération du combustible. L'effet de vide agit aussi sur l'effet de modération, et ce même effet de modération modifie la puissance du réacteur ; on peut donc aussi modifier la puissance du réacteur en modifiant le taux de vide dans ce réacteur. Suivant une autre application selon l'invention, on peut utiliser des canaux à effet de vide tels que décrits précédement autour de canaux remplis de neutrophages (ou absorbants neutroniques) ; cette disposition renforce alors l'effet de ces absorbants, figures ? 3 et ? 4. Suivant une autre caractéristique de cette même invention, des particules de matériaux modérateurs peuvent être frittées ou alliées avec des particules de matériaux absorbant les neutrons, ou mélangées de façon homogène avec les matériaux absorbants, si ils ont la même densité, pour être directement utilisés dans les canaux de modulation de puissance. Le mélange de matériaux absorbants et de matériaux modérateurs des neutrons permet de renforcer l'effet de capture des matériaux absorbants en ralentissant les neutrons jusqu'à une énergie où leur capture devient possible ou optimum par le matériau utilisé comme absorbant de neutrons, pour exemple dans le système selon l'invention décrite dans les brevets précités. On choisira avantageusement pour une application selon l'invention parmi les composants modérateurs tels que Ca H2, Zr H2, HfH2, D2O. Dans le cas d'utilisation de l'invention décrit précédemment, le dispositif utilise au sein d'un réacteur nucléaire, en même temps que les canaux à effet de vide, une substance neutrophage pour maîtriser la réaction nucléaire, tant dans sa puissance que dans sa répartition spatiale. Le même dispositif peut, à l'opposé, utiliser ces mêmes canaux pour introduire dans le réacteur un apport de réactivité en substituant au fluide neutrophage ci-dessus un fluide émetteur de neutrons ou encore du combustible ou fluide réfléchissant les neutrons ; tous ces fluides pouvant être mixés comme précédemment à des particules de modérateurs. Dans les figures 5 et 6, on décrit une autre application selon l'invention permettant de remplir ou de vider, à l'aide des tubes 6 et 7, dans un tube récepteur 9, des fluides pouvant être différents, contenus dans les réservoirs 4 et 5. Ce tube est alors soit rempli par du gaz en provenance de la vanne 1, soit par le fluide contenu dans le réservoir 4, ou le réservoir 5. Suivant une autre application selon l'invention, on peut adjoindre au dispositif des accessoires permettant de vidanger totalement ou partiellement certains éléments du dispositif, d'échantillonner le fluide, de changer partiellement ou totalement la nature du fluide ou de l'un au moins de ses constituants, y compris pendant le fonctionnement de l'installation comportant le dispositif. La composition du fluide pourra être différente dans différents éléments du dispositif selon l'invention afin de mieux maîtriser et modifier la répartition spatiale des phénomènes nucléaires dans l'installation. Avantages de l'invention L'invention permet, dans un réacteur nucléaire, un effet de régénération du combustible qui peut se traduire par un allongement du cycle du combustible. L'invention permet de générer des matières fissiles à partir d'uranium, de plutonium ou de thorium, ce qui offre la possibilité de construire un réacteur nucléaire utilisant ces combustibles. Plus généralement, elle donne la possibilité de moduler la vitesse des neutrons et peut être utilisée pour transmuter des matières radioactives. Cette invention trouve une application dans l'incinération des déchets radioactifs à vie longue issus des réacteurs nucléaires classiques, ou peut aussi rendre ces mêmes réacteurs moins producteurs de ces mêmes déchets. L'invention permet de moduler ou de renforcer la modulation de la puissance d'un réacteur nucléaire et plus généralement de renforcer les effets de substances absorbant, modérant, émettant ou réfléchissant les particules. Avantageusement, l'invention permet 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 (borication) et des inconvénients de la présence d'acide borique dans les circuits caloporteurs (corrosion). Avantageusement, l'invention permet de multiplier le nombre des éléments du dispositif sans nécessiter un grand nombre de traversées de la paroi de l'enceinte du réacteur. Cette multiplicité des éléments permet de réduire la dissymétrie de flux neutronique dans un réacteur en fonctionnement. Avantageusement, l'invention permet de changer ou de replier en dehors du flux neutronique les substances neutrophages. Elle rend possible l'emploi de substance à durée de vie plus courte, par exemple d'un poison consommable tel que le gadolinium. Description d'un exemple de réalisation selon l'invention : L'exemple de dispositif choisi est constitué de trois types de tubes différents utilisables selon les besoins en anti réactivité souhaités. La figure NO représente une des possibilités de répartition. Le premier type de tubes utilisés dans cet exemple, tel que décrit par les figures ? 1 et NO2, est un tube 3 connecté à une alimentation en gaz 1 à son extrémité haute et à son extrémité basse, ouvert sur l'eau contenue dans le réacteur 4. La modulation de la pression du gaz permet de remplir ou de vider partiellement ou entièrement ces tubes avec l'eau du réacteur. Les crayons combustibles sont repérés 8 dans cette figure N'l. Les tubes 3 sont disposés de façon avantageuse au milieu des crayons combustibles. Le deuxième type de tubes utilisés dans cet exemple, tel que décrit par les figures N3 et N4, est une variante du premier type ; il est constitué du tube 3, décrit ci-dessus, à l'intérieur duquel on positionne un tube 2 en forme d'épingle dont une extrémité est connectée à un réservoir 4 contenant un fluide neutrophage. Ce réservoir ainsi que l'autre extrémité du tube sont reliés à un dispositif pneumatique 1 utilisant, par exemple de l'hélium. La gestion de la pression aux extrémités de ce dispositif permet de remplir ou de vider le tube interne avec du fluide actif, par exemple du neutrophage, et le tube 3 par l'eau du réacteur. Lorsque l'électrovanne 10 est ouverte, la pression fait remonter le fluide neutrophage dans le ballon 4, et le tube 2 est vidé. Les vannes 10 et 11 sont alors mises à la même pression, créant ainsi un état stable. Lorsque l'on veut remplir le tube, ou en cas de panne de courant électrique, l'électrovanne 11 est manoeuvrée, la pression dans le réservoir 4 chasse le neutrophage du réservoir et remplit le tube 2. Les vannes 10 et Il sont alors mises à la même pression, créant ainsi un nouvel état stable du système. La vanne 1, comme précédemment, remplit ou vide le tube par modulation de la pression dans le tube 3. Lorsque le tube 3 est rempli avec l'eau du réacteur, il apporte un effet modérateur qui renforce l'effet du neutrophage. Lorsque les tubes 2 et 3 sont vidés simultanément, on enrichit le combustible entourant ces tubes concentriques. Le troisième type de tubes utilisés dans cet exemple, tel que décrit par les figures NOS et NO6, est constitué d'un tube 3 connecté à une alimentation en gaz dans lequel plongent deux tubes connectés à des réservoirs 1 et 2 identiques à la description précédente et contenant chacun un fluide différent, par exemple un fluide modérateur dans le réservoir 1 et un fluide neutrophage dans le réservoir 2. La gestion de la pression entre les différentes extrémités des tubes permettant de remplir ou de vider le tube 3 avec le fluide actif contenu dans l'un ou l'autre des réservoirs. La maîtrise de la réactivité du réacteur est obtenue soit par la variation du nombre de tubes remplis soit par la gestion de la présence dans un même tube, alternativement de liquide neutrophage, ou de modérateur ou de gaz. On pourra adjoinre aux tubes 3 un écran modérateur formé, par exemple, d'hydrure tel que Ca H2, Zr H2, Hf H2. Ce dispositif permet de ralentir les neutrons pour faciliter leur capture par le neutrophage ou par le combustible. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de modifier de ralentir à volonté la vitesse de particules, de créer ou de moduler l'absorption, l'émission, la modération ou la réflexion de flux de particules caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur du réacteur des canaux, tubes ou similaires, de différents types, concentriques ou associées entre eux, connectés à un réseau d'alimentation en gaz disposés en permanence dans et autour (ou éventuellement seulement dans ou seulement autour) du système (mais conservant la possibilité d'être démonté) qui peuvent être remplis ou vidés indépendament et à volonté de fluides absorbant, modérant, réfléchissant ou émettant des particules, de gaz ou de fluides transparents pour ces mêmes particules dans le but de régler la réactivité d'un système nucléaire, d'enrichir le combustible nucléaire ou d'incinérer des déchets nucléaires. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise des tubes connectés à une alimentation en gaz à leur extrémité haute et à leur extermité basse, ouverts sur l'eau contenue dans le réacteur et disposés de façon avantageuse au milieu des crayons combustibles, et en ce que ces tubes peuvent être remplis ou vidés à volonté de l'eau du réacteur pour faire varier le taux de vide et créer un effet de modération des neutrons, de rayonnements ou des flux de particules. 3. Dispositif selon la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que l'on utilise un système constitué de tubes concentriques, dont le tube externe peut être rempli ou vidé à volonté de fluide modérateur et le tube interne peut être rempli ou vidé à volonté de fluide neutrophage pour faire varier le taux de vide et renforcer ainsi l'absorption, l'émission, la modération ou la réflexion des neutrons, des rayonnements ou des flux de particules. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2 et 3 caractérisé en ce que au moins deux tubes insérés dans le tube interne sont chacun reliés à des réservoirs pouvant contenir chacun un fluide différent et pouvant être manoeuvres indépendamment pour remplir ou vider un tube récepteur par un système pneumatique et permettant dans le cadre d'une application nucléaire de mettre dans un même canal, alternativement du modérateur, du neutrophage ou un gaz transparent vis-à-vis des neutrons, des rayonnements ou des flux de particules. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 3 ou 4 caractérisé en ce que les fluides utilisés peuvent être additionnés de particules constituées d'un alliage, d'un frittage ayant parmi leurs composants simultanément des substances modérant et absorbant les neutrons ou des substances modérant ou émettant les neutrons. 6. Dispositif selon les revendications 1 et 3 ou 4 ou 5 caractérisé en ce que les substances modérant les neutrons utilisées simultanément avec des neutrophages sont choisies parmi les composés chimiques Ca H2, Zr H2, HfH2, D20. 7. Dispositif selon les revendications 1 et 3 ou 4 ou 5 ou 6 caractérisé en ce qu'il peut être complété avantageusement par l'utilisation d'au moins deux fluides de nature différente.