Brevet FR2961337A1 — publié le 20111216

COEUR DE REACTEUR A NEUTRONS RAPIDES DE CONFIGURATION PERFECTIONNEE La présente invention concerne un coeur de réacteur nucléaire, à neutrons rapides. 5 Ce type de coeur est refroidi par un métal liquide tel que du sodium par exemple. L'invention peut ainsi s'appliquer notamment à un tel réacteur dans lequel le caloporteur est du sodium liquide, mais elle n'est pas limitée à l'utilisation de ce métal en tant que fluide de refroidissement du coeur. En effet, en variante, le caloporteur peut 10 être par exemple du plomb liquide, ou encore un alliage plomb-bismuth, ou autre. La présente invention vise à améliorer la sûreté du coeur d'un réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, y compris un réacteur de forte puissance unitaire (par exemple au-delà de 800 MWe), en proposant une modification de la conception de 15 ce type de coeur. On cherche à obtenir un réacteur à comportement intrinsèquement sûr, de façon à ce que les lois physiques, qui régissent les réactions nucléaires lors de transitoires accidentels, tendent naturellement à étouffer tout emballement potentiel du réacteur. 20 L'invention vise à réduire en particulier ce qui est appelé « l'effet de vidange » (en anglais, «void effect ») dans un réacteur à neutrons rapides. En particulier, lorsque le caloporteur est le sodium, on parle alors d'effet de vidange du sodium (en anglais, « sodium void effect »). 25 L'effet de vidange agit sur la réactivité du réacteur et s'exprime en dollars ($). Il est imputable aux vides qui se forment dans le caloporteur quand celui-ci s'échauffe et arrive à ébullition. Le « dollar » pour quantifier l'effet de vidange est une unité de réactivité. Un dollar (1 $) correspond à un rapport réactivité/proportion de neutrons retardés (en anglais, « delayed neutron fraction ») égal à 1. 30 Plus précisément, on définit un coefficient de vidange (en anglais, « void coefficient ») (exprimé en dollars) qui traduit la variation du facteur de multiplication du réacteur lorsque le caloporteur forme plus de vides que la normale. Si ce coefficient est positif, une augmentation du taux de vide se traduira par une augmentation de la réactivité et de la puissance. S'il est négatif, cet effet tendra à faire décroître la réactivité en entraînant une baisse de la puissance du réacteur. L'effet de vidange est généralement positif dans un réacteur à neutrons rapides actuel ou ancien, refroidi par du sodium liquide, ce qui signifie que lors de certains transitoires accidentels, il en résulte une augmentation significative de la réactivité du coeur, cette augmentation pouvant conduire à la destruction du coeur. Le problème de la réduction de l'effet de vidange n'est pas encore complètement et directement résolu actuellement pour les coeurs de forte puissance unitaire, notamment ceux qui sont prévus pour les filières industrielles. La présente invention vient améliorer la situation. Elle propose à cet effet une conception originale du coeur d'un réacteur à neutrons rapides notamment en vue de réduire l'effet de vidange précité. La présente invention vise alors un coeur de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, et comportant un ensemble d'éléments combustibles comprenant un matériau fertile et/ou un matériau fissile. L'ensemble d'éléments combustibles est agencé selon une forme générale de cylindre. Le coeur au sens de l'invention comporte en particulier un premier ensemble d'éléments combustibles, disposé selon une couronne en périphérie du cylindre et comportant relativement plus de matériau fissile qu'un deuxième ensemble d'éléments combustibles, disposé au centre du cylindre. Ainsi, la présente invention propose une conception de coeur de réacteur selon une configuration « annulaire », avec alors des éléments combustibles plus riches en matériau fissile répartis en un anneau périphérique autour du centre du coeur. Une telle configuration a permis déjà de réduire le coefficient de vidange. Des exemples concrets de configuration et de valeurs chiffrées correspondantes de réduction de coefficient de vidange sont donnés ci-après. Préférentiellement, le deuxième ensemble (au centre du réacteur) est dépourvu de matériau fissile. Optionnellement encore, le premier ensemble et le deuxième ensemble sont mitoyens, et par exemple le rayon externe de la couronne que forme le premier ensemble est 1,5 à 2,5 fois plus grand que le rayon interne de la couronne. 15 Lorsque le deuxième ensemble est dépourvu de matériau fissile et avec un rapport de rayons externe sur interne de 2, un exemple de réduction de coefficient de vidange atteint est d'environ 1,5 $. Toutefois, la présente invention permet avantageusement d'atteindre des avantages 20 autres que la réduction du coefficient de vidange. Par exemple, il peut être recherché aussi (et tiré partie de la morphologie du coeur annulaire au sens de l'invention) pour augmenter la puissance produite. Ainsi, dans une réalisation avantageuse, le premier ensemble comporte au moins : 25 - une première couronne comportant une première proportion globale de matériau fissile sur matériau fertile, - une deuxième couronne comportant une deuxième proportion globale de matériau fissile sur matériau fertile, inférieure à la première proportion, et - une troisième couronne comportant une troisième proportion globale de matériau 30 fissile sur matériau fertile, supérieure à la deuxième proportion, les première, deuxième et troisième couronnes ayant des rayons respectifs croissants.10 Cette disposition permet avantageusement d'uniformiser la puissance utile distribuée radialement sur l'ensemble des couronnes. A cet effet, on peut choisir judicieusement les rayons et/ou les matériaux respectifs - voire aussi, en complément ou en variante, la géométrie-même des éléments combustibles - des première, deuxième et troisième couronnes, comme décrit en détails plus loin en référence à la figure 1. Par exemple, il est possible de jouer sur la proportion de plutonium sur celle d'uranium dans les éléments combustibles (qui peuvent se présenter à titre d'exemple sous la forme d'aiguilles combustibles renfermant des pastilles de tels matériaux). Une variante possible consisterait néanmoins à prévoir des aiguilles plus larges, avec donc en proportion plus de matériau fissile, au niveau des première et troisième couronnes. Bien que le but recherché soit, pour cette caractéristique optionnelle, une augmentation de la puissance produite grâce à un meilleur aplatissement de sa distribution, il a été observé que cet effet s'accompagnait avantageusement aussi d'une réduction du coefficient de vidange d'environ quelques dixièmes de dollars (globalement une réduction inférieure à ou de l'ordre de 0,5 $). Dans une réalisation pratique décrite en détails plus loin en référence à la figure 1, les première et troisième proportions de matériau sont similaires dans les première et troisième couronnes. Un autre agencement avantageux du coeur du réacteur concerne une forme « en creuset » des couronnes. En particulier, le matériau fissile dans la deuxième couronne est à un niveau de hauteur inférieur au niveau de hauteur de matériau fissile des première et troisième couronnes, et préférentiellement de 10% à 40% inférieur. Cet agencement permet de gagner encore une réduction du coefficient de vidange d'environ 1$.30 Préférentiellement, le matériau de chaque élément combustible est surmonté d'un plénum du métal liquide. Ainsi, le plénum vient occuper les 10 à 40% de matériau en moins dans la couronne intermédiaire de la forme de creuset décrite ci-avant. Le fait de prévoir un tel plénum permet de réduire déjà le coefficient de vidange de 1$ lorsque ce plénum de sodium se vidange. Préférentiellement, le plénum est surmonté d'un matériau neutrophage, ce qui permet encore de réduire le coefficient de vidange d'environ 0,5$. En complément ou en variante, le premier ensemble d'éléments combustibles comporte ce qui est appelé « une plaque intermédiaire », soit, en allant de haut en bas : - une zone supérieure de matériau fissile, - une zone intermédiaire de matériau fertile, et - une zone inférieure de matériau fissile. Déjà en soi, cet agencement d'une plaque intermédiaire fertile permet de réduire le coefficient de vidange (en particulier si l'épaisseur de la plaque fertile est supérieure à une valeur seuil). En outre, il a été observé qu'il était possible de le réduire davantage en décentrant cette plaque à un niveau plus bas. Ainsi, en considérant un premier plan médian horizontal de zone intermédiaire précitée de matériau fertile et un deuxième plan médian horizontal d'un ensemble formé de : la zone supérieure de matériau fissile, la zone intermédiaire de matériau fertile et la zone inférieure de matériau fissile, le premier plan est préférentiellement situé en-dessous du deuxième plan. On peut choisir dans une réalisation que le premier plan médian horizontal soit situé à une hauteur entre 10% et 50% de la hauteur totale de l'ensemble formé de : - la zone supérieure de matériau fissile, la zone intermédiaire de matériau fertile, et la zone inférieure de matériau fissile. Un tel agencement permet de réduire le coefficient de vidange d'au moins 1$. Plus particulièrement, il a été observé un effet synergique pour la réduction du coefficient de vidange entre cette configuration en forme de creuset et la configuration de coeur annulaire au sens de l'invention, la réduction du coefficient de vidange atteinte étant supérieure à celle qui pouvait être attendue par une simple somme des réductions liées à chaque configuration considérée séparément. Bien entendu, l'estimation de l'effet de vidange, chiffrée en dollars, n'est qu'une convention en soi et ne traduit pas d'effet physique concret particulier. Ainsi, la réduction du coefficient de vidange discutée ici n'est qu'un estimateur possible d'un effet recherché en amont, et qui consiste préférentiellement en la réduction du coefficient de dilatation du métal liquide pour éviter les « vides » dans le coeur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, ainsi qu'à l'examen des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente une vue de dessus schématique, en coupe, d'un coeur de réacteur au sens de l'invention, la figure 2 représente une vue de côté d'un demi-cylindre que forme le coeur (pas à l'échelle), dans un mode de réalisation, la figure 3 représente une autre vue de côté d'un demi-cylindre que forme le coeur (pas à l'échelle), dans un mode de réalisation incluant la plaque intermédiaire fertile précitée, et la figure 4 illustre un aplatissement de la distribution de la puissance radiale du fait du choix d'une couronne intermédiaire comportant avantageusement une proportion globale de matériau fissile inférieure. 6 On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire la structure de coeur annulaire au sens de l'invention, avec, dans l'exemple de réalisation décrit, plusieurs couronnes périphériques Cl, C2 et C3. Outre ces couronnes Cl, C2, C3 et les barres de contrôle BR (ou «barres de régulation ») classiques dans un réacteur nucléaire, le coeur comporte, dans l'exemple représenté, des assemblages de combustible fertile (non fissile), portant la référence FERT sur la figure 1. Il s'agit par exemple, pour chaque assemblage (présentant une forme hexagonale en coupe, dans l'exemple représenté sur la figure 1), d'un ensemble de plusieurs aiguilles comportant chacune des pastilles de combustible fertile, tandis que les couronnes Cl, C2, C3 comportent, quant à elles, des assemblages dont les aiguilles comportent en outre des pastilles de combustible fissile. Chacun de ces assemblages correspond alors à ce qui est appelé précédemment « élément combustible ». Dans l'exemple représenté, le centre du coeur du réacteur, portant la référence FERT, présente un rayon d'environ 9 assemblages, ce qui correspond à environ 280 assemblages de matériau fertile, formant alors la zone centrale FERT du coeur du réacteur. Dans l'exemple, chaque assemblage est de forme hexagonale et d'entre-plat d'environ 20 cm. Le coeur comporte alors une première couronne Cl de matériau fissile (correspondant à un anneau de 2 assemblages en moyenne de large), cette première couronne Cl entourant alors le centre FERT du coeur. Une couronne intermédiaire C2 comporte moins de matériau fissile que la couronne Cl et enfin une troisième couronne extérieure C3 comporte autant d'assemblages de fissile que la première couronne Cl. La figure 1 est à l'échelle en ce sens que les proportions d'assemblages respectives dans le centre FERT et les différentes couronnes Cl, C2 et C3 sont respectées. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le rayon externe de fertile au centre, sur le rayon externe de fissile en périphérie du coeur, est d'environ 0,6, ce qui contribue à une réduction du coefficient de vidange de l'ordre de 1,5 à 2 S. Bien entendu, des variantes sont possibles. Un coeur de réacteur comportant : un disque central présentant un rayon correspondant à un ensemble de 7 à 8 assemblages fertiles, une première couronne comportant 2 assemblages fissiles de large (à teneur en plutonium élevée), une deuxième couronne à 3 assemblages fissiles de large (faible teneur en plutonium), une troisième couronne à 2 assemblages fissiles de large (teneur en plutonium à nouveau élevée), a donné des résultats de simulation très prometteurs. Une autre réalisation possible ayant donné de bons résultats consiste à prévoir : 7 assemblages de rayon d'un centre de coeur ne comportant qu'un simple métal pour protection neutronique (typiquement un acier réflecteur), ces assemblages étant alors exempts de matériau fertile, et 2 à 3 assemblages de large d'une couronne autour de ce centre, comportant du matériau fertile (pour réagir avec le fissile des couronnes Cl, C2, C3), puis, les couronnes Cl, C2 et C3. Cette configuration permet avantageusement une économie de matériau fertile. Le fait de choisir une teneur en plutonium élevée pour la couronne Cl, puis faible pour la couronne C2 et à nouveau élevée pour la couronne C3, permet d'aplatir la nappe de puissance radiale générée par l'ensemble du coeur de réacteur, ce qui permet d'éviter un pic de puissance marqué et d'augmenter alors la puissance produite. Sur la figure 4 : - la courbe en trait plein illustre un profil de puissance radiale qui serait produite sans couronne intermédiaire, la courbe en traits pointillés illustre le profil de puissance radiale produite avec la couronne intermédiaire C2, dans un exemple de réalisation avantageux. A titre d'exemple, la teneur en plutonium dans la couronne Cl peut être de l'ordre de 20%, celle de la couronne intermédiaire de 18%, et celle de la couronne extérieure C3 de 21,5%. On se réfère maintenant à la figure 2 représentant ces différents éléments, vus de côté en représentation dite « R-Z ». Ici, on a représenté le centre du coeur de réacteur (fertile) par la référence 10, étant entendu que cette partie du coeur du réacteur portait la référence FERT sur la figure 1. On prévoit dans ce mode de réalisation une plaque de matériau fertile 11, 12 et 13 dans les couronnes Cl, C2 et C3. Elles sont agencées sous le matériau fissile portant les références respectives 21, 22 et 23 dans les 3 couronnes Cl, C2 et C3. Comme illustré sur la figure 2, les couronnes Cl et C2 d'une part et les couronnes C2 et C3, d'autre part, sont séparées par les barres de contrôle BR. Il convient de rappeler ici que la figure 2 n'est pas à l'échelle. Le matériau fertile du centre du réacteur 10 est surmonté d'un plénum de sodium liquide portant la référence 30. Il en va de même pour le matériau fissile des couronnes Cl, C2 et C3. On relèvera néanmoins que pour la couronne intermédiaire C2, le plénum de sodium 32 est plus « épais » que le plénum de sodium 31 ou 33 prévu respectivement dans les couronnes Cl et C3. Enfin, ce plénum est surmonté d'une plaque neutrophage (par exemple du carbure de bore) portant la référence B4C sur la figure 2 (en référence au matériau qu'il est possible de prévoir dans cet exemple de réalisation). Dans l'exemple décrit, la hauteur totale de fissile 22 dans la couronne C2 est réduite de 20% par rapport à la hauteur de fissile dans la couronne Cl ou dans la couronne C3. Sur la figure 2, il n'a pas été représenté le matériau neutrophage, en périphérie de coeur. Il n'a pas été représenté non plus une plaque intermédiaire de fertile qui est prévue dans un exemple de réalisation avantageux de l'invention décrit ci-après en référence à la figure 3. Sur la figure 3, les éléments portant la même référence que sur la figure 2 sont identiques ou tout au moins similaires. Ainsi, ils ne sont pas commentés à nouveau. Ici, il est prévu en particulier une plaque fertile intermédiaire, portant respectivement les références 41, 42 et 43 dans les couronnes Cl, C2 et C3. Cette plaque intermédiaire peut être disposée à un niveau un peu plus bas que le plan médian de l'ensemble du coeur (préférentiellement à une hauteur de 30% à partir de la zone inférieure de matériau fissile 21, 22 ou 23 des couronnes Cl, C2 et C3). Cette disposition permet de diminuer significativement le coefficient de vidange. A titre d'information, la hauteur de plénum peut aller de 20 à 60 centimètres, celle de la plaque fertile interne de 10 à 30 cm, une longueur d'aiguille pouvant être au total de 2 mètres. La plaque neutrophage est par exemple de l'ordre de 40 cm. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci- avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes. Ainsi, les dimensions données ci-avant sont présentées à titre uniquement d'exemple. Par ailleurs, chaque configuration de « creuset » ou de couronne intermédiaire favorisant un aplatissement de la distribution de la puissance radiale au niveau de la couronne intermédiaire, ou encore la plaque fertile située à un niveau inférieur à un niveau médian, sont autant de dispositions qui permettent de réduire avantageusement l'effet de vidange. Ainsi, elles sont avantageuses lorsqu' elles sont combinées à une configuration de coeur annulaire au sens de l'invention, sans toutefois être essentielles, prises ensembles ou considérées individuellement. De même, dans l'exemple de réalisation présenté ci-avant, trois couronnes Cl, C2, C3, dont une couronne intermédiaire C2, sont prévues. Bien entendu, il est possible de prévoir plus de trois couronnes (cinq, sept, ou autres). En outre, on a décrit ci-avant une réalisation dans laquelle le centre du coeur est dépourvu de fissile. Dans une variante présentant de nombreux avantages, le centre du coeur, de couleur blanche sur la figure 1, peut comporter du fissile. Globalement, ce centre, avec la couronne de fertile FERT, comporte moins de fissile (en proportion par rapport au fertile) que l'ensemble des trois couronnes périphériques Cl, C2, C3. Néanmoins, dans une telle réalisation, le centre lui-même (de couleur blanche) peut comporter autant de fissile par exemple que la couronne Cl ou que la couronne C3. Les avantages qui découlent d'une telle réalisation sont notamment que : du fait de comporter du fissile au centre, les dimensions du réacteur peuvent être réduites à puissance égale, des performances d'exploitation comme le gain de régénération global (qui est un indicateur de la quantité nette de plutonium produite dans le réacteur) ou la longueur de la campagne d'exploitation se trouvent améliorées, le rendement global en puissance est meilleur, et le coefficient de vidange n'est pas ou n'est que très peu modifié par une telle réalisation. REVENDICATIONS1. Coeur de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, et comportant un ensemble d'éléments combustibles comprenant un matériau fertile et/ou un matériau fissile, l'ensemble d'éléments combustibles étant agencé selon une forme générale de cylindre, caractérisé en ce qu'un premier ensemble d'éléments combustibles (Cl, C2, C3), disposé selon une couronne en périphérie du cylindre, comporte relativement plus de matériau fissile qu'un deuxième ensemble d'éléments combustibles (FERT), disposé au centre du cylindre. 2. Coeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième ensemble (FERT) est dépourvu de matériau fissile. 3. Coeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier ensemble et le deuxième ensemble sont mitoyens, et en ce que le rayon externe de la couronne du premier ensemble est 1,5 à 2,5 fois plus grand que le rayon interne de la couronne. 4. Coeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier ensemble comporte au moins : une première couronne (Cl) comportant une première proportion globale de matériau fissile sur matériau fertile, une deuxième couronne (C2) comportant une deuxième proportion globale de matériau fissile sur matériau fertile, inférieure à la première proportion, et une troisième couronne (C3) comportant une troisième proportion globale de matériau fissile sur matériau fertile, supérieure à la deuxième proportion, les première, deuxième et troisième couronnes ayant des rayons respectifs croissants. 5. Coeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les première et troisième proportions sont similaires. 12 6. Coeur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les rayons et/ou les matériaux respectifs des première, deuxième et troisième couronnes sont choisis pour uniformiser la puissance utile distribuée radialement sur l'ensemble desdites couronnes. 7. Coeur selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le matériau fissile dans la deuxième couronne est à un niveau de hauteur inférieur à un niveau de hauteur de matériau fissile des première et troisième couronnes. 8. Coeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau fissile dans la deuxième couronne est de niveau inférieur de 10% à 40% du niveau de matériau fissile des première et troisième couronnes. 15 9. Coeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de chaque élément combustible est surmonté d'un plénum (31, 32, 33) dudit métal liquide. 10. Coeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le plénum est surmonté d'un 20 matériau neutrophage (B4C). 11. Coeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier ensemble d'éléments combustibles comporte, en allant de haut en bas : une zone supérieure de matériau fissile, 25 une zone intermédiaire de matériau fertile (41, 42, 43), et une zone inférieure de matériau fissile. 12. Coeur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un premier plan médian horizontal de ladite zone intermédiaire de matériau fertile est situé en-dessous d'un 30 deuxième plan médian horizontal d'un ensemble formé de : - la zone supérieure de matériau fissile,10- la zone intermédiaire de matériau fertile - et la zone inférieure de matériau fissile. 13. Coeur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le premier plan médian 5 horizontal est situé à une hauteur entre 10% et 50% de la hauteur totale de l'ensemble formé de : la zone supérieure de matériau fissile, la zone intermédiaire de matériau fertile, et la zone inférieure de matériau fissile.