Brevet FR3011667A1 — publié le 20150410

REACTEUR A NEUTRONS RAPIDES COMPRENANT UN CIRCUIT D'EVACUATION DE PUISSANCE RESIDUELLE AVEC THERMOPOMPES DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un réacteur à neutrons rapides, équipé d'un circuit d'évacuation de puissance résiduelle par lequel la chaleur du réacteur est extraite, notamment en cas d'accident, alors que les dispositifs d'échange de chaleur normalement en service sont supposés non disponibles. Les circuits d'évacuation considérés ici sont donc des circuits auxiliaires, dont le fonctionnement est demandé seulement dans des circonstances extraordinaires, mais dont on attend une très grande fiabilité. On connaît des circuits d'évacuation de puissance résiduelle actifs ou passifs. Les premiers sont munis de pompes pour faire circuler le fluide caloporteur qu'ils contiennent entre le coeur du réacteur et une source froide, où la chaleur résiduelle est dissipée. Comme le fluide caloporteur est le même métal liquide que celui des circuits d'échange de chaleur normaux du réacteur, on peut utiliser des pompes électromagnétiques pour forcer l'écoulement du fluide. Le document FR 2 105 468 A décrit une telle pompe électromagnétique : elle comporte un circuit magnétique et un bobinage électrique adjacent à une portion du circuit pour créer un champ magnétique et un courant électrique dans le métal liquide. En choisissant le champ et le courant perpendiculaires entre eux et aussi perpendiculaires à la direction du circuit, une force électromagnétique est créée dans cette direction et suscite donc l'écoulement. Les pompes électromagnétiques ont l'avantage de ne pas avoir de pièces mécaniques en mouvement et d'être donc beaucoup plus fiables que d'autres, mais elles ont toutefois l'inconvénient d'exiger une alimentation électrique, qui peut être défaillante pendant un accident. C'est pourquoi on a aussi envisagé l'emploi de circuits d'évacuation passifs, où on se fie à une convexion naturelle du métal liquide, obtenue au moyen de la différence de densité du métal entre la branche chaude et la branche froide du circuit. Cette convection naturelle peut suffire à produire l'extraction de chaleur au débit voulu, mais les circuits passifs ne sont eux-mêmes pas exempts de risque de mauvais fonctionnement, malgré l'absence complète de dispositif moteur : ils peuvent se bloquer si le métal liquide gèle localement, en présence d'une température basse de ce métal conjuguée un refroidissement trop important à la source froide, ce qui arrête alors complètement la convexion et l'extraction de chaleur. On a donc eu l'idée, avec cette invention, de compléter les circuits passifs d'évacuation de puissance résiduelle par des dispositifs de sécurité, qui maintiennent en toutes circonstances un petit débit d'écoulement dans le circuit, afin d'éviter sa stagnation conduisant à des risques de gel local du métal caloporteur, et afin de faciliter l'amorçage d'une convection naturelle, mais sans vouloir faire de ces circuits passifs d'autres circuits actifs, par l'addition d'une pompe classique, nécessitant une alimentation électrique. Conformément à l'invention, on complète ces circuits par des thermopompes, construites et placées judicieusement, qui ont la particularité de ne nécessiter aucune alimentation en énergie et sauvegardent donc les avantages des circuits passifs. Les thermopompes produisent les mêmes forces électriques magnétiques et mécaniques que les pompes électromagnétiques. Leur différence avec celles-ci est que le courant électrique à travers le métal liquide est créé par des thermopiles, comprenant une connexion entre deux thermo-éléments placés à des températures différentes. De tels thermo-éléments peuvent être formés par les couples chromel-alumel, cuivre-constantan, etc. Sous une forme générale, l'invention concerne donc un réacteur à neutrons rapides comprenant un coeur, une source froide, et un circuit passif d'évacuation de puissance résiduelle contenant un métal liquide comme fluide caloporteur, le circuit s'étendant entre le coeur et la source froide, caractérisé en ce que le circuit est muni d'au moins une thermopompe comprenant au moins un aimant permanent (ou tout autre dispositif générateur passif instaurant un champ magnétique) instaurant un champ magnétique à travers une section de circuit et une thermopile comprenant au moins une paire de thermo-éléments respectivement placés à des lieux à températures différentes et reliés électriquement entre eux et à des portions opposées de la section du circuit de manière à produire un courant électrique transverse au champ magnétique à travers ladite section du circuit. Dans une première réalisation de l'invention, les thermo-éléments sont directement placés sur la branche froide et la branche chaude du circuit à ladite portion du circuit, où lesdites branches sont adjacentes, et les aimants permanents sont placés à côté de la thermopile. On obtient alors une construction compacte, avec l'avantage que la différence de température nécessaire pour maintenir le fonctionnement de la pompe, existe toujours entre la branche froide et la branche chaude. Les constructions de ce genre peuvent toutefois faire apparaître certains inconvénients des thermopompes : leur puissance est faible, en général, et leur montage peut être délicat, à cause de dilatations thermiques différentielles, auxquelles les éléments qu'elles relient, et notamment que la thermopile relie, peuvent être exposés. Ce dernier inconvénient est d'autant plus notable que le réacteur sera soumis à des conditions nouvelles de température après un accident, et donc à des dilatations thermiques différentielles accrues en ces circonstances. Les risques de destruction du circuit électrique et d'arrêt de la fourniture du courant seront donc accrus. C'est pour mieux obvier à ces inconvénients que selon une autre forme de réalisation de l'invention, les thermo-éléments sont placés respectivement sur le circuit et sur une paroi appartenant à une source froide extérieure (l'air), ce qui assure dans tous les cas une différence de température. En éloignant la thermopile du lieu où les aimants sont installés et où la force électromagnétique est créée, on dispose d'une latitude beaucoup plus grande pour la construire, de manière à lui attribuer les dimensions permettant d'obtenir une puissance électromagnétique suffisante, et la placer à un endroit où la différence de température nécessaire à son fonctionnement est assurée et assez importante, et aussi où les structures auxquelles elle est raccordée sont assez souples pour que les dilatations thermiques différentielles ne produisent pas de contraintes excessives dans la thermopile ni sur le reste du circuit ; la portion souple du circuit n'est elle-même pas chargée et n'est pas responsable de l'apparition de contraintes dans la thermopile. L'invention peut aussi, plus généralement, concerner un circuit à métal liquide, comprenant une source froide et une source chaude, entre lesquelles ledit circuit s'étend, caractérisé en ce que le circuit est muni d'au moins une thermopompe comprenant un dispositif passif générateur d'un champ magnétique instaurant un champ magnétique à travers une section de circuit et une thermopile comprenant au moins une paire de thermo-éléments respectivement placés à des lieux à températures différentes et reliés électriquement entre eux et à des portions opposées de la section du circuit de manière à produire un courant électrique transverse au champ magnétique à travers ladite section du circuit. L'invention sera maintenant décrite plus en détail en liaison aux Figures suivantes, qui illustrent certaines de ses réalisations : - la Figure 1 est une vue d'une première réalisation de l'invention ; - la Figure 2 est une vue générale d'une deuxième revendication de l'invention ; et - la Figure 3 est une vue de la thermopile de la Figure 2. La Figure 1 représente un agencement de thermopompe, engagé sur un circuit d'évacuation de puissance résiduelle d'un réacteur à neutrons rapides, comprenant une branche chaude 1 et une branche froide 2 parallèles et situées adjacentes l'une à l'autre dans la portion du circuit représentée. Les branches 1 et 2 se prolongent d'un côté vers les parages d'un coeur 3 du réacteur nucléaire et de l'autre côté vers une source froide 4. Un métal liquide tel que le sodium circule dans ce circuit fermé par convection naturelle, mais une thermopompe au moins est ajoutée pour assurer une circulation minimale. Chacune comprend des aimants permanents (ou générateurs de champs magnétiques 5 situés autour de sections des branches 1 et 2, de manière à y créer un champ magnétique B, transverse aux branches 1 et 2, les aimants 5 pouvant être au contact de faces principales des tuyauteries des branches 1 et 2, qui sont ici rectangulaires et chacune comprend encore des thermopiles 9 comprenant, au droit des aimants 5, des couples de thermo-éléments 6 et 7, soudés respectivement aux faces étroites des branches 1 et 2 et une connexion 8 soudée aux thermo-éléments 6 et 7 et les reliant électriquement entre eux. Les branches 1 et 2 étant à des températures différentes, un courant I est créé entre les thermo-éléments 6 et 7 et à travers les thermopiles 9, et une force électromotrice F, perpendiculaire au courant et au champ magnétique, est créée et dirigée dans l'axe de branches 1 et 2. Ce dispositif est toutefois soumis à des contraintes mécaniques importantes, dues à sa rigidité conjuguée aux déformations thermiques différentielles, qui peuvent être importantes entre la branche 1 et la branche froide 2, auxquelles les thermopiles 9 sont raccordées. Il faut pourtant ajouter que cette différence de température peut devenir insuffisante dans certaines circonstances pour fournir une force électromotrice suffisante. C'est pourquoi on peut préférer utiliser l'agencement, décrit à la Figure 2, où la thermopompe comprend une thermopile 9 aux contacts de la tuyauterie de la branche chaude 1 et d'une paroi froide 11 ou refroidie, exposée à l'air ambiant, par exemple. Le circuit électrique est complété par des portions souples, comme des tresses conductrices 12 et 13, qui joignent les extrémités de la thermopile 9 à des faces opposées de la tuyauterie de la branche chaude 1, de manière à y instaurer une circulation de courant électrique transversale à l'endroit où le champ magnétique créé par les aimants 5 est intense. On se reporte à la Figure 3. Entre la tuyauterie de la branche chaude 1 et la paroi froide 11, la thermopile 9 comprend une série de plaques conductrices 14 en contact thermique avec la branche chaude 1 et d'autres plaques conductrices 15, en contact thermique avec la paroi froide 11. De l'isolant électrique (non représenté) peut être disposé entre les plaques conductrices 14 ou 15 et la branche chaude 1 ou la paroi froide 11. Les deux séries de plaques conductrices 14 et 15 s'étendent dans une même direction en se faisant face, mais en étant décalés dans cette direction, de façon à se chevaucher partiellement. Des couples de thermo-éléments 6 et 7 relient les plaques conductrices 14 aux plaques conductrices 15, en formant avec celles un conducteur sinueux à branche unique entre deux extrémités auxquelles les tresses conductrices 12 et 13 sont connectées. La multiplication des couples de thermo-éléments 6 et 7 augmente d'autant la différence de potentiel fournie par la thermopile 9 et donne donc une force électromotrice plus importante. Dans toutes ces réalisations, on peut utiliser une pluralité de thermopiles, et, plus généralement, de thermopompes, qui sont connectées à différentes portions du circuit d'extraction de chaleur. Dans la réalisation de la Figure 2, des thermopiles 9 peuvent aussi être raccordées également à la branche froide 2 du circuit, bien que la différence des températures obtenue avec la source froide soit moins importante. Les avantages particuliers à la deuxième réalisation peuvent être résumés comme ceci. La puissance souhaitée pour la pompe est plus facilement obtenue, puisqu'il est facile de la construire avec des couples thermo-éléments 6 et 7 nombreux dans une thermopile 9 de grandes dimensions, quoique son courant puisse être concentré par les tresses souples 12 et 13 et sur la portion précise du circuit de fluide, où le champ magnétique est le plus intense. Pour minimiser les contraintes mécaniques sur la paroi 11 en fonctionnement, celle-ci peut aussi être fractionnée en une série d'éléments, reliant électriquement les deux thermo-éléments. Des ailettes de refroidissement peuvent être ajoutées si nécessaire sur ces éléments. REVENDICATIONS1) Réacteur à neutrons rapides, comprenant un coeur (3), une source froide (4), et un circuit (1, 2) passif d'évacuation de puissance résiduelle contenant un métal liquide comme fluide caloporteur, le circuit s'étendant entre le coeur et la source froide, caractérisé en ce que le circuit est muni d'au moins une thermo-pompe comprenant un dispositif passif générateur d'un champ magnétique (5) instaurant un champ magnétique à travers une section de circuit et une thermopile (9) comprenant au moins une paire de thermo-éléments (6, 7) respectivement placés à des lieux à températures différentes et reliés électriquement entre eux et à des portions opposées de la section du circuit de manière à produire un courant électrique transverse au champ magnétique à travers ladite section du circuit. 2) Réacteur à neutrons rapides, selon la revendication 1, où le dispositif passif générateur de champ magnétique est composé d'un système d'aimants permanents (5). 3) Réacteur à neutrons rapides selon la revendication 2, caractérisé en ce que les couples de thermo-éléments (6, 7) sont directement placés sur la branche froide et la branche chaude du circuit à ladite portion du circuit, où lesdites branches sont adjacentes, et le système d'aimants (5) est placé à côté de la thermopile (9). 4) Réacteur à neutrons rapides selon la revendication 1, caractérisé en ce que les thermo-éléments sont placés respectivement sur le circuit et sur une paroi (11) froide ou refroidie. 5) Réacteur à neutrons rapides selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi (11) est exposée à l'air ambiant. 6) Réacteur à neutrons rapides selon la revendication 4, où la paroi froide (11) est fractionnée pour minimiser les contraintes mécaniques en fonctionnement. 7) Réacteur à neutrons rapides selon la revendication 4, caractérisé en ce que la thermopile est reliée à ladite portion du circuit par des portions conductrices souples (12, 13), et située hors de ladite portion. 8) Réacteur à neutrons rapides selon la revendication 4, caractérisé en ce que la thermopile comprend une série de couples de thermo-éléments (6,7) raccordés thermiquement respectivement au circuit (1, 2) et à la paroi (11), et reliés par des connexions (14, 15), de manière à former un conducteur unique entre deux extrémités les extrémités, étant reliées à ladite portion du circuit (12, 13). 9) Réacteur à neutrons rapides selon la revendication 3, caractérisé en ce que la branche chaude et la branche froide ont des sections rectangulaires à ladite portion du circuit, le système d'aimants permanents fait face à des grands côtés des sections rectangulaires et les thermo-éléments sont raccordés à des petits côtés des sections rectangulaires. 10) Circuit à métal liquide, comprenant une source froide et une source chaude, entre lesquelles ledit circuit s'étend, caractérisé en ce que le circuit est muni d'au moins une thermopompe comprenant un dispositif passif générateur d'un champ magnétique (5) instaurant un champ magnétique à travers une section de circuit et une thermopile (9) comprenant au moins une paire de thermo-éléments (6, 7) respectivement placés à des lieux à températures différentes et reliés électriquement entre eux et à des portions opposées de la section du circuit de manière à produire un courant électrique transverse au champ magnétique à travers ladite section du circuit.