Brevet FR3016725A1 — publié le 20150724

INSTALLATION D'EXTRACTION DE CHALEUR POUR UN REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES DESCRIPTION L'invention présente a pour domaine les réacteurs nucléaires à neutrons rapides et concerne plus précisément leur installation d'extraction de chaleur. Les réacteurs à neutrons rapides comprennent un circuit primaire de métal liquide passant par le coeur, un circuit secondaire, également de métal liquide, relié au précédent par un échangeur de chaleur, et un circuit d'eau-vapeur passant par une turbine et relié au circuit secondaire par un générateur de vapeur, auxquels la chaleur du coeur est successivement transmise. Le métal liquide couramment employé est du sodium, dont la proximité de l'eau ou de la vapeur d'eau du troisième circuit soulève des problèmes de sécurité, à cause de la réaction chimique violente qui se produit s'ils entrent en contact. Parmi les précautions mises en oeuvre, le générateur de vapeur est placé dans un bâtiment séparé de celui du coeur du réacteur. En cas d'accident mettant l'eau ou la vapeur en contact avec le sodium, on espère donc maintenir la surpression dans le bâtiment, tout en gérant les effluents et les conséquences mécaniques. Certaines situations d'accidents, comme les chutes d'avions, peuvent toutefois imposer des renforcements extrêmement coûteux de ce bâtiment. De plus, les règles de sûreté imposent de prendre en compte la rupture simultanée de tous les tubes du générateur, ce qui impose de diviser le générateur de vapeur en modules. L'invention fut conçue afin d'éviter de subir ces contraintes. La préoccupation fut de supprimer la proximité de l'eau ou de la vapeur et du sodium. Pour cela, on dispose un circuit intermédiaire de gaz entre le circuit secondaire et le circuit d'eau-vapeur, auxquels il est relié par des échangeurs de chaleur. Cela peut être accompli sans perte importante de rendement, malgré l'addition d'un circuit de transmission de chaleur. Un premier avantage de l'invention, qui constitue en même temps un mode de réalisation préféré de celle-ci, est que le circuit secondaire de sodium et le circuit d'eau-vapeur peuvent être situés dans des bâtiments séparés, ce qui élimine le risque de contact entre l'eau ou la vapeur et le sodium. Le circuit intermédiaire peut avoir la caractéristique très intéressante d'être clos et équipé d'une pompe interne de circulation, de manière à éviter toute fuite de gaz. Un gaz neutre sera généralement préféré. Les fuites pouvant être évitées, l'azote pourra aussi être envisagé, sans danger. Mais on pourra préférer un gaz neutre tel que l'hélium, qui a l'inconvénient d'être peu abondant sur Terre, mais a une bonne conductivité thermique et dont l'emploi se justifie en l'absence de fuites. Des mélanges de gaz peuvent aussi être envisagés. Une forme possible de réalisation de l'invention consiste à utiliser des échangeurs de chaleur à plaques, pour les échanges thermiques gaz entre le gaz et les autres fluides. Une réalisation purement illustrative de l'invention sera maintenant décrite plus en détail au moyen de la figure 1, qui illustre le dispositif dans son ensemble, et de la figure 2, qui détaille le circuit de gaz. Cette installation comprend un circuit primaire de sodium 1, passant à travers le coeur 2 du réacteur et entraîné par une pompe 3. Elle comprend encore un circuit secondaire de sodium 4, lui aussi entraîné par une pompe 5, et en échange thermique avec le circuit primaire 1 par un échangeur 23. On ajoute, conformément à l'invention, un circuit de gaz 6, pouvant être empli d'hélium, entraîné par une pompe comprenant une soufflante 7 animée par un moteur 8, et en échange thermique avec le circuit secondaire 4 par un échangeur de chaleur 9. La pompe est avantageusement interne au circuit de gaz 6, qui est continu et clos alors. Cette conception demeure toutefois si le moteur 8 est extérieur au circuit de gaz 6 et entraîne la soufflante 7 par un entraînement magnétique. Enfin, on trouve un circuit d'eau-vapeur 10 classique, muni d'un générateur de vapeur 11 traversé par le circuit de gaz 6 et où l'eau est vaporisée. L'eau est refoulée dans le générateur de vapeur 11 par une nouvelle pompe 12, et la vapeur entraîne des turbines 13, produisant de l'électricité par l'intermédiaire d'un générateur 14. Le générateur 14 la fournit au réseau collectif, qui entraîne aussi les pompes 3, 5, 12, le moteur 8 de la soufflante 7 et une autre pompe 15. Le circuit 10 comprend encore des échangeurs de chaleur internes 16 et 17 pour maintenir la température de la vapeur, après le passage par une première des turbines 13, et pour chauffer l'eau aspirée par la pompe 12, et un condenseur 18 à la sortie des turbines 13 ; mais la construction du circuit d'eau-vapeur 10 ne fait pas partie de l'invention et est donc donnée à titre purement indicatif. Le coeur 2, le circuit primaire 1 et le circuit secondaire 4 seront logés dans un même bâtiment 19, alors que le circuit d'eau-vapeur 10 et le générateur de vapeur 11 seront logés dans un bâtiment 20 distinct. L'installation du circuit primaire 1 contenant le sodium et du circuit d'eau-vapeur 10 dans des enceintes séparées supprime les risques de réaction sodium-eau, ce qui facilite la conception des bâtiments 19 et 20. La jonction entre les bâtiments 19 et 20 est faite par le circuit de gaz 6, à qui on peut donner la longueur nécessaire sans grand inconvénient. Le rendement attendu avec le dispositif de l'invention est de 40 % environ de récupération de la chaleur produite dans le coeur 2, au lieu de 42,6 % par un dispositif classique, sans le circuit de gaz 6, mais identique par ailleurs, ce qui devrait être une perte acceptable. Ces chiffres sont donnés en tenant compte d'un rendement de 90 % environ des turbines 13. Ils dépendent évidement de nombreux paramètres dont, pour le circuit de gaz 6, la constitution de l'échangeur de chaleur 9, la perte de charge dans le circuit de gaz 6, et la pression du gaz. Plus précisément, les pressions élevées sont préférables, le rendement pouvant être de 40,1 % à une pression de 180 bars et de 39 % à une pression de 120 bars (à la sortie de la soufflante) pour ce même mode de réalisation. La pression de 180 bars étant d'ailleurs identique à la pression de la vapeur produite dans le générateur de vapeur 11, il pourra être indiqué plus généralement de choisir la pression dans le circuit de gaz 6 égale à cette pression dans le générateur de vapeur 11. Une pression d'environ 120 bars pourrait être une limite inférieure des pressions souhaitées. La figure 2 donne quelques détails supplémentaires. Le circuit de gaz 6 est formé d'une conduite 21 continue et close. On peut donc considérer que le gaz contenu dans le circuit 6 ne fuira pas, ce qui justifie l'utilisation de gaz coûteux ou rares, comme l'hélium, qui a à l'avantage d'une très bonne conductivité thermique. Il est donc particulièrement avantageux que le système d'entraînement des gaz soit interne à la conduite 21. L'échangeur de chaleur 9 peut être composé d'une enveloppe occupée par des plaques 22 parallèles, dans lesquelles le circuit secondaire 4 et le circuit de gaz 6 débouchent, en créant des courants de sodium et de gaz alternés, qui peuvent être à contre-courant, comme on l'a indiqué. REVENDICATIONS1) Installation d'extraction de chaleur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides, comprenant un circuit primaire (1) de métal liquide passant par un coeur (2) du réacteur, un circuit secondaire (4) de métal liquide en échange thermique avec le circuit primaire et un circuit d'eau-vapeur (10) passant par une turbine (13), caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit de gaz intermédiaire (6) entre le circuit secondaire (4) et le circuit d'eau-vapeur (10), auxquels il est relié par des échangeurs de chaleur (9, 11). 2) Installation d'extraction de chaleur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit secondaire (4) et le circuit d'eau-vapeur (10) sont situés dans des bâtiments séparés (19, 20). 3) Installation d'extraction de chaleur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le circuit intermédiaire (6) est clos et équipé d'une soufflante (7). 4) Installation d'extraction de chaleur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en en ce que le gaz est un gaz neutre. 5) Installation d'extraction de chaleur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides selon la revendication 4, caractérisée en ce que le gaz est de l'hélium. 6) Installation d'extraction de chaleur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (9) entre le circuit secondaire et le circuit de gaz est un échangeur à plaques. 7) Installation d'extraction de chaleur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le gaz est à une pression égale à une pression de vapeur d'eau en sortie d'un générateur de vapeur (11) qui constitue l'échangeur de chaleur entre le circuit d'eau-vapeur (10) et le circuit de gaz (6).30