Brevet FR3012657A1 — publié le 20150501

ASSEMBLAGE POUR REACTEUR A NEUTRONS RAPIDES, REFROIDI PAR UN METAL LIQUIDE ET COMPORTANT UN PLENUM A VIDANGE AMELIOREE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un assemblage combustible pour réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide et comportant un plénum de ce métal, à vidange améliorée (en anglais, enhanced voiding). L'invention s'applique notamment aux assemblages combustibles destinés aux coeurs des réacteurs à neutrons rapides dans lesquels le caloporteur (en anglais, coolant) est le sodium liquide. Elle s'applique plus particulièrement aux assemblages destinés aux coeurs de réacteurs à faible effet de vidange (en anglais, low void effect). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un coeur de ce type est connu par le document suivant auquel on se reportera : [1] WO 2011/128258, coeur de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, à faible effet de vidange, invention de F.Varaine, P. Sciora et L. Buiron. L'invention vise à renforcer les marges de sûreté, plus précisément à maximiser la marge relative à l'ébullition du sodium liquide, lors des accidents non protégés de perte de refroidissement (notamment dans le cas des pertes non protégées d'écoulement, de dissipateur thermique et de puissance d'alimentation de système), pour des coeurs hétérogènes de réacteurs à neutrons rapides, refroidis au sodium, du genre de celui qui est connu par le document [1]. On cherche à maximiser la pente de diminution de la puissance locale et globale du coeur lors des pertes de débit primaire. Pour ce faire, la réactivité existant au cours du transitoire doit être minimisée. On connaît déjà plusieurs techniques pour limiter l'augmentation de la puissance du coeur au cours des accidents mentionnés plus haut. En particulier, il est connu de minimiser le coefficient de dilatation du sodium : (1) par la diminution de la fraction volumique de sodium : l'option choisie est le recours à des aiguilles plus grosses que celles qui sont utilisées dans les concepts de réacteur Phénix, Super Phénix et EFR (pour European Fast Reactor) ; (2) par le recours à un coeur hétérogène avec plénum, du type connu par le document [1], concept qui maximise la composante de fuite lors de la dilatation du sodium du coeur. Il est également connu de minimiser la contre-réaction Doppler (qui est positive dans les accidents mentionnés plus haut, relatifs aux coeurs du genre de celui qui est connu par le document [1] : (3) par la diminution du coefficient Doppler en augmentant la teneur moyenne en plutonium du coeur; (4) par l'augmentation du nombre d'aiguilles ou d'assemblages dans le coeur, afin de diminuer la température nominale du combustible. Les solutions (1) et (4) entraînent une diminution de la puissance volumique du coeur, ce qui nuit à la compacité globale du système et donc à sa composante technico-économique. De plus, les aiguilles proposées sortent du cadre de validation de certains codes de calcul actuels. La solution (2), dans sa configuration actuelle, entraîne des problèmes de protection (composante de fuite maximisée) et donc également une augmentation de la taille de l'ensemble coeur-réflecteur. Les solutions (2) et (3) entraînent une augmentation de la masse de plutonium mobilisée dans le coeur, ce qui augmente le temps de doublement du parc de réacteurs, pour les scenarii de déploiement de réacteurs à neutrons rapides. La solution (3) est, de plus, antagoniste avec l'objectif de minimisation de l'impact des excursions de puissance comme, par exemple, un retrait intempestif des barres de commande. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Elle a pour objet un assemblage pour réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide et comportant un plénum du métal liquide, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif pour diminuer la densité du métal liquide dans le plénum lorsque la pression du métal liquide diminue dans l'assemblage. Selon un mode de réalisation préféré de l'assemblage, objet de l'invention, le dispositif comprend : -une paroi qui divise le plénum en deux zones, à savoir une première zone dans laquelle circule le métal liquide (lorsque l'assemblage se trouve dans le réacteur en fonctionnement), et une deuxième zone contenant du métal liquide stagnant et un gaz et qui est inerte vis-à-vis du métal liquide qui surmonte le métal liquide stagnant, et -une connexion isobarique entre le métal liquide stagnant et la partie de l'assemblage dans laquelle circule le métal liquide, appelé « métal liquide circulant ». Dans ce cas, selon un premier mode de réalisation particulier, la connexion est une connexion isobarique dite « ouverte », comprenant au moins un perçage qui laisse le métal liquide circulant en contact direct avec le métal liquide stagnant. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, la connexion est une connexion isobarique dite « fermée ». Elle comprend au moins une membrane séparant le métal liquide circulant du métal liquide stagnant. Ces métaux liquides stagnant et circulant ne sont alors pas en contact l'un avec l'autre. Le gaz utilisé est de préférence l'argon. Le métal liquide est de préférence le sodium liquide. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre schématiquement le principe de l'invention, dans le cas particulier où la connexion isobarique est ouverte, et -la figure 2 illustre schématiquement le principe de l'invention, dans le cas particulier où la connexion isobarique est fermée. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On explique ci-après le principe de l'invention. Comme on l'a vu, il s'agit d'un assemblage pour un réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide et comportant un plénum de ce métal liquide. Dans les exemples, le métal liquide est le sodium liquide mais l'invention peut être mise en oeuvre avec d'autres caloporteurs, par exemple le plomb liquide. L'un des effets bénéfique du plénum sodium est son effet fortement négatif sur la réactivité du coeur du réacteur et donc sur la puissance P de celui-ci lorsque la densité Dp du sodium liquide diminue dans le plénum. Dans une configuration connue, Dp diminue lorsque la différence AT entre la température Ts du sodium liquide à la sortie du coeur et sa température Te à l'entrée du coeur augmente. Soit Q le débit global du sodium liquide dans le coeur. On peut donc écrire : Dp=f(AT), où f est une fonction décroissante (1) Et : AT = g (P/Q), où g est une fonction croissante (2) Donc : Dp = fog(P/Q), où la fonction composée fog est une fonction décroissante. Or, dans les transitoires correspondant à des accidents non protégés de perte de refroidissement, Q est une fonction décroissante du temps t et P peut être une fonction croissante ou décroissante de t. A titre d'exemple, cette fonction est décroissante dans le cas des transitoires caractéristiques des coeurs du genre de celui qui est connu par le document [1]. On comprend donc bien que la variation de AT en fonction de t résulte d'une compétition entre la variation de la puissance et celle du débit, et n'est donc pas optimale au sens de l'effet plénum. Afin d'amplifier la baisse de la densité du plénum sodium en cas d'un accident non protégé de perte de refroidissement, on propose, dans la présente invention, de corréler Dp à la pression du sodium circulant. Cette pression pe est de la forme suivante : pe = peo + 1(02), où lest une fonction croissante. Une corrélation de Dp à pe permettrait d'écrire : Dp = h(p/Q, Q2), où h est une fonction décroissante de chacune des deux variables (3) Selon un aspect de l'invention, on propose donc une structure d'assemblage garantissant que Dp est une fonction croissante de pe, ce qui permet de satisfaire la relation (3). Le principe d'une telle structure est schématiquement illustré par la figure 1 sur laquelle on a symbolisé un assemblage combustible 2 pour réacteur à neutrons rapides, refroidi au sodium et comportant une zone de plénum sodium 4, plus simplement appelée « plénum sodium ». La référence 6 désigne la zone de l'assemblage sous plénum. Conformément à l'invention, l'assemblage comprend en outre un dispositif 8 pour diminuer la densité du sodium liquide dans le plénum 4 lorsque la pression du sodium diminue dans une partie de la zone sous plénum (dans laquelle circule le sodium lorsque l'assemblage se trouve dans le réacteur en fonctionnement). Le dispositif 8 comprend : -une paroi 10 qui divise le plénum 4 en deux zones, à savoir une première zone 12 dans laquelle circule le sodium 13 (lorsque l'assemblage se trouve dans le réacteur en fonctionnement), et une deuxième zone 14 contenant du sodium stagnant 16, ou sodium statique (lorsque l'assemblage est dans le réacteur en fonctionnement), et un gaz 18, de préférence l'argon, qui est inerte vis-à-vis du sodium liquide et qui surmonte le sodium stagnant, et -une connexion isobarique 20 entre le sodium stagnant 16 et la zone dans laquelle circule le sodium liquide 13, appelé sodium liquide circulant. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, cette connexion 20 est une connexion isobarique ouverte : elle comprend un ou plusieurs perçages 22 laissant le sodium liquide circulant 13 en contact avec le sodium liquide stagnant 16. La référence 24 désigne un matériau neutrophage, par exemple le carbure de bore, qui se trouve au-dessus de l'assemblage 2 lorsque ce dernier est dans le coeur du réacteur. Lorsque l'assemblage est hors du coeur, la zone de sodium statique est constituée d'une faible masse d'argon à la pression du ciel de pile (de l'ordre de 105 Pa). Lorsque l'assemblage est placé dans le coeur, avec un débit de sodium nominal, l'argon est compressé par la remontée du sodium à la pression du sodium circulant. A l'inverse, lors d'une perte de débit, la pression dans le sodium circulant diminue comme Q2. Alors, le niveau de sodium dans le plénum baisse du fait de la dilatation du volume d'argon. On a donc une baisse de la densité de sodium dans le plénum avec un effet fortement négatif sur la réactivité. Un autre exemple de l'invention est schématiquement illustré par la figure 2. On y retrouve l'assemblage 2, la zone de plénum sodium 4, la zone sous plénum 6 et le dispositif 8. Ce dernier comprend encore une paroi 10 qui divise le plénum 4 en les deux zones 12 et 14. La zone 12 contient encore du sodium circulant 13. La zone 14 contient encore du sodium stagnant 16 et de l'argon 18 qui surmonte le sodium stagnant 16. Dans l'exemple de la figure 2, la connexion isobarique 20 entre le sodium stagnant 16 et la zone 12 dans laquelle circule le sodium 13 comprend une ou plusieurs membranes 23 qui séparent le sodium circulant du sodium stagnant et assurent une connexion isobarique fermée. Ces membranes 23 sont par exemple constituées par des soufflets. Comme précédemment, en fonctionnement normal, la pression du sodium circulant est en équilibre de pression avec l'argon dans le plénum 14. Si la pression du sodium liquide diminue, l'argon occupe un volume plus grand. Or l'argon ne réfléchit pas les neutrons. On amplifie ainsi l'effet de fuite des neutrons. Et, contrairement à la technique décrite dans le document [1], on n'a pas à attendre la dilatation, voire l'ébullition du sodium, pour favoriser la fuite des neutrons.5 REVENDICATIONS1. Assemblage (2) pour réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide et comportant un plénum (4) du métal liquide, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif (8) pour diminuer la densité du métal liquide dans le plénum lorsque la pression du métal liquide diminue dans l'assemblage (2). 2. Assemblage selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (8) comprend : -une paroi (10) qui divise le plénum (4) en deux zones, à savoir une première zone (12) dans laquelle circule le métal liquide (13), et une deuxième zone (14) contenant du métal liquide stagnant (16) et un gaz (18) qui est inerte vis-à-vis du métal liquide et qui surmonte le métal liquide stagnant, et -une connexion isobarique (20) entre le métal liquide stagnant (16) et la partie de l'assemblage dans laquelle circule le métal liquide (13), appelé métal liquide circulant. 3. Assemblage selon la revendication 2, dans lequel la connexion isobarique (20) comprend au moins un perçage (22) laissant le métal liquide circulant (13) en contact avec le métal liquide stagnant (16). 4 Assemblage selon la revendication 2, dans lequel la connexion isobarique (23) comprend au moins une membrane (23) séparant le métal liquide circulant (13) du métal liquide stagnant (16). 5. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le gaz est l'argon. 6. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le métal liquide est le sodium liquide.