Procédé de réglage d'un réacteur nucléaire La présente invention a pour objet un procédé de réglage d'un réacteur nucléaire dans lequel le modé rateur et le réfrigérant parcourent des circuits séparés au sein du coeur.
Dans cette description, le terme modérateur ex clut le réfrigérant, mais il s'applique non seulement au matériau dont la fonction principale est le ralentis sement de la vitesse des neutrons au sein même du coeur proprement dit, mais également au matériau de ralentissement utilisé comme réflecteur des neu trons sortant du coeur. Le terme réfrigérant dési gne le fluide devant absorber la chaleur produite par le coeur,
même lorsque ce fluide a des propriétés modératrices.
Le procédé de réglage d'un réacteur nucléaire, qui fait l'objet de l'invention, dans lequel le modérateur et le réfrigérant parcourent des circuits séparés au moins au sein du c#ur, est caractérisé en ce qu'on modifie la composition et la température d'une partie au moins du modérateur indépendamment de la com position et de la température du réfrigérant.
Le circuit primaire peut être quelconque. Le fluide réfrigérant peut être un liquide sous pression ou bouillant, une vapeur sèche, saturée, ou surchauf fée, ou un gaz. Il peut avoir des propriétés modéra trices. Le circuit primaire peut être à circulation natu relle, ou il peut comprendre un ou plusieurs appareils de circulation forcée (pompe, ventilateur, soufflante ou compresseur). La chaleur transmise au fluide réfri gérant au sein du coeur peut être utilisée soit par l'in termédiaire d'un échangeur de chaleur communiquant la chaleur utile à un fluide secondaire de travail (li quide, vapeur ou gaz), soit directement sous forme de vapeur ou gaz primaire.
Le circuit de régulation peut être parcouru soit par le modérateur lui-même, soit par un fluide de nature identique ou différente de celle du réfrigérant et du modérateur 's'il est fluide. Ce circuit peut être ouvert et comprend un ou plusieurs échangeurs de chaleur. La circulation peut être naturelle ou forcée.
A l'intérieur de la cuve, le réfrigérant longe les assemblages d'éléments de combustibles, dont le ma tériau en contact avec le réfrigérant est compatible avec ce dernier. Lorsque le fluide de régulation est le modérateur lui-même, la partie du circuit de régu lation située à l'intérieur de la cuve se réduit à une ou plusieurs tubulures d'entrée et à une ou plusieurs tubulures de sortie, donnant accès à au moins une chambre occupée par- une partie au moins du modé rateur, séparé du circuit du réfrigérant au sein de la cuve par des parois pouvant être munies d'une isola tion thermique compatible avec le fluide qui la baigne.
Lorsque le fluide de régulation n'est pas le modéra teur lui-même, le circuit de régulation parcourt dans la cuve l'enceinte réservée au modérateur, à travers des chenaux ménagés dans le modérateur lorsque celui-ci est solide, ou dans des tubes échangeurs de chaleur, lorsque le modérateur est fluide. Ces che naux ou ces tubes peuvent être plaqués d'un matériau compatible avec les fluides de régulation et avec le modérateur.
Les pressions du réfrigérant, du modérateur et éventuellement du fluide de régulation peuvent être quelconques et différentes les unes des autres, toute fois l'utilisation de pressions identiques ou très voi sines permet<B>de</B> réduire au minimum l'épaisseur des parois de séparation.
L'enrichissement des éléments de combustible neufs en éléments fissiles (U-235, U-233, Pu-239, Pu-241) et la géométrie du coeur peuvent être choisis de manière à ce que l'excès de réactivité initial qu'au rait le coeur s'il était normalement modéré, soit suffi sant pour permettre l'épuisement recherché, qui sera obtenu en améliorant progressivement la modération.
Lorsque les éléments de combustible sont neufs, un réacteur utilise un premier modérateur choisi d'une composition telle que lorsqu'il a la température maxi mum de régime Tl, le réacteur est juste à l'état criti que à pleine puissance c'est-à-dire toutes barres d'ar rêt et de réglage sorties, sans que l'effet d'empoison nement au xénon ait commencé à se faire sentir. A froid, ce réacteur avec c#ur neuf ainsi défini est main tenu à l'état sous-critique par des barres d'arrêt, dis posées avantageusement dans la chambre occupée par le modérateur.
Ces barres d'arrêt étant enfoncées, le réacteur peut être porté à sa température de régime et le modérateur, en partie au moins à une tempéra ture Ti , pouvant être supérieure à Tl par un moyen de chauffage au moins, agissant sur le circuit primaire et sur le circuit de réglage.
Lorsque le réacteur a atteint cette température de régime, les barres d'arrêt sont relevées progressivement jusqu'à obtention de l'état critique, qui ne peut se produire, dans les con ditions définies ci-dessus, que lorsque toutes les bar res sont entièrement sorties de l'enceinte occupée par le c#ur et son réflecteur.
Pour que la montée en puissance puisse se pro duire, il faut compenser la variation de réactivité due à l'effet Doppler, en abaissant la température d'une partie au moins du modérateur de Tl', à Tl, par exemple. En variante, on peut prévoir l'usage d'une des barres d'arrêt comme barre de commande de la puissance.
Dans ce dernier cas, il n'y a pas lieu de tenir compte d'un excédent d'élévation de température d'une partie au moins du modérateur, lors du chauf fage préalable, et la montée en puissance se fait par relèvement de la barre de commande de la puissance. La pleine puissance est alors atteinte lorsque cette barre est entièrement relevée.
Le réacteur fonctionnant à pleine puissance, l'abaissement de réactivité correspondant à l'empoi sonnement progressif par le xénon est compensé par un abaissement progressif de la température d'une partie au moins du modérateur, au moyen du circuit de régulation.
Au fur et à mesure que le c#ur s'épuise, la tem pérature de régime d'une partie au moins du modéra teur est abaissée jusqu'à ce que la limite inférieure T> de régime soit atteinte.
Pendant cette première étape de la vie du coeur, les effets de la réduction de puis sance et de la disparition de l'empoisonnement dû au xénon peuvent être compensés par des variations de la température d'une partie au moins du modérateur en sens inverse de celles décrites plus haut, et dans la variante avec barre de commande de la puissance, par enfoncement de celle-ci dans le coeur.
A la fin de la première étape, on modifie la composition d'une partie au moins du modérateur, la nouvelle composition étant telle que le réacteur soit de nouveau à l'état critique à chaud lorsque le modé rateur est en partie au moins à une température de régime supérieure à T, et qui peut être à nouveau Tl par exemple. Cette modification peut se faire par enlèvement du modérateur initial et remplacement par le nouveau modérateur.
Elle peut se faire aussi par dilution, par exemple par addition d'eau légère au modérateur ini- tial lorsque celui-ci est composé en partie au moins d'un mélange d'eau légère et d'eau lourde.
Le fonctionnement du réacteur au cours de la seconde étape de la vie du c#ur est identique à celui décrit pour la première étape, et en particulier cette seconde étape prend fin lorsque la température du modérateur atteint en régime sa valeur limite infé rieure T2.
Un nouveau changement est alors apporté à la composition du modérateur et une nouvelle étape de la vie du c#ur commence.
Ce processus est répété jusqu'à ce qu'on atteigne la modération optimum, qui marque en même temps la fin de la vie utile du coeur. Ce dernier est alors remplacé au moins partiellement par des éléments de combustible neufs et les opérations précédentes peu vent recommencer.
De préférence, la disposition des éléments du c#ur est telle que le rapport des volumes occupés au sein du c#ur par les matériaux à propriétés modéra trices, maintenus à la température du réfrigérant, et par la fraction du modérateur dont la température est réglable, est compris entre une limite inférieure en dessous de laquelle le coefficient de réactivité du c#ur en fonction de la température du réfrigérant devien drait positif,
et une limite supérieure au-delà de la quelle la marge de réactivité réglable par la seule variation de la température du modérateur devien drait insuffisante pour permettre le fonctionnement normal du réacteur.
Les indications ci-dessus décrivent la réaction dans sa forme la plus générale.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un dispositif pour la mise en #uvre du procédé selon l'invention.
Dans ce réacteur, le modérateur et le réfrigérant sont constitués tous deux par un même mélange d'eau lourde et d'eau légère, la composition de ce mélange étant modifiée par étapes, dans le sens d'un appau vrissement en eau lourde.
Le modérateur et le réfrigérant sont séparés au sein du c#ur par des conduits, constituant des cham bres de section circulaire, munis d'une isolation ther mique de façon à limiter au minimum l'échange de chaleur entre la partie du modérateur à température variable, et ce qui l'environne.
Ces conduits peuvent constituer un faisceau connu dans la technique des réacteurs à tubes.
Les éléments de combustible nucléaire sont cons titués d'assemblages disposés à l'intérieur desdits con duits. En variante ils peuvent être disposés à l'exté rieur desdits conduits auquel cas la fraction à tempé rature variable du modérateur est disposée elle-même à l'intérieur desdits conduits.
Le fluide réfrigérant pénètre dans la cuve 2 par une ou plusieurs tubulures 3, descend le long des parois de la cuve 2 et se répartit horizontalement dans l'espace 4. Il est réchauffé lors de son ascension entre les éléments de combustible entourant les conduits 10 contenant le modérateur, le tout constituant le c#ur 1. Le fluide réfrigérant est collecté dans l'espace 5 et sort de la cuve par une ou plusieurs tubulures 6.
Le fluide réfrigérant peut céder la chaleur qu'il retire du c#ur 1 à tout autre fluide, par exemple dans un échangeur 7.
Le fluide réfrigérant peut suivre un itinéraire dif férent de celui schématisé à la fig. 1. Il peut par exemple, entrer en 6 et sortir en 3, faire des allers et retours dans le caeur, céder, dans des appareils autres que l'échangeur 7, la chaleur qu'il emporte.
Dans la forme particulière de l'invention repré sentée dans la fig. 1, le fluide modérateur à la tem pérature voulue et de composition appropriée em prunte un circuit entièrement indépendant de celui du réfrigérant.
Il entre dans la cuve par la tubulure 8, se répartit dans le distributeur 9 et monte dans des chambres 10 ménagées à l'intérieur du coeur.
Réchauffé par son passage au sein du coeur, le fluide modérateur est collecté en 11 et conduit par la tuyauterie 12 dans l'appareil 3 (par exemple, un échangeur de chaleur), qui le ramène à la tempéra ture voulue.
Tout comme le fluide réfrigérant, le fluide modé rateur peut cheminer de haut en bas dans le coeur, au lieu de bas en haut, ou encore par allers et retours simples ou multiples ; les chambres à modérateur dans le c#ur peuvent être alimentées en série ou en paral lèle, les entrées et les sorties peuvent se trouver de part et d'autre ou du même côté du c#ur.
Le dessin schématise l'agencement complet de la cuve. On y a représenté - Une barre d'arrêt 14 ; - le mécanisme de commande 15 de la barre d7ar- rêt 14 ; - le couvercle 16 de la cuve ; - une partie 4 du réflecteur 17 - un écran thermique 18.
Afin de limiter l'échange de chaleur entre les fluides à températures différentes, une isolation ther mique adéquate de tout le circuit à température va riable au sein de la cuve est prévue. L'isolation peut être constituée de toute façon connue compatible avec les exigences propres à chacune de ses parties. A l'intérieur du caeur, les matériaux utilisés seront, par exemple, aussi peu neutrophages que possible.
On peut notamment utiliser pour l'isolation thermique le principe connu des chambres à eau stagnante réa lisées au moyen de tôles minces en zircaloy. On pour rait utiliser des procédés moins coûteux, là où les exigences, quant aux caractéristiques nucléaires du caeur, sont moins limitatives.
Dans toutes les formes de réalisation du réacteur décrit, la cuve du réacteur est associée à un circuit extérieur d'utilisation, ainsi qu'à un circuit de réglage. Ce dernier, dans l'exemple décrit, utilise comme fluide de travail le modérateur lui-même, constitué par un mélange d'eau lourde et d'eau légère et dont la com position est modifiée par étapes, en agissant simple ment sur deux vannes, l'une introduisant de l'eau légère, l'autre assurant l'évacuation d'une quantité équivalente du mélange initial.
La température du modérateur contenu dans les chambres peut être réglée par tout moyen connu. Dans toutes les formes de réalisation du réacteur, les limites supérieure Tl et inférieure T2 de la tempé rature du modérateur sont choisies suffisamment écar tées, compatibles avec la nature et les propriétés du modérateur et avec la source de refroidissement dis ponible, pour ménager une marge suffisante de réacti vité afin de permettre le fonctionnement du réacteur.
Il peut être économique de fixer la limite inférieure T2 à une valeur suffisamment élevée pour permettre l'utilisation pratique de la chaleur absorbée par le modérateur au sein du coeur.
Quant à la limite supérieure Tl, on la choisira aussi élevée que possible. En cas d'utilisation d'un fluide de réglage ou d'un modérateur liquide, on pourrait fixer comme valeur de Tl une température suffisamment égale à la température de saturation à la pression de régime.
Le fait que les circuits du réfrigérant et de réglage sont distincts permet l'emploi de fluides différents pour ces deux fonctions. On peut cependant, sans sortir du cadre de la présente invention, faire usage de fluides identiques pour les deux circuits et faire varier la composition de ceux-ci de la même façon au cours des différentes étapes de la vie du coeur. Dans ce cas, il s'agit du même fluide parcourant des cir cuits séparés à des températures différentes,- au sein du caeur.
Les caractéristiques générales d'un réacteur de 65 MWt réalisé suivant la forme particulière de l'in vention schématisée dans le dessin sont données ci- après, de façon à faire mieux apprécier les avantages de celle-ci
EMI0003.0065
- <SEP> Puissance <SEP> thermique <SEP> <B>- <SEP> ------</B> <SEP> .. <SEP> .. <SEP> 65 <SEP> MW
<tb> - <SEP> Forme <SEP> du <SEP> combustible <SEP> ... <SEP> <B>... <SEP> ....</B> <SEP> U02
<tb> - <SEP> Poids <SEP> total <SEP> d'U02 <SEP> . <SEP> <B>-----</B> <SEP> 1.420 <SEP> . <SEP> . <SEP> 1.420 <SEP> kg
<tb> - <SEP> Diamètre <SEP> extérieur <SEP> des <SEP> élé ments <SEP> de <SEP> combustible:
<SEP> gainage
<tb> compris <SEP> .. <SEP> 8,5 <SEP> mm
<tb> - <SEP> Nature <SEP> du <SEP> gainage <SEP> ......... <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> .... <SEP> acier <SEP> inoxydable
<tb> - <SEP> Nature <SEP> du <SEP> combustible <SEP> .. <SEP> ... <SEP> .. <SEP> U <SEP> enrichi
<tb> - <SEP> Taux <SEP> d'enrichissement <SEP> initial
<tb> moyen <SEP> en <SEP> U-235 <SEP> <B>---- <SEP> -------</B> <SEP> .<B>--------</B> <SEP> 7%
<tb> - <SEP> Nature <SEP> du <SEP> modérateur <SEP> et <SEP> du
<tb> réfrigérant <SEP> ...... <SEP> ....... <SEP> mélange <SEP> D20
<tb> et <SEP> H20
<tb> - <SEP> Rapport <SEP> <U>volume <SEP> réfrigérant</U> <SEP> au
<tb> volume <SEP> UO,
<tb> sein <SEP> du <SEP> c#ur <SEP> <B>.........
<SEP> ....</B> <SEP> .u.....<B>----</B> <SEP> 1,41
<tb> - <SEP> Rapport <SEP> <U>volume <SEP> modérateur</U>
<tb> volume <SEP> UO.
<tb> au <SEP> sein <SEP> du <SEP> c#ur <SEP> <B>............</B> <SEP> ... <SEP> .. <SEP> . <SEP> 2,77
EMI0004.0001
- <SEP> Rapport
<tb> <U>volume <SEP> réfr. <SEP> -I- <SEP> volume <SEP> mod.</U>
<tb> volume <SEP> U02
<tb> au <SEP> sein <SEP> du <SEP> c#ur <SEP> .. <SEP> . <SEP> ..... <SEP> <B>_..</B> <SEP> . <SEP> 4,18
<tb> - <SEP> Epaisseur <SEP> du <SEP> réflecteur <SEP> radial <SEP> 0,300 <SEP> m
<tb> - <SEP> Epaisseur <SEP> du <SEP> réflecteur <SEP> axial <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,300 <SEP> m
<tb> - <SEP> Hauteur <SEP> active <SEP> du <SEP> c#ur <SEP> . <SEP> .. <SEP> . <SEP> .
<SEP> 1 <SEP> m
<tb> - <SEP> Diamètre <SEP> moyen <SEP> actif <SEP> du <SEP> c#ur <SEP> 1 <SEP> m
<tb> - <SEP> Rapport <SEP> maximum
<tb> <U>flux <SEP> therm. <SEP> max.</U> <SEP> au <SEP> cours <SEP> de
<tb> flux <SEP> moyen
<tb> la <SEP> vie <SEP> du <SEP> c#ur <SEP> <B>------------ <SEP> -</B> <SEP> . <SEP> 2
<tb> - <SEP> Pression <SEP> de <SEP> régime <SEP> du <SEP> réfri gérant <SEP> ...<B>............</B> <SEP> ...<B>----- <SEP> ---------- <SEP> - <SEP> -------</B> <SEP> 150 <SEP> kg/cm2
<tb> - <SEP> Pression <SEP> de <SEP> régime <SEP> du <SEP> modé rateur <SEP> _<B>------ <SEP> --- <SEP> ---------</B> <SEP> . <SEP> <B>..........</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> 150 <SEP> kg/cm2
<tb> - <SEP> Température <SEP> maximum <SEP> de <SEP> ré gime <SEP> du <SEP> modérateur <SEP> ........... <SEP> ..
<SEP> 3000 <SEP> C
<tb> - <SEP> Température <SEP> minimum <SEP> de <SEP> ré gime <SEP> du <SEP> modérateur <SEP> ... <SEP> _... <SEP> _ <SEP> .. <SEP> 1800 <SEP> C
<tb> - <SEP> Température <SEP> moyenne <SEP> de <SEP> ré gime <SEP> du <SEP> réfrigérant <SEP> . <SEP> 300o <SEP> C
<tb> - <SEP> Température <SEP> d'entrée <SEP> en <SEP> ré gime <SEP> du <SEP> réfrigérant <SEP> .. <SEP> ........ <SEP> .. <SEP> 290o <SEP> C
<tb> - <SEP> Température <SEP> de <SEP> sortie <SEP> en <SEP> ré gime <SEP> du <SEP> réfrigérant <SEP> <B>------------------</B> <SEP> 3100 <SEP> C
<tb> - <SEP> Composition <SEP> initiale <SEP> du <SEP> modé rateur <SEP> ....-<B>.............................</B> <SEP> _ <SEP> <B>...... <SEP> -,</B> <SEP> 92% <SEP> DUO
<tb> - <SEP> Composition <SEP> finale <SEP> du <SEP> modé rateur <SEP> <B>... <SEP> .............
<SEP> ---- <SEP> - <SEP> -</B> <SEP> .<B>---- <SEP> -----</B> <SEP> . <SEP> .. <SEP> 49% <SEP> DA
<tb> - <SEP> Taux <SEP> d'épuisement <SEP> moyen <SEP> réa- <SEP> lisable <SEP> ( <SEP> burn <SEP> up <SEP> ) <SEP> .... <SEP> .... <SEP> 45.000 <SEP> MWj/t
<tb> - <SEP> Teneur <SEP> finale <SEP> en <SEP> Pu <SEP> fissile
<tb> (239+241) <SEP> ......_._.. <SEP> ... <SEP> .. <SEP> . <SEP> ...... <SEP> 1,00%
<tb> - <SEP> Teneur <SEP> finale <SEP> en <SEP> U2,35 <SEP> .... <SEP> ......... <SEP> 2,8%
<tb> - <SEP> Puissance <SEP> thermique <SEP> par <SEP> litre
<tb> de <SEP> capacité <SEP> de <SEP> c#ur <SEP> .... <SEP> . <SEP> .. <SEP> <B>--- <SEP> 83,0</B> <SEP> kW/litre
<tb> - <SEP> Puissance <SEP> thermique <SEP> par <SEP> kg
<tb> d'U02 <SEP> <B>----</B> <SEP> ...<B>----- <SEP> ----------</B> <SEP> . <SEP> .. <SEP> ...
<SEP> 45,7 <SEP> kW/kg
<tb> - <SEP> Puissance <SEP> thermique <SEP> par <SEP> kg
<tb> d'U <SEP> ... <SEP> _._...<B>----</B> <SEP> .. <SEP> 52 <SEP> kW/kg Cet exemple est donné à titre indicatif et de nom breuses variantes sont possibles. On peut, par exem ple, enlever une partie au moins de la chaleur pro duite par le c#ur en utilisant de l'eau bouillante au lieu d'eau sous pression, cette eau étant un mélange d'eau lourde et d'eau légère. On peut aussi employer de la vapeur sèche ou de la vapeur d'eau surchauffée par exemple à la pression de 150 kg/ce ou même un réfrigérant organique comme le terphényl.
On peut utiliser des éléments de combustible en carbure d'uranium légèrement enrichi, gainé de gra phite non poreux, le réfrigérant étant alors un gaz (CO, ou He) sous forte- pression, par exemple 150 kg/cm2, et le modérateur étant un mélange d'eau lourde et d'eau légère.
Une autre variante consiste à utiliser des élé ments de combustible UC-graphite, un gaz sous forte pression comme réfrigérant, un modérateur solide à base de graphite, de béryllium ou d'hydrure de zirco nium, et un circuit de réglage parcouru par un gaz sous forte pression.
Ces divers exemples, non limitatifs, montrent la souplesse du réacteur et sa facilité d'adaptation à toutes les modifications techniques de ses compo sants : éléments de combustible, réfrigérant, modéra teur, etc.
Toutes les formes de réalisation du réacteur dé crit présentent les avantages suivants - Très forte augmentation des épuisements ( burn up ) réalisables grâce à l'augmentation considé rable des marges de réactivité disponibles pour compenser ces épuisements ;
- excellente économie neutronique à pleine puis sance et excellent facteur de répartition de la puissance thermique au sein du noyau, se tradui sant par un coût avantageux du combustible, par une puissance spécifique élevée, tant par kg de matières nucléaires spéciales (uranium-D20, etc.) que par litre de volume du c#ur, par une réduc tion du coût des équipements du circuit primaire et par une sensible augmentation du rendement thermodynamique dans le circuit de puissance ;
- possibilité d'utiliser une variété étendue de matiè res, pour le combustible nucléaire, pour la modé ration et pour le refroidissement du c#ur, et de choisir l'assortiment de ces matières permettant l'obtention des meilleures caractéristiques techni ques et économiques du réacteur; - réduction au strict minimum de la quantité de modérateur immobilisé ; - grande simplicité des moyens de réglage de la réactivité dans la gamme très large de variation potentielle de celle-ci entre les recharges au moins partielles du c#ur. Ces moyens se réduisent, à une surveillance continue de la température du circuit de régulation, et à une modification dis continue, mais à intervalles réguliers, de la com position du modérateur.
Ces moyens peuvent être réduits, dans le cas le plus favorable, à deux van nes de commande manuelle, l'une réglant les dé bits dans le circuit de réglage, l'autre permettant l'admission à intervalles réguliers d'eau ordinaire dans le modérateur, lorsque celui-ci est constitué d'un mélange d'eau lourde et d'eau légère. Ces moyens peuvent donc être peu encombrants, peu coûteux et très sûrs. Ils peuvent être automatisés à peu de frais.
Ces caractères sont utiles dans les réacteurs de puissance, et tout particulièrement dans les réacteurs de propulsion navale ; - simplicité et sûreté des moyens nécessaires pour l'arrêt de sécurité, qui peuvent consister en barres absorbantes, non munies de prolongement qui ne doivent pas être solidaires des assemblages d'élé ments de combustible, et peuvent être légères, d'où une réduction du coût et de l'encombrement des mécanismes de commande de ces barres. D'autre part, ces barres plongeant dans le modé rateur et non dans le réfrigérant, ne risquent pas, en cas d'arrêt, de rendre positif le coefficient de réactivité du coeur.
Ces avantages permettant à de tels réacteurs de produire de l'énergie à un coût inférieur à celui des appareils connus et à un prix compétitif à celui des moyens classiques de production d'énergie. Ils trou vent plus particulièrement leur utilisation pour la propulsion nucléaire de navires marchands.