Brevet FR3109011A1 — publié le 20211008

- Réacteur nucléaire à eau bouillante avec secteur de surchauffe. - Le cœur (4) du réacteur nucléaire (1) comprend deux secteurs longitudinaux adjacents, à savoir un secteur de vaporisation (S1) correspondant à un secteur de réacteur à eau bouillante, configuré pour générer une vapeur d’eau, et un secteur de surchauffe (S2) à réaction nucléaire, configuré pour produire une surchauffe de la vapeur d’eau générée par le secteur de vaporisation (S1), chacun desdits secteurs (S1, S2) étant pourvu de moyens de fonctionnement indépendants, le cœur (4) du réacteur nucléaire (1) comportant, de plus, au moins un rideau (17) séparant les deux secteurs (S1, S2) de vaporisation et de surchauffe, le rideau (17) étant réalisé en un matériau bloquant les rayonnements et étant configuré pour pouvoir être amené dans une position fermée et dans une position ouverte, l’ensemble de ces caractéristiques permettant de surchauffer la vapeur d’eau produite de manière à augmenter considérablement sa température et à ainsi valoriser le cycle thermodynamique du réacteur nucléaire (1). Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Réacteur nucléaire à eau bouillante avec secteur de surchauffe. La présente invention concerne un réacteur nucléaire à eau bouillante pourvu d’un secteur de surchauffe. ETAT DE LA TECHNIQUE On sait que les différents types de réacteurs à modérateur eau, tels qu’un réacteur à eau pressurisée REP (ou « PWR » pour « Pressurized Water Reactor » en anglais) ou un réacteur à eau bouillante REB (ou « BWR » pour « Boiling Water Reactor » en anglais), ne délivrent, en général, que de la vapeur d’eau à environ 300°C. Pour augmenter l’efficacité thermodynamique du réacteur nucléaire, il serait intéressant d’augmenter la température de la vapeur d’eau. Il semble que plusieurs études aient été réalisées pour retourner la vapeur produite de diverses façons dans le cœur du réacteur, afin de la surchauffer dans un échangeur spécifique. Il semble toutefois que ces études n’aient pas abouti à des solutions concrètes, notamment en raison de la complexité des interdépendances entre la partie vaporisation et partie surchauffe. La présente invention a pour objet de proposer une solution permettant d’augmenter la température de la vapeur d’eau en produisant une vapeur surchauffée directement dans le réacteur nucléaire. La présente invention concerne un réacteur nucléaire à eau bouillante permettant de réaliser une surchauffe de la vapeur d’eau produite pour améliorer l’efficacité (notamment thermodynamique) du réacteur nucléaire. Pour ce faire, selon l’invention, le cœur du réacteur nucléaire comprend deux secteurs longitudinaux adjacents, à savoir un secteur de vaporisation correspondant à un secteur de réacteur à eau bouillante, configuré pour générer une vapeur d’eau, et un secteur de surchauffe à réaction nucléaire, configuré pour produire une surchauffe de la vapeur d’eau générée par le secteur de vaporisation, chacun desdits secteurs étant pourvu de moyens de fonctionnement indépendants, et le cœur du réacteur nucléaire comporte, de plus, au moins un rideau séparant lesdits deux secteurs de vaporisation et de surchauffe, ledit rideau étant réalisé en un matériau bloquant les rayonnements et étant configuré pour pouvoir être amené au moins dans l’une ou l’autre des positions suivantes : une position fermée et une position au moins partiellement ouverte. Ainsi, grâce au secteur de vaporisation qui est intégré dans le cœur du réacteur nucléaire et qui est associé au secteur de vaporisation (correspondant à un secteur de réacteur à eau bouillante usuel), on est en mesure de surchauffer la vapeur d’eau produite de manière à augmenter considérablement sa température, de l’ordre de 300°C à jusqu’à plus de 500°C, ce qui permet de valoriser le cycle thermodynamique. De plus, comme le secteur de vaporisation est intégré dans le cœur du réacteur nucléaire, cette surchauffe est réalisée directement dans le réacteur nucléaire. Avantageusement, le rideau comporte des tronçons longitudinaux adjacents, mobiles et actionnables. Par ailleurs, de façon avantageuse, le secteur de surchauffe présente, en section transversale, sensiblement l’un des contours suivants : un contour rectangulaire, un contour trapézoïdal. En outre, avantageusement, le secteur de surchauffe comprend des équipements complets de contrôle et de gestion de réacteur nucléaire. Par ailleurs, de façon avantageuse, le secteur de vaporisation correspond à un réacteur à eau modérée bouillante de troisième génération et comprend des équipements complets de contrôle et de gestion de réacteur nucléaire. Dans un mode de réalisation particulier, chacun desdits secteurs comporte au moins un tableau de contrôle, et chacun desdits tableaux de contrôle comprend des moyens d’affichage fournissant des informations sur l’autre secteur. Par ailleurs, de façon avantageuse, le secteur de surchauffe comporte des assemblages de crayons comprenant des crayons à ailettes. Dans un premier mode de réalisation particulier, le secteur de surchauffe comporte des crayons individualisés avec modérateur dans tous les intervalles, configurés pour envoyer des rayonnements modérés dans toutes les directions. En outre, dans un second mode de réalisation particulier, le secteur de surchauffe comporte des crayons non individualisés, configurés pour envoyer des rayonnements modérés uniquement vers le secteur de vaporisation. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est le schéma synoptique du principe de fonctionnement général d’un réacteur nucléaire à eau bouillante. La figure 2 est le schéma synoptique d’un mode de réalisation d’une cuve d’un réacteur nucléaire à eau bouillante, conforme à un mode de réalisation préféré de l’invention. La figure 3 est une vue schématique, selon une section transversale, d’un cœur de réacteur pourvu d’un secteur de vaporisation et d’un secteur de surchauffe séparés par un rideau en position fermée. La figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3, avec le rideau en position ouverte. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Le réacteur nucléaire 1, représenté schématiquement sur la figure 1, est un réacteur à eau bouillante REB (ou « BWR » pour « Boiling Water Reactor » en anglais), c’est-à-dire un réacteur nucléaire modéré et refroidi par de l’eau, portée à ébullition dans le cœur dans les conditions normales de fonctionnement, fournissant directement une vapeur utilisable. De façon usuelle, un tel réacteur nucléaire 1 de type REB comporte une enceinte de confinement 2 contenant une cuve 3 pourvu du cœur 4 du réacteur nucléaire 1, comme décrit plus en détail ci-dessous en référence à la figure 2. De façon usuelle, dans un tel réacteur nucléaire 1 de type REB, la chaleur dégagée par les assemblages de combustible du cœur 4 du réacteur nucléaire convertit l'eau qui circule à travers le cœur 4 (noyé dans de l’eau 5), en vapeur. La vapeur est séparée de l’eau. L’eau qui n’a pas été vaporisée est remise en circulation dans le cœur 4 du réacteur par l’intermédiaire d’un circuit d’acheminement 6 comme illustré par des flèches E. La vapeur (caloportrice) séparée de l’eau, est amenée à l’extérieur de l’enceinte de confinement 2, dans une turbine à vapeur 7 par l’intermédiaire d’une canalisation 8 comme illustré par des flèches F sur la figure 1. La turbine à vapeur 7, qui est mise en rotation par la vapeur, entraîne un alternateur 9 qui produit de l’électricité. A la sortie de la turbine à vapeur 7, la vapeur est condensée par un condensateur 10 pourvu d’un circuit d’eau de refroidissement 11 indépendant (comme illustré par des flèches G). L’eau condensée est amenée par l’intermédiaire d’une canalisation 12 pourvu d’au moins une pompe 13 vers la cuve 3 (comme illustré par des flèches H) dans le cœur 4 du réacteur nucléaire 1. Les éléments et caractéristiques, cités ci-dessus, sont connus et ne sont pas décrits davantage dans la présente description. Comme représenté sur la figure 2, la cuve 3 d’axe longitudinal X-X est agencée verticalement, le sens vers le haut étant illustré par une flèche Z. Selon l’invention, le cœur 4 du réacteur nucléaire 1 comprend deux secteurs longitudinaux adjacents, à savoir un secteur de vaporisation S1 et un secteur de surchauffe S2, précisés ci-dessous. Les deux secteurs S1 et S2 sont de compositions différentes, comme également précisé ci-dessous, De plus, selon l’invention, le cœur 4 du réacteur nucléaire 1 comporte un rideau (ou volet) 17 séparant les deux secteurs S1 et S2, comme précisé ci-dessous en référence aux figures 3 et 4. Le rideau 17 est agencé entre des parois verticales planes 21 et 22 (figures 3 et 4), se faisant face, respectivement des secteurs S1 et S2. Le secteur de vaporisation S1 est configuré pour générer, de façon usuelle, de la vapeur d’eau. Il produit une vapeur sèche, vers le haut de la cuve 3 dans une zone 14 comme illustré par des flèches I sur la figure 2. Le secteur de vaporisation S1 correspond à un réacteur à eau modérée bouillante de troisième génération. Ce secteur de vaporisation S1 comporte donc, de façon usuelle, une pluralité d’assemblages 19 (figures 3 et 4) de crayons munis de combustibles. Dans le cadre de la présente invention, les assemblages, qui baignent dans l’eau modératrice et réceptrice des flux thermiques , peuvent être formés et agencés de diverses manières usuelles. Le secteur de vaporisation S1 est pourvu de moyens de fonctionnement indépendants de ceux du secteur de surchauffe S2. Plus précisément, le secteur de vaporisation S1 comprend des équipements complets (non représentés) de contrôle et de gestion de réacteur nucléaire, de type usuel et non décrits davantage dans la présente description. Il dispose également de son propre tableau de contrôle. Le secteur de surchauffe S2, quant à lui, est configuré pour produire, sur la base d’une réaction nucléaire, une surchauffe de la vapeur d’eau générée par le secteur de vaporisation S1, dans une zone 15 au-dessus de la zone 14, comme illustré par des flèches J sur la figure 2. Ce secteur de surchauffe S2 comporte une pluralité d’assemblages 20 (figures 3 et 4) de crayons munis de combustibles. Dans le cadre de la présente invention, les assemblages, qui baignent dans l’eau modératrice et réceptrice des flux thermiques , peuvent être formés et agencés de diverses manières. Le secteur de surchauffe S2 est pourvu de moyens de fonctionnement qui sont donc indépendants de ceux du secteur de vaporisation S1. Plus précisément, le secteur de surchauffe S2 comprend des équipements complets (non représentés) de contrôle et de gestion de réacteur nucléaire, de type usuel et non décrits davantage dans la présente description. Le secteur de surchauffe S2 présente de préférence, en section transversale, l’un des contours suivants : - un contour rectangulaire ; ou - un contour trapézoïdal, comme représenté sur les figures 3 et 4. Le secteur de surchauffe S2 représente donc un faisceau, de section rectangulaire ou trapézoïdale, qui est accolé au secteur de vaporisation S1, et qui est séparé par le rideau 17 absorbant, permettant un fonctionnement indépendant. Selon l’invention, le cœur 4 du réacteur nucléaire 1 comporte donc un rideau 17 séparant les deux secteurs S1 et S2 (de vaporisation et de surchauffe). Le rideau 17 est réalisé en un matériau permettant de bloquer les rayonnements. En particulier, le rideau 17 est réalisé en un matériau absorbant tous les neutrons. Le rideau 17 est configuré pour pouvoir être manœuvré (ou actionné) et est apte à être amené au moins dans l’une ou l’autre des positions : - une position fermée P1, telle que représentée sur la figure 3. Dans cette position fermée P1, le rideau 17, réalisé en un matériau approprié, bloque le passage de rayonnements d’un des secteurs S1 et S2 vers l’autre, sur toute la largeur et la hauteur de ces secteurs S1 et S2 ; et - au moins une position ouverte P2, telle que représentée sur la figure 4. Dans cette position ouverte P2, le rideau 17 libère le passage de rayonnements d’un des secteurs S1 et S2 vers l’autre, sur toute la largeur et la hauteur de ces secteurs S1 et S2, et notamment du secteur de surchauffe S2 vers le secteur de vaporisation S1, comme illustré par des flèches K sur la figure 4. Dans le cadre de la présente invention, on peut prévoir une seule position fermée P2, ou plusieurs positions fermées qui permettent un passage plus ou moins important de rayonnement. Bien entendu, le réacteur nucléaire 1 comporte des moyens d’actionnement (non représentés) pour actionner le rideau 17 afin qu’il prenne l’une ou l’autre des positions P1 et P2 ainsi que des moyens de commande (également non représentés) pour permettre à un opérateur de commander ces moyens d’actionnement ou pour mettre en œuvre une commande automatique. Dans le cadre de la présente invention, le rideau 17 peut être réalisé de différentes manières permettant de mettre en œuvre les fonctions précitées, à savoir fermer et ouvrir le passage aux rayonnements. Dans un mode de réalisation préféré, le rideau 17 comporte des tronçons longitudinaux adjacents, mobiles et actionnables. Plus précisément, ces tronçons sont formés de lames verticales 18, agencées les unes à côté des autres, comme représenté sur la figure 4. Chacune de ces lames 18 peut être pivotée autour d’un axe vertical, comme illustré par un angle α. Dans la position fermée P1 de la figure 3, les lames 18 sont alignées et leur bords directement adjacents sont en contact pour fermer complètement le rideau 17. En revanche, dans la position ouverte P2 de la figure 4, les lames 18 ont été pivotées d’un angle α, à partir de la position fermée P1, pour créer des ouvertures entre elles et permettre le passage de rayonnements comme illustré par des flèches K. Bien entendu, plus l’angle α est élevé, plus l’ouverture est importante. On peut, par conséquent, prévoir différentes positions ouvertes en fonction de l’angle de pivotement α des lames 18. Afin de lui donner son indépendance de gestion collaboratrice, le secteur de surchauffe S2 est donc séparé du secteur de vaporisation S1 par le rideau 17 absorbant et manoeuvrable. L’ouverture ou l’arrêt des rayonnements acteurs de fission dans le secteur de surchauffe S2 n’étant pas suffisamment bloqués par les seules barres de contrôle du secteur de surchauffe S2, on utilise le rideau 17 manoeuvrable pour réaliser ce blocage. Ainsi, dans le cadre de la présente invention : - le rideau 17 est fermé, et donc amené dans la position fermée P1 de la figure 3, lorsque le secteur de surchauffe S2 est en activité ; et - le rideau 17 est ouvert, et donc amené dans la position ouverte P2 de la figure 4, pour libérer la surchauffe du secteur de surchauffe S2, si nécessaire. Comme indiqué ci-dessus, chacun des secteurs S1 et S2 comporte au moins un tableau de contrôle. Dans un mode de réalisation particulier, chacun des tableaux de contrôle comprend des moyens d’affichage fournissant des informations sur l’autre secteur. Ce mode de réalisation particulier permet de suivre sur chaque tableau de contrôle l'état et l'effet sur l'autre secteur et de collaborer à la continuité et à la stabilité, ainsi qu’aux manœuvres de découplement. Par ailleurs, dans un mode de réalisation préféré (non représenté), le secteur de surchauffe S2 comporte des assemblages de crayons comprenant des crayons à ailettes. Ces ailettes permettent de répondre aux données de transfert gaines/vapeur, afin que les crayons chauffants (en surchauffe) puissent assurer l’extraction thermique suffisante au refroidissement du combustible. Ainsi, on prévoit pour le secteur de surchauffe S2 une configuration différente des assemblages que pour le secteur de vaporisation S1. Par ailleurs, dans un premier mode de réalisation particulier (non représenté), le secteur de surchauffe S2 comporte des crayons individualisés avec modérateur dans tous les intervalles, qui sont configurés pour envoyer des rayonnements modérés dans toutes les directions. En outre, dans un second mode de réalisation particulier (également non représenté), le secteur de surchauffe S2 comporte des crayons non individualisés, qui sont configurés pour envoyer des rayonnements modérés uniquement vers le secteur de vaporisation S1, soit dans le milieu liquide du secteur de vaporisation S1, soit dans un milieu vapeur réservé. Le fonctionnement du réacteur nucléaire 1, tel que décrit ci-dessus, pourvu d’un secteur de vaporisation S1 et d’un secteur de surchauffe S2 est le suivant. Les deux secteurs S1 et S2 sont pilotés indépendamment, mais en lien l’un avec le fonctionnement de l’autre. Lors de la mise en marche du réacteur nucléaire 1, on met tout d’abord en marche de façon usuelle le secteur de vaporisation S1. Ce secteur de vaporisation S1 fonctionne à la manière d’un réacteur à eau modérée bouillante de troisième génération. Ce secteur de vaporisation S1 garde toujours sa fonction habituelle indépendamment du secteur de surchauffe S2. Le secteur de vaporisation S1 va ainsi générer, de façon usuelle, de la vapeur d’eau, par exemple de l’ordre de 300°C. Lorsque le secteur de vaporisation S1 est en marche stable, on met en fonctionnement le secteur de surchauffe S2, le rideau 17 étant en position fermée P1. Le secteur de surchauffe S2, quand il sera en fonctionnement normal, va produire une surchauffe de la vapeur d’eau générée par le secteur de vaporisation S1, permettant d’obtenir une vapeur jusqu’à plus de 500°C. Ainsi, grâce au secteur de vaporisation S1 qui est intégré dans le cœur 4 du réacteur nucléaire 1 et qui est associé au secteur de vaporisation S2 (correspondant à un secteur de réacteur à eau bouillante usuel), on est en mesure de surchauffer la vapeur d’eau produite de manière à augmenter considérablement sa température, de l’ordre de 300°C à jusqu’à plus de 500°C, ce qui permet de valoriser le cycle thermodynamique. Le réacteur nucléaire 1 étant ainsi en mesure de délivrer une vapeur surchauffée de plus de 500°C, le rendement du réacteur nucléaire 1 est largement amélioré grâce à l’invention. De plus, comme le secteur de vaporisation S2 est intégré dans le cœur 4 du réacteur nucléaire 1, cette surchauffe est réalisée directement dans le réacteur nucléaire 1. Par ailleurs, le rideau 17 est ouvert, et est amené dans la position ouverte P2 de la figure 4, pour libérer la surchauffe du secteur de surchauffe S2, si nécessaire. Le pilotage séparé des deux secteurs S1 et S2 est également utilisé lors d’une mise à l’arrêt du réacteur nucléaire 1, pour laquelle on réduit d’abord la puissance du secteur de surchauffe S2 avant de commander l’arrêt du secteur de vaporisation S1. Le pilotage séparé, tel que prévu, des deux secteurs S1 et S2 permet ainsi une gestion optimisée des asservissements en temps, notamment des démarrages et des arrêts, desdits secteurs de vaporisation et de surchauffe. Réacteur nucléaire à eau bouillante, caractérisé en ce que le cœur (4) du réacteur nucléaire (1) comprend deux secteurs longitudinaux adjacents, à savoir un secteur de vaporisation (S1) correspondant à un secteur de réacteur à eau bouillante, configuré pour générer une vapeur d’eau, et un secteur de surchauffe (S2) à réaction nucléaire, configuré pour produire une surchauffe de la vapeur d’eau générée par le secteur de vaporisation (S1), chacun desdits secteurs (S1, S2) étant pourvu de moyens de fonctionnement indépendants, et en ce que le cœur (4) du réacteur nucléaire (1) comporte, de plus, au moins un rideau (17) séparant lesdits deux secteurs (S1, S2) de vaporisation et de surchauffe, ledit rideau (17) étant réalisé en un matériau bloquant les rayonnements et étant configuré pour pouvoir être amené au moins dans l’une ou l’autre des positions suivantes : une position fermée (P1) et une position (P2) au moins partiellement ouverte. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rideau (17) comporte des tronçons longitudinaux (18) adjacents, mobiles et actionnables. Réacteur nucléaire selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le secteur de surchauffe (S2) présente, en section transversale, sensiblement l’un des contours suivants : un contour rectangulaire, un contour trapézoïdal. Réacteur nucléaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le secteur de surchauffe (S2) comprend des équipements complets de contrôle et de gestion de réacteur nucléaire. Réacteur nucléaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le secteur de vaporisation (S1) correspond à un réacteur à eau modérée bouillante de troisième génération et comprend des équipements complets de contrôle et de gestion de réacteur nucléaire. Réacteur nucléaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun desdits secteurs (S1, S2) comporte au moins un tableau de contrôle, et ce que chacun desdits tableaux de contrôle comprend des moyens d’affichage fournissant des informations sur l’autre secteur (S1, S2). Réacteur nucléaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le secteur de surchauffe (S2) comporte des assemblages de crayons comprenant des crayons à ailettes. Réacteur nucléaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le secteur de surchauffe (S2) comporte des crayons individualisés avec modérateur dans tous les intervalles, configurés pour envoyer des rayonnements modérés dans toutes les directions. Réacteur nucléaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le secteur de surchauffe (S2) comporte des crayons non individualisés, configurés pour envoyer des rayonnements modérés uniquement vers le secteur de vaporisation (S1).