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Méthode d'enlèvement de produits de fission dans une pileconvertisseuse thermoionique
Cette invention concerne l'enlèvement de matières d'un récipient tout en maintenant les matières chargées électriquement dans le récipient et concerne plus particulièrement une méthode d'enlèvement de déchets nucléaires d'un réacteur thermoionique tout en maintenant de la vapeur de césium dans celui-ci.
Dans un réacteur thermoionique, on a trouvé désirable de faire passer de la vapaur de césium entre l'émetteur et
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le collecteur d'un convertisseur diode d'un élément cômbustible thermoionique pour empêcher la formation de charge d'espace dans l'espace entre les électrodes. Bien que l'onait essayé de garder la vapeur de césium complètement séparée des déchets nucléaires électri- cuement neutres ou des impuretés de fission, ceci n'a pas été toujours complètement possible. Par conséquente on a trouvé nécessai- re de réaliser un balayage du circuit de césium et cette nécessité de balayage entraîne au moins trois problèmes.
Premièrement, un gradient de pression de césium sera nécessaire,deuxièmement un effect d'arc peut se produire entre les diodes par suite des valeurs de balayage requises et troisièmement de grandes quantités de césium sont nécessaires et ceci va augmenter les frais et entra±- ner une augmentation du poids.
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Le but de l'invention est d'indiques"une méthode et un appareil 'j. permet l'enlèvement de matières qui ne sont pas 6ectriquemenL '-rgées { 'un récipient,et plus particulièrement l'enlèvement des dëc' -.' : , nuc.res d'une nacelle de réacteur tout en empêrhant la p<&' '9 de matières électriquement chargées, c'est-à-dire les vapeurs .- césium, au moyen d'orifices d'évacua- tion ayant la même polarit que la matière chargée électriquement qui doit être retenue et qu. de cette façon permet aux matières non chargées électriquement de passer à travers ces orifices tandis que l'on repousse électriquement les matières chargées dans le but. d'empêcher leur passage à travers ces orifices d'évacuation.
Selon l'invention, un récipient retenant des matières chargées électriquement et d'autres matières non chargées comporte
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un appareil formant un passage r3,. Taier du récipient à une région extérieure de ce récipient et des moyens pour polariser électriquement cet appareil formant un passage à la même polarité
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que la matière chargée électriquement de façon à ce que la matière chargée soit repoussée de cet appareil formant passage tandis que la matière non-chargée peut passer à travers ledit appareil.
Pour une meilleure compréhension de l'invention on se réfé-
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r aux dessins ci-joints qui sont donnés à titre-illustratif, sans car 1ère limitatif et dans lesquels : La figure 1 est une coupe en section droite d'un réacteur thermL i ique.
\ figure 2 est une coupe en section droite suivant la ligne 2-t , la. figure 1.
La ', J,qv<' 3 est une vue d'un élément combustible d'un réacteur this oioh'\ en section droite.
La fÂure 4 ei ne section droite agrandie indiquant l'extrémité d te de 3Ca , e 3.
La figé= N 5 est une v. ' section droite agrandie montrant l'extrémité gauck le la figure 3.
La figure 6 . st une vue suiva , figure 6-6 de la figure 5a La figure 7 est une vue en sectie.. ntjite agrandie d'une partie du secteur central de la figure 3.
La figure 8 est une vue de l'invention uth, dans une forme modifiée de réacteur thermoionique.
Dans la figure 1 on peut voir un réacteur therm tu. que lo qui est de forme générale circulaire en section droite est concentrique à un axe 12. Le réacteur 10 est ez; ent3,:1 %.3u,t un réservoir enveloppé par±récipient de pression 14 qui i i,t 9 d- ralement conçu pour être composé d'un corps 16 et d in co%iercle\ 18 réunis de la façon classique par une partie fortriit unbride 1 20. Une assez grande quantité d'éléments combustiblthermoioniques
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22 sont disposés côte à côte coaxiallement l'un à l'autre et coaxiallément à l'axe 12 du réacteur 10. Chaque élément combustible thermoionique 22 comporte plusieurs diodes thermoioniques fonction- nant au combustible nucléaire qui seront expliquées plus loin.
La réaction ce fission du combustible nucléaire est réglée par plusieurs réflecteurs decoeur 24 disposés sur une circonférence et pouvant pivoter qui sont réglés d'une manière classique au moyen d'un tambour de commande 26 qui est lui-même actionné par un dispositif classique de mise en mouvement du tambour de réglage (pas indiqué). La position des réflecteurs de coeur détermine la valeur de ia réaction nucléaire qui a lieu dans les éléments combustibles thermoioniques.
Un fluide réfrigérant, tel que le lithium, est amené aux parois des éléments combustibles thermoio- niques 22 et plus particulièrement aux collecteurs ou anodes de ceux-ci au moyen de plusieurs conduites 28 d'où le fluide réfrigérant passe parallèlement à l'axe 12 entre les élémehts combustibles thermoioniques 22 et eet déchargé par une ouverture de refoulement 30. Un second fluide réfrigérant est introduit 'dans le récipient de pression 14 du réacteur par une ouverture
32 et sert à régler la température du réservoir de césium à l'extré- mité supérieure de l'élément combustible thermoionique 22, comme indiqué'dans la figure 1, ce second fluide réfrigérant étant évacué par une ouverture de refoulement 34.
Comme on peut le mieux le voir dans la figure 2, les élé- ments combustibles thermoioniques 22 sont groupés dans cinquante- cinq modules thermoioniques telsque 36 et 38 reliés électrique- ment en parallèle, chaque module consistant en dix-neuf éléments combustibles thermoioniques reliés en série.. Chaqqe élément
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combustible :hermoionique censée en huit diodes ou convertisseurs électriquement nsérie.
Les différents modules d'éléments combustibles thermoioniques tel que 36 et 38 sont reliés de façon!. ce que la tension électrique de chaque élément combustible thermoionique soit addivive et la tension électrique totale du réacteur est recueillie de manière classique au moyen de barres omnibus telles que 40 qui passent par les ouvertures 42 et 44 dans les parois du récipient de pression 14.
La figure 3 montre une représentation en section droite -agrandie de l'élément combustible thermoionique,22. L'élément
22 est essentiellement un tube ayant une paroi extérieure fine 50 qui est de préférence faite de niobium (Nb) ayant une épaisseur d'environ 0,5 mm. Le réservoir de césium 52 est situé à une extrémité de l'élément 22 et des réflecteurs d'extrémité, qui seront généralement en oxyde de béryllium (BeO), 54,56, 58 et
60 sont situés aux extrémités de ceux-ci. On a placé huit conver- tisseurs ou diodes thermoioniques tels que 62 extrémité contre extrémité le long de l'axe 64 de l'élément 22.
Chaque diode 62 accomplit la fonction de conversion d'énergie calorifique en énergie électrique et consiste en un élément combustible nucléaire
66, une cathode ou émetteur d'électrons 68 et une anode ou collec- teur d'électrons 70. Par suite de l'échange thermique qui a lieu dans les cathodes ou électrodes émettrices 68 des pièces de connection et des joints flexibles 72 réunissent les cathodes adjacentes
La construction des éléments diodes individuels 62 est le mieux indiquée dansla figure 7 où une paroi 50 enveloppe un manchon isolant électrique 74 qui est de préférence réalisé en unoxyde de béryllium ayant une épaisseur de 0,38 mm et qui sert à supporter et à isoler électriquement les anodes ou collec-
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teurs d'électrons 70 puisqu 'une bride 76 les sépare.
Les collecteurs 70 ont de préférence environ 0,76 mm d'épais- seux, ont une forme annuaire et sont faits d'un.alliage de niobium.
Les cathodes 68 seront également d'une forme généralement annu- laire d'environ 0,6 mm d'épaisseur et sont de préférence fabriquées d'un alliage de tungstène, Des cathodes ou émetteurs adjacents 68 sont réunis par des connexions flexibles 72 et isolés électri- quement l'un de l'autre au moyen d'anneaux d'isolation électrique 80 qui ont de préférence une épaisseur de 0,12 mm et sont réalisés en oxyde d'alumirtum (AI2O3). Les connexions 72 comportent des sections centrales 82 qui sont supportées et électriquement isolées de l'anode 70 au moyen d'anneaux en céramique poreuse 84.
En fonctionnement, les éléments de fission nucléaire 66 qui sont de préférence réalisés d'un combustible du type carbure d'aluminium travaillent à une température maximale d'environ 2143 C et servent à chauffer l'émetteur ou la cathode 68 de la diode à environ 1927 C A cette température des électrons quittent la surface de l'émetteur 68, passent à travers l'espace 84 sur le collecteur d'électrons ou anode 70 produisant de cette façon une différence de potentiel électrique. L'anode fonctionne à environ 738 C et est refroidie par un fluide réfrigérant dont on a dit précé- demment qu'il passe par la paroi 50 qui est lui adjacente.
On a trouvé que les électrons passant entre l'émetteur 68 et le collecteur 70 produiront une marge d'espace entre l'émetteur
68 et le collecteur 70. Cette charge d'espace affecte de façon dés- avantageuse la fonction de production d'électricité des diodes thermoioniques puisqu'elle repousse une grande partie des électrons émis vers l'émetteur.
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Pour éliminer ces charges d'espace, on a trouvé qu'il était recommandable de faire passer des vapeurs de césium venant d'un réservoir 52 par un passage annulaire 84 de façon à ce que les ions de césium chargés positivement neutralisent les électrons dans l'espace entre les électrodes et de cette façon permettront aux électrons de passer de l'émetteur vers le collecteur avec moins de difficulté.
Comme on peut le mieux le voir dans la figure 4, la vapeur de césium qui se trouve à une pression d'environ 10 mm de mercure passe du réservoir 52 où sa température et sa pression sont réglées avec soins comme il a été décrit précédemment par l'écou- lement d'un fluide réfrigérant qui passe à travers les ouvertures 32 et 34 de la figure 1 et passe par une rainure en spirale 90 dans des espaces annulaires 84, ce passage 84 se terminant éventuelle- ment comme on peut le mieux le voir dans la figure 5 dans un élément de dilatation 86.
Les déchets nucléaires de l'élément @@@bustible nucléaire 66 passent comme on peut le mieux le voir dans\\ figure 7 le long de l'élément combustible thermoionique 22 d'abord da un espace annulaire 88 formé entre l'élément combustible 66 et 1'Metteur 68 et ensuite vers l'intérieur et à travers une ouverture Centrale 90 dans les parois d'isolation 92.
Ensuite ils passent à traves un espace 94 radiallement vers l'intérieur par rapport aux connexion de l'émetteur 72 et ensuite par une nouvelle ouverture 901,Un espace annulaire 88', une ouverture 90".et un espace 88" et de cette façon jusqu'à ce qu' ils arrivent éventuellement à l'extrémité de l'élément combustible thermoionique 22, où comme on peut le mieux le voir dans la figure 5 les déchets nucléaires passent de l'ouverture 90"', par le passage 96 dans la passage 98 et ensuite
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dans l'intérieur du réflecteur d'extrémité 54 par le passage 100, d'où ils s'écoulent en une direction opposée par les ouvertures telles que 102 et les espaces tels que 104 sur la longueur totale de l'élément combustible thermoionique 22.
Pour une description plus complète du fonctionnement d'une diode thermoionique on peut se référer à "Direct Conversion of Heat to Electricity" de Joseph Kane et John A. Welsh. publié par lr Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering.
Bien que tous les efforts soient faits pour maintenir la vapeur de césium séparéedes déchets nucléaires ceci n'est pas toujours possible et des déhets nucléaires s'infiltrent rapide- ment dans le passage de vapeur de césium 84.
L'invention établit un passage d'évacuation à travers lequel les déchets nucléaires peuvent passer dans le vide d'un espace extérieur et dans lequel les vapeurs de césium qui sont ionisées positivement seront repoussées et ne passeront pas. Ceci est réalisé par une charge électrique ou une polarisation du passage de façon à ce qu 'au moins une partie de celui-ci est de la même polarité que les ions psoitifs de cesium Avec le passage ainsi polarisé la vapeur de césium ne passera pas à travers celui-ci et sera repoussé dans le récipient tel que l'élément combustible thermoionique 22.
Pour une répulsion convenable des vapeurs de césium par le passage polarisé, il peut être nécessaire d'augmenter la polarité positive de césium. Par conséquent, dans un mode de réalisation préféré de cette invention, le passage sert à augmenter la polarité positive de césium.
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Dansun mode de réalisation préféré pour l'enlèvement des déchets nue éaires du passage 84, un tube métallique chaud avec une paroi f@@e et électriquement polarisé 106 qui est préférable- ment réalis( en tantale ou d'un métal réfractaire est disposé sur une circonf@ence par rapport à l'élément 22 et il forme un passage 107. Chacun le ces tubes est chargé électriquement de façon à avoir une polarité.à l'extrémité intérieure 108 qui est opposée à la polarité des ions césium. L'extrémité extérieure 108 du tube 106 est de la même polarité que les ions césium.
Les tubes 106 com- portent également à leurs extrémités intérieures au moins une ou- verture 110 dans la paroi et les déchets nucléaires passent à travers l'ouverture 110 dans un anneau de réception 112 en vue d'une dissi- mination par refoulement de manière classique. Par suite de la différence de polarité ou gradient de potentiel entre les extrémités intérieures 108 du tube 106 et oes extrémités extérieures, lestions césium sont repoussés de l'extrémité extérieure 106 et ne passeront donc pas par celle-ci mais seront retenus à l'intérieur de l'élément combustible thermoioniques dans le passage 84. Puisque le réacteur 10 opérera dans l'espace et par conséquent dans le vide, la pression légère dans l'élément combustible 22 provoquera l'écoulement par l'ouverture 110.
De cette façon, les matières de déchets non chargées peuvent être évacuées par le tube 106 dans le collecteur annulaire 112 tandi: que la vapeur de césium est maintenue dans l'élément combustible the moionique 22.
Le césium a un potantiel d'ionisation plus faible que n'importe quel gaz classique cependant, d'autres gaz ayant des potentiels d'ionisation faibles pourraient être substitués à celui-ci lorsque les circonstances le permettent.
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Si le tube chaud à parois fines est utilisé pour augmenter la polarité positive des ions césium, le tube 106 devrait avoir un travail de sortie hors de l'atome égal ou supérieur au potentiel d'ionisation du césium mais ceci n'est pas abso- lument nécessaire. N'importe quelle combinaison des trois facteurs suivants peuvent contribuer au degré d'ionisation du césium dans le tube 106, à savoir: 1 l'ionisation de surface qui dépend du travail de sortie des parois du tube, 2 l'ionisa- tion thermique qui dépend de la température des parois du tube 106 et 3 l'ionisation due au champs électrique appliqué tel que celui produit par une batterie 113 indiquée dans la figure 7.
En utilisant cette invention, les valeurs de balayage de césium peuvent être réduites tout en maintenant le niveau désiré de pureté du césium. Par suite de la réduction de valeurs de balayage de césium,les problèmes associés au circuit de balayage peuvent être éliminés ou réduits.
La figure 8 montre une autre forme de réalisation de 1'.invention qui est un type de convertisseurs thermoioniques qui n'utilise pas de cathodes émettrices mais où les électrons sont émis directement par l'élément combustible 66' et passent à un collecteur-anode 701 à travers un espace annulaire 84'. Le césium que l'on fait passer par l'espace 84' pour empêcher la formation de charge d'espace est repoussé des extrémités exté- rieures polarisées de même signe 109' du tube 106' tandis que les déchets nucléaires non chargés peuvent passer par le tube 106'.
On compendra que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation spécifique illustrés mais peut être utilisée en d' autres manières tout en restent dans le cadre de l'invention..