Brevet FR2888982A1 — publié le 20070126

L'invention concerne un réacteur refroidi par métal liquide, nouveau et perfectionné, qui est amélioré en ce qui concerne le rendement de génération d'énergie par l'incorporation d'un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin ayant une fonction de transport de chaleur dans un réacteur refroidi par métal liquide. Un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est un type de cellule de concentration qui réalise une génération d'énergie en donnant une différence de concentration (c'est-à-dire une différence de pression de vapeur) d'une vapeur de métal alcalin aux deux côtés d'un électrolyte solide, tel que de l'alumine-a" ou analogue, ayant une conductivité d'ions d'un métal alcalin. Des générateurs de divers types de constructions étaient connus jusqu'à présent et diverses propositions pour améliorer ces générateurs ont été avancées (par exemple, les brevets japonais mis à l'Inspection Publique sous les n 2005-39937, 6-54566, 6- 163089, etc.). Le principe d'un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin sera décrit en prenant comme exemple un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin du type à alimentation de vapeur montré sur la figure 4 des dessins annexés décrits ci--après. L'intérieur d'une enceinte 10 fermée hermétiquement est constitué d'un côté à basse température à une partie de fond et d'un côté à haute température à une partie de dessus. De la chaleur est fournie au côté à haute température et de la chaleur est déchargée du côté à basse température. Un métal alcalin tel que du sodium liquide est stocké dans la partie de fond de l'enceinte fermée hermétiquement sur le côté à basse température, et ce sodium liquide est aspiré par l'action capillaire d'une mèche (tube capillaire pour la circulation de sodium) 11 et devient une vapeur de sodium dans une section d'évaporation sur le côté à haute température. La vapeur de sodium chauffée à une température élevée se dissocie en ions sodium (Na+) et en électrons sous l'effet d'une électrode poreuse 12 du côté d'anode d'une section de génération d'énergie. Les ions sodium se déplacent et passent à l'intérieur d'un électrolyte solide 13 dans le sens d'une flèche sous l'effet d'une force d'entraînement due à une différence de pression de vapeur de la vapeur de sodium entre le côté à haute température (côté à haute pression: 103 à 105 Pa) et le côté à basse température (côté à basse pression: 10-9 à 102 Pa). Les électrons passent à travers une charge extérieure et sont guidés vers une électrode poreuse 14 du côté de la cathode. Les électrons et les ions sodium se lient entre eux à une interface sur l'électrode poreuse 14 du côté de la cathode et une génération d'énergie est réalisée. Les ions sodium qui se sont liés aux électrons deviennent de nouveau de la vapeur de sodium, la vapeur de sodium est guidée vers le côté à basse température de la partie de fond dans l'enceinte 10 fermée hermétiquement, revient au sodium liquide dans la section de condensation et est stockée dans 1a partie de fond à l'intérieur de l'enceinte 10 fermée hermétiquement. Ce sodium liquide circule de nouveau par la mèche 11 vers la section d'évaporation du côté à haute température de la partie de dessus dans l'enceinte 10 fermée hermétiquement, grâce à quoi la génération d'énergie se poursuit. Par ailleurs, bien qu'il soit possible d'utiliser une pompe électromagnétique à la place de la mèche pour la circulation du sodium liquide, dans le cas où la mèche qui produit l'action capillaire est utilisée, de l'énergie extérieure est inutile et, par conséquent, une constitution simple du matériel devient possible. L'adoption d'un tel convertisseur thermoélectrique à métal alcalin en tant que système de génération d'énergie d'un réacteur refroidi par métal liquide a fait largement l'objet d'études ici et là. Cependant, le rendement de génération d'énergie d'un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin qui fonctionne à une température d'environ 500 C à 700 C ou voisine, qui sont des températures du fluide de refroidissement d'un réacteur refroidi par métal liquide, ne dépasse pas environ 20 et un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin ne pourrait pas devenir un système de génération d'énergie ayant un rendement de génération d'énergie comparable à celui d'un système de génération d'énergie par turbine à vapeur (environ 40 % dans un réacteur rapide refroidi par sodium dont la température du fluide de refroidissement est d'environ 500 C) . Dans le cas aussi d'un système de génération d'énergie utilisant une turbine à vapeur, il était difficile d'assurer que le rendement de génération d'énergie dépasse notablement environ 40 % lorsque la température de la chaleur fournie est d'environ 500 c. Un objet de l'invention est donc de proposer un réacteur refroidi par métal liquide équipé d'un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin dans lequel le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est incorporé dans un réacteur refroidi par métal liquide afin que le rendement de génération d'énergie de l'ensemble de la centrale puisse être notablement accru en comparaison avec le rendement de génération d'énergie d'un système de génération d'énergie à turbine à vapeur classique, utilisé individuellement, qui a été adoptée jusqu'à présent dans un réacteur refroidi par métal liquide. Conformément à l'invention, il est proposé un réacteur refroidi par métal liquide équipé d'un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin, caractérisé en ce que le réacteur refroidi par métal liquide est équipé d'un système de refroidissement primaire, d'un système de refroidissement secondaire et d'un système de génération d'énergie à turbine à vapeur, ou bien le système refroidi par métal liquide est équipé d'un système de refroidissement primaire et d'un système de génération d'énergie à vapeur; en ce que le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est disposé entre le système de refroidissement primaire ou le système de refroidissement secondaire et le système de génération d'énergie à turbine à vapeur; et en ce que de la chaleur du système de refroidissement primaire ou du système de refroidissement secondaire est fournie à un côté à haute température du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin et de la chaleur perdue sur un côté à basse température du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est fournie au système de génération d'énergie à turbine à vapeur, grâce à quoi la génération d'énergie par le système de génération d'énergie à turbine à vapeur est réalisée en même temps qu'une génération d'énergie par le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin. On préfère utiliser en tant que convertisseur thermoélectrique thermoélectrique vapeur ayant une Dans une l'invention, le alcalin est une à métal alcalin un convertisseur à métal alcalin du type à alimentation en capacité élevée de transport de chaleur. forme appréciée de réalisation de convertisseur thermoélectrique à métal cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin comportant une enceinte cylindrique fermée hermétiquement; une section de condensation à basse température sur un côté de décharge de chaleur situé sur une surface de fond à l'intérieur de l'enceinte cylindrique fermée hermétiquement; plusieurs éléments cylindriques à haute température de génération d'énergie ayant chacun une cavité intérieure, les éléments de génération d'énergie étant agencés debout de façon à être juxtaposés sur un côté supérieur d'absorption de chaleur à l'intérieur de l'enceinte cylindrique fermée hermétiquement; et plusieurs mèches juxtaposées de manière qu'une extrémité de chacune des mèches soit positionnée dans la section de condensation et que l'autre extrémité en soit positionnée dans la cavité intérieure de chaque élément cylindrique de génération d'énergie. Lorsqu'une telle cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin est utilisée, il est préférable que les multiples éléments cylindriques de génération d'énergie de cette cellule soient juxtaposés de façon dense. Dans la présente invention, la génération d'énergie par le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est réalisée en utilisant de la chaleur du système de refroidissement primaire ou secondaire du réacteur refroidi par métal liquide et, en outre, une génération d'énergie par le système de génération d'énergie à turbine à vapeur est réalisée en fournissant de la chaleur perdue sur le côté à basse température du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin au système de génération d'énergie à turbine à vapeur par l'utilisation de la fonction de transport de chaleur du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin. Ainsi, la génération d'énergie à la fois par le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin et par le système de génération d'énergie à turbine à vapeur devient possible en utilisant le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin, ayant la fonction de transport de chaleur, en tant que moyen d'échange de chaleur entre le système de refroidissement primaire ou secondaire et le système de génération d'énergie à turbine à vapeur. Même lorsque le rendement de génération d'énergie de la conversion thermoélectrique à métal alcalin est bas, le rendement global de génération d'énergie de l'ensemble de la centrale, en combinaison avec le système de génération d'énergie à turbine à vapeur, peut être notablement accru en comparaison avec un cas où le système de génération d'énergie à turbine à vapeur est utilisé seul. Lorsque le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est installé dans une enceinte d'un réacteur, un problème important est que la zone d'installation du matériel dans l'enceinte ne doit pas être élargie. Etant donné que le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin utilisé dans l'invention peut réaliser une génération d'énergie simultanément avec un transport de chaleur dans les mêmes dimensions que celles d'un équipement classique de transport de chaleur, l'installation de ce convertisseur thermoélectrique à métal alcalin n'augmente pas l'étendue de l'installation à l'intérieur de l'enceinte. En particulier, lorsqu'un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin du type à alimentation en vapeur, qui utilise l'évaporation et la condensation d'un métal alcalin est mis en oeuvre, on peut obtenir un volume élevé de transport de chaleur en utilisant la fonction de caloduc et un volume élevé de transport de chaleur par aire de réception de chaleur devient possible, ce qui permet, en résultat, de diminuer l'aire de transmission de chaleur nécessaire à l'échange de chaleur en comparaison avec un échangeur de chaleur de type classique. En outre, dans un cas où en tant que convertisseur thermoélectrique à métal alcalin, on utilise une cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin ayant une construction telle que plusieurs éléments cylindriques de génération de chaleur sont agencés debout de façon à être juxtaposés à l'intérieur de l'enceinte cylindrique fermée hermétiquement, le travail de remplacement devient aisé dans le cas d'une défaillance de la cellule et il devient possible d'améliorer l'aptitude à l'entretien. En outre, en juxtaposant de façon dense des éléments cylindriques de génération d'énergie, on peut prévoir aussi des économies d'échelle et on peut procurer un système de génération d'énergie peu coûteux. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et. sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective qui montre une forme de réalisation d'une cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin pouvant être utilisée dans la présente invention; la figure 2 est un graphique qui montre la relation entre la densité du courant (capacité de transport de chaleur), le débit et le rendement de génération d'énergie dans la cellule de conversion thermoélectrique à métal 5 alcalin de la figure 1; la figure 3 est un schéma fonctionnel montrant une forme de réalisation de l'invention; et la figure 4 est un schéma fonctionnel montrant le principe d'un convertisseur thermoélectrique à métal 10 alcalin utilisé dans l'invention. Un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin pouvant être utilisé dans l'invention n'est pas limité de façon particulière pourvu qu'il s'agisse d'un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin ayant une fonction de transport de chaleur. Un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin ayant une construction de base comme montré sur la figure 4 et une cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin d'une construction peu encombrante comme montré sur la figure 1 peuvent être avantageusement utilisés. On décrira la structure de la cellule de la figure 1. A l'intérieur d'une enceinte cylindrique 20 fermée hermétiquement (par exemple, réalisée en acier inoxydable, d'un diamètre intérieur de 30 mm et d'une longueur de 75 mm), une section d'évaporation à haute température pouvant recevoir une alimentation en chaleur (par exemple, 500 C, qui est la température d'un fluide de refroidissement constitué de sodium liquide) est formée dans une partie supérieure d'une section de condensation à basse température, qui décharge de la chaleur (par exemple à 250 C) est formée sur une surface de fond. Dans la section d'évaporation à haute température, plusieurs éléments cylindriques 21 de génération de chaleur, ayant chacun une cavité intérieure, et formés d'alumine-R" sont agencés debout de façon à être juxtaposés. Des électrodes formées de Tin, Mo, etc. sont fixées à des surfaces intérieure et extérieure de l'alumine-R" qui forme l'élément 21 de génération d'énergie. En outre, plusieurs mèches 22 sont disposées de manière qu'une extrémité de chacune des mèches soit positionnée dans la section de condensation et que l'autre extrémité en soit positionnée dans la cavité intérieure de chaque élément 21 de génération d'énergie. L'opération de génération d'énergie effectuée par une telle structure de cellule est la suivante. Du sodium liquide, qui est stocké dans la section de condensation sur la surface du fond, est aspiré vers le haut par l'action capillaire de la mèche 22 qui utilise une tension superficielle, et est évaporé dans la cavité intérieure de l'élément cylindrique 21 de génération d'énergie à haute température pour devenir de la vapeur de sodium (des ions sodium). La vapeur de sodium est déchargée à l'extérieur de l'élément 21 de génération d'énergie avec une différence de pression de vapeur entre l'intérieur et l'extérieur de l'élément 21 de génération d'énergie servant de force d'entraînement, et elle arrive à la section de condensation sur la surface du fond ayant une basse température et une basse pression de vapeur de sodium, où la vapeur de sodium se condense et devient du sodium liquide. De l'énergie est générée lorsque des ions sodium passent à travers l'intérieur de l'élément 21 de génération d'énergie formée d'alumine-0", et une génération d'énergie est réalisée. Dans l'exemple de la figure 1, 37 éléments 21 de génération d'énergie ayant un diamètre de 30 mm, sont juxtaposés de façon dense à l'intérieur d'une enceinte cylindrique 20 fermée hermétiquement. Il en résulte que la proportion de l'aire en section des 37 éléments 21 de génération d'énergie à l'aire en section de l'enceinte cylindrique 20 peut être rendue égale à 37 % et il est possible d'obtenir une cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin de faible dimension, avec des économies d'échelle importantes. La relation entre la densité du courant (capacité de transport de chaleur) , le débit et le rendement de génération d'énergie dans la cellule de conversion thermoélectrique au sodium ayant la construction de la figure 1 est montrée sur le graphique de la figure 2. La figure 3 montre une forme de réalisation de l'invention dans laquelle un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin (CTEAM) est disposé entre un système de refroidissement primaire du sodium et un système de génération d'énergie à turbine à vapeur d'un réacteur refroidi par métal liquide. Dans l'exemple de la figure 3, la construction de base est telle qu'un système de refroidissement primaire 4 du sodium d'un réacteur 1 est raccordé à un côté à haute température d'un convertisseur CTEAM 2 et un système 5 de vapeur d'eau d'une génératrice 3 à turbine à vapeur est raccordé à un côté à basse température du convertisseur CTEAM 2. Le convertisseur CTEAM 2 a la même construction que celle montrée sur la figure 4. Un fluide de refroidissement constitué de sodium, qui a atteint une température élevée après le refroidissement du réacteur 1, est guidé vers une entrée 4b du côté à haute température du convertisseur CTEAM 2 en passant par un conduit 4a du côté à haute température du système de refroidissement primaire 4 au sodium, qui est raccordé à une sortie du fluide de refroidissement du réacteur, un échange de chaleur est réalisé dans le convertisseur 2 et, ensuite, le sodium de refroidissement est renvoyé d'une sortie 4c à haute température du convertisseur CTEAM 2 au réacteur 1 en passant par un conduit 4d du côté à haute température, qui est raccordé à une entrée de fluide de refroidissement du réacteur. Par ailleurs, de la vapeur d'eau, dont la température a été abaissée par la génératrice 3 à turbine à vapeur, est guidée vers une entrée 5b du côté à basse température du convertisseur CTEAM 2 en passant par un conduit 5a du côté à basse température du système 5 de vapeur d'eau, qui est raccordé à une sortie de vapeur d'eau de la génératrice 3 à turbine à vapeur, un échange de chaleur est réalisé dans le convertisseur CTEAM 2 et, ensuite, la vapeur d'eau est guidée d'une sortie 5c du côté à basse température du convertisseur CTEAM 2 vers un générateur SG de vapeur, où la vapeur devient de la vapeur à haute température. Cette vapeur à haute température est introduite dans la génératrice 3 à turbine à vapeur depuis un conduit 5d du côté à basse température, qui est raccordé à une entrée de vapeur de la génératrice 3 à turbine à vapeur, et elle est utilisée dans la génération d'énergie. Par ailleurs, dans l'exemple illustré, la génératrice SG à vapeur est installée en aval de la sortie 5c du côté à basse température du convertisseur CTEAM 2. Cependant, il est également possible d'installer la génératrice à vapeur SG à l'intérieur du convertisseur 2 entre l'entrée 5b du côté à basse température et la sortie 5c à basse température. Dans ce processus, à l'intérieur du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin 2, du fait d'une différence de température entre le sodium de refroidissement à haute température du système 4 de refroidissement primaire au sodium et la vapeur d'eau à basse température du système 5 de vapeur d'eau, le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin remplit sa fonction sur la base du principe décrit ci-dessus pour la génération électrique. A l'intérieur du convertisseur 2, un système 6 de circulation de sodium, différent du système de refroidissement primaire 4 au sodium et du système 5 de vapeur, est formé, et ce système 6 de circulation du sodium a la fonction d'un système de refroidissement secondaire au sodium. Le système 6 de circulation du sodium est formé à l'intérieur d'une enceinte 7 fermée hermétiquement, constituée d'acier inoxydable ou analogue, et une canalisation du système 4 de refroidissement primaire au sodium et une canalisation du système 5 de vapeur d'eau sont disposées chacune en contact avec une paroi extérieure de l'enceinte 7 fermée hermétiquement. Par conséquent, un échange de chaleur entre chaque canalisation et l'enceinte fermée hermétiquement est effectué par l'intermédiaire de parois extérieures de chaque canalisation et de la paroi extérieure de l'enceinte 7 fermée hermétiquement. Il en résulte que le sodium du système de refroidissement primaire 4 au sodium et du système 6 de circulation du sodium ne vient pas en contact avec l'eau du système 5 de vapeur d'eau, et il est possible d'éliminer l'apparition d'une réaction entre le sodium et l'eau. Le sodium s'évapore à l'intérieur du système 6 de circulation du sodium sous l'effet d'un échange de chaleur avec le système 4 de refroidissement primaire au sodium sur le côté à haute température, et la vapeur de sodium générée se déplace vers le côté à basse température et se condense en échangeant de la chaleur avec le système 5 de vapeur d'eau. A l'intérieur du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin 2, un transport de chaleur est réalisé entre le côté à haute température et le côté à basse température sous l'effet de ce cycle d'évaporation-condensation, en sorte que le convertisseur CTEAM 2 remplit la fonction d'un échangeur de chaleur intermédiaire. Les symboles T (température, C) et W (débit d'écoulement, tonnes/h) dans le système de refroidissement primaire 4 au sodium montré sur la figure 3, indiquent des valeurs numériques déterminées d'après la conception du réacteur, et les symboles T (température, C), W (débit d'écoulement, tonnes/h) et P (pression, MPa) dans le système 5 de vapeur d'eau indiquent des valeurs numériques déterminées d'après un bilan thermique dans lequel les quantités de chaleur consommées dans le système de refroidissement primaire 4 au sodium et dans le convertisseur CTEAM 2 sont prises en considération. En ce qui concerne le réacteur 1, un réacteur rapide de petite taille, ayant un débit de chaleur de 395 MWt, qui est étudié par l'Agence à l'Energie Atomique du Japon, est pris en considération, et l'électricité générée dans le convertisseur CTEAM 2 peut être calculée de la manière suivante. 395 MWt x 17,8 % (rendement de génération d'énergie du convertisseur CTEAM) = 70,3 MWe où le rendement de génération d'énergie du convertisseur CTEAM de 17,8 % a été calculé conformément à un programme spécial d'évaluation en utilisant les spécifications pour la cellule de génération d'énergie et les conditions de température (côté à haute température et côté à basse température) du convertisseur CTEAM. L'électricité générée (G) de la génératrice 3 à turbine à vapeur peut être calculée de la manière suivante. Quantité de chaleur fournie à la génératrice (395 MWt - 70,3 MWe) x 38 % (rendement de génération d'énergie de la génératrice) = 123,4 MWe. Le rendement de génération d'énergie et l'électricité générée du convertisseur CTEAM 2 et de la génératrice à turbine 3, et l'électricité totale générée et le rendement total de génération d'énergie de l'ensemble du système, qui ont été obtenus ci-dessus, sont les suivants: Rendement de génération d'énergie et électricité 25 générée du convertisseur CTEAM: 17,8 % et 70,3 MWe, respectivement. Rendement de génération d'énergie et électricité générée de la génératrice à turbine: 38 % et 123,4 MWe, respectivement. Electricité totale générée et rendement total de génération d'énergie de l'ensemble du système: 193,7 MWe et 49,0 %, respectivement. Il ressort des valeurs numériques indiquées ci-dessus que, dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, telle que représentée sur la figure 3, même lorsque le rendement de génération d'énergie du convertisseur CTEAM 2 est bas, le rendement de génération d'énergie de l'ensemble du système en combinaison avec la génératrice 3 à turbine à vapeur peut être amélioré d'environ 9 % en comparaison avec le rendement de génération d'énergie obtenu dans le cas où la génératrice à turbine à vapeur est utilisée seule (environ 40 % dans un réacteur rapide de petite taille, refroidi au sodium, avec une température du fluide de refroidissement d'environ 500 C). Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent 10 être apportées au réacteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Réacteur refroidi par métal liquide équipé d'un convertisseur thermoélectrique (2) à métal alcalin, caractérisé en ce que le réacteur (1) refroidi par métal liquide est équipé d'un système de refroidissement primaire (4), d'un système de refroidissement secondaire et d'un système de génération d'énergie (5) à turbine à vapeur, ou bien le réacteur refroidi par métal liquide est équipé d'un système de refroidissement primaire (4) et d'un système (5) de génération d'énergie à vapeur d'eau; en ce que le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est disposé entre le système de refroidissement primaire ou le système de refroidissement secondaire et le système de génération d'énergie à turbine à vapeur d'eau; et en ce que de la chaleur du système de refroidissement primaire ou du système de refroidissement secondaire est fournie à un côté à haute température du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin et de la chaleur perdue située sur un côté à basse température du convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est fournie au système de génération d'énergie à turbine à vapeur d'eau, grâce à quoi une génération d'énergie par le système de génération d'énergie à turbine à vapeur d'eau est réalisée simultanément à une génération d'énergie par le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin. 2. Réacteur refroidi par métal liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est un convertisseur thermoélectrique à métal alcalin du type à alimentation en vapeur ayant une capacité élevée de transport de la chaleur. 3. Réacteur refroidi par métal liquide selon la revendication 2, caractérisé en ce que le convertisseur thermoélectrique à métal alcalin est une cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin comportant une enceinte cylindrique (20) fermée hermétiquement; une section de condensation à basse température sur un côté de décharge de chaleur située sur une surface de fond à l'intérieur de l'enceinte cylindrique fermée hermétiquement; plusieurs éléments cylindriques (21) de génération d'énergie, à haute température, ayant chacun une cavité intérieure, les éléments de génération d'énergie étant agencés debout de façon à être juxtaposés sur un côté supérieur d'absorption de chaleur à l'intérieur de l'enceinte cylindrique fermée hermétiquement; et plusieurs mèches 22 juxtaposées de manière qu'une extrémité de chacune des mèches soit positionnée dans la section de condensation et que l'autre extrémité en soit positionnée dans la cavité intérieure de chacun des éléments cylindriques de génération d'énergie. 4. Réacteur refroidi par métal liquide selon la revendication 3, caractérisé en ce que les multiples éléments cylindriques de génération de chaleur de la cellule de conversion thermoélectrique à métal alcalin sont juxtaposés de façon dense.