Lorsque dans un réacteur nucléaire, le coeur est plongé dans une cuve contenant le fluide de refroidissement et tout particulièrement, comme c'est le cas dans certains réacteurs à neutrons rapides, lorsque le fluide est un métal liquide surmonté par un gaz inerte, les diverses parties de la cuve sont soumises à des températures extrêmement différentes et le gradient de température en certains points, par exemple entre la cuve et son toit, risque d'être dangereux.
La réalisation de ces réacteurs sous forme de réacteurs à échangeurs intégrés dans lesquels les échangeurs de chaleur seraient a proximité du coeur dans la cuve elle-même permettrait d'uniformiser la température des parois de ladite cuve, le seul point chaud restant étant l'espace entre le coeur du réacteur et les échangeurs de chaleur. Toutefois dans les réacteurs à échangeurs intégrés se pose le problème du rechargement des éléments combustibles. Ce rechargement nécessite en effet l'arrêt complet du réacteur puis le refroidissement du coeur avant que la manutention des assemblages de combustibles puisse être effectuée. Le réacteur reste alors inutilisé pendant un temps plus ou moins prolongé.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de permettre non seulement d'améliorer la tenue de la cuve par une disposition des échangeurs à proximité du coeur mais aussi de réduire à une durée très faible le temps d'arrêt du réacteur pour le rechargement des éléments combustibles.
Cette invention a pour objet un réacteur nucléaire à échangeurs intégrés, qui comporte à l'intérieur d'une enceinte étanche un cenain nombre de coeurs disposés en couronne sur une aire support. des éléments combustibles placés dans des canaux verticaux ménagés dans les coeurs, un dispositif de manutention du combustible monté au-dessus de l'un de ces coeurs, un échangeur de chaleur suspendu au-dessus de chacun des autres coeurs, une colonne centrale solidaire de l'aire support des coeurs traversant la totalité de l'enceinte et reliée à l'extérieur de celle-ci à un systéme de commande de son déplacement en rotation autour de son axe propre, entrainant celui des coeurs et les amenant successivement de leur position de fonctionnement normal, au-dessous d'un échangeur, à la position de rechargement, au-dessous du dispositif de manutention.
Les éléments combustibles étant placés dans des canaux verticaux ménagés dans le coeur, le fluide de refroidissement passe directement de ces canaux dans l'échangeur et le seul point chaud du réacteur est l'espace entre le coeur et l'échangeur, espace qui peut être très petit.
Par ailleurs, lors d'un rechargement des éléments combustibles. il suffit d'arrêter le réacteur le temps nécessaire à la rotation des coeurs d'une position à l'autre. Le rechargement se fait ensuite pendant que les coeurs placés au-dessous des échangeurs sont en fonctionnement. L'arrêt est donc limité à un temps extrêmement court et le réacteur peut être utilisé avec le maximum de rendement
Dans une forme d'exécution particulièrement avantageusement le coeur et les échangeurs sont placés à l'intérieur d'une cuve contenant le liquide de refroidissement, et des pompes de circulation de ce liquide sont montées à l'intérieur de la colonne centrale.
Des vannes de commande du débit dudit liquide en direction de chaque coeur sont placées à la jonction de la colonne et de l'aire support.
Le débit du liquide de refroidissement peut ainsi être réglé d'une manière différente selon que le coeur se trouve en fonctionnement au-dessous d'un échangeur de chaleur ou en position de rechargement.
Par ailleurs. aucun joint coulissant ni tournant n'est nécessaire entre les pompes et les coeurs, ni entre les pompes et les échan geurs. ce qui simplifie de manière importante la réalisation du réacteur.
La description ci-dessous d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés, fera d'ailleurs ressortir plus clairement les divers avantages et carac téristiques de l'invention.
La fig. I est une vue en coupe longitudinale d'un réacteur nucléaire à échangeurs intégrés. refroidi par un liquide.
La fig. 2 est une vue schématique en coupe suivant la ligne I-I delafig. 1.
La fig. 3 est une vue de détail du point A de la fig. 1.
Le réacteur représenté est un réacteur nucléaire refroidi par un liquide remplissant l'enceinte dans laquelle se trouve le coeur et le circuit primaire de refroidissement, par exemple un réacteur à neutrons rapides comprenant une cuve de métal liquide dans laquelle est placé le coeur. mais il est bien évident que l'invention s'applique également à des réacteurs nucléaires d'autres types.
Ce réacteur comporte à l'intérieur d'une enceinte 1 de protection biologique une cuve étanche 2 contenant le liquide réfrigérant et suspendue à une dalle supérieure 4 de fermeture de l'enceinte.
Cette cuve 2 est traversée axialement par une colonne 6 centrée dans le fond de la cuve par un pion 8 de centrage et solidaire d'une aire support en forme de couronne 10 sur laquelle sont disposés, à intervalles réguliers, des coeurs 12 de réacteur nucléaire.
Ces coeurs sont, dans l'exemple de réalisation représenté (fig. 2), au nombre de 6 mais il est bien évident que ce nombre n'est donné qu'à titre d'exemple. Ils comportent des canaux verticaux 13 contenant les assemblages de combustibles et parcourus de bas en haut par le liquide réfrigérant provenant de la cuve 2. Chacun de ces coeurs est protégé latéralement par une protection neutronique 14 supportée par l'aire support sur la majeure partie de sa périphérie.
A l'extrémité opposée au pion 8 (fig. 1). la colonne 6 traverse la dalle supérieure 4 et est supportée à l'extérieur de l'enceinte par des patins 16 formant surface de glissement annulaire et reposant sur une couronne 17 elle-même supportée par des vérins verticaux 18. La colonne est par ailleurs solidaire d'une couronne dentée périphérique 20 qui permet son entrainement en rotation autour de son axe propre par l'intermédiaire du système moteur 21.
Cette rotation peut être totale et provoquer le déplacement complet de la couronne. mais elle est de préférence limitée à un mouvement de pivotement alternativement dans un sens et dans l'autre c'est-à-dire à 180 L'étanchéité de la traversée de la colonne 6 est assurée d'une part par des joints à liquide 22 montés coaxialement aux patins 16 et à la couronne 17 et d'autre part par un soufflet 24 reliant la dalle 4 de support des vérins 18 et ladite couronne 17.
Autour de la colonne 6. la dalle supérieure 4 comporte par ailleurs une sérié d'ouvertures en nombre égal à celui des coeurs 12 fermées chacune par un bouchon 28, 29.
L'un de ces bouchons 29 supporte un dispositif de manutention 30 des éléments combustibles de l'un des coeurs 12a. placé juste au-dessous. tandis que les autres bouchons 28 supportent des échangeurs de chaleur 32 suspendus chacun au-dessus de l'un des autres coeurs 12. Au droit de chacun des postes de fonctionnement normal. c'est-à-dire de chaque échangeur. la cuve 2 supporte sur une console annulaire 52 une protection neutronique 54 de complément de la protection neutronique périphérique 14.
Dans chaque échangeur 32 un faisceau de tubes verticaux 34 de passage du fluide primaire de refroidissement est disposé autour de tubes 36 de guidage des barres de contrôle, qui relient le coeur 12 du réacteur. à travers un bouchon amovible 37 de fermeture d'un orifice du bouchon 28 à un dispositif extérieur de commande. non représenté.
Des canalisations 38 d'arrivée du fluide secondaire de refroidissement traversent le bouchon 28 et débouchent à la partie supérieure de l'échangeur tandis que des canalisations 40 de sortie de ce même fluide secondaire débouchent à la partie inférieure dudit échangeur. parcourent parallèlement aux tubes 34 la paroi de celui-ci et traversent également le bouchon 28. (Une seule canalisation 38 et 40 a été représentée pour simplifier le dessin.) Le fluide secondaire parcourt ainsi l'échangeur 32 de haut en bas tandis que l'écoulement du fluide primaire se fait de bas en haut. c'est-à-dire du coeur vers la partie supérieure de la cuve 2. Les échangeurs étant suspendus. par exemple par des tirants 42 au bouchon 28, sont centrés à leurs parties inférieure et supérieure par des viroles 44 fixées sur la paroi latérale de la cuve 2.
L'alignement des tubes de guidage des barres de contrôle dans le coeur et dans l'échangeur ainsi que des organes de commande du mouvement de ces barres est assuré.
Ces échangeurs sont revêtus extérieurement d'une protection neutronique 35 qui, à leur partie inférieure, est traversée par des canaux 45 de liaison entre les tubes 34 de fluide primaire et les canaux 13 du coeur (fig. 3). Ces canaux 45 débouchent dans des évidements élargis en forme de V 46, dans lesquels peuvent pénétrer les têtes des assemblages 48 contenus dans les canaux 13 de combustibles du réacteur. Le liquide de refroidissement provenant du coeur est ainsi guidé vers les élargissements 46 et les canaux 45.
L'étanchéité entre le coeur 12 et l'échangeur 32 est obtenue sans l'intervention d'organes spéciaux ni de systèmes de fixation.
Dans certains cas toutefois il est préférable et plus sûr de réaliser l'étanchéité par simple emboîtement d'une virole extérieure, solidaire de l'échangeur, autour du coeur lui-même. Les élargissements 46 ainsi que la saillie de têtes d'assemblage 48 ne sont alors plus nécessaires. L'alignement des tubes de guidage des barres de contrôle du coeur et de l'échangeur est cependant assuré.
La séparation, ou le rapprochement, du coeur et de l'échangeur peut donc être effectuée par simple déplacement vertical de l'un de ces organes. Le déplacement vertical du coeur par rapport à l'échangeur est obtenu au moyen des vérins 18 qui commandent la position de la colonne 6 et par suite de l'aire support pivotante 10 par rapport à la dalle supérieure 4. Lorsque l'abaissement de ces vérins 18 a dégagé les coeurs 12 des échangeurs 32, un pivotement de la colonne 6 commandé par la couronne 20 permet le déplacement de ces coeurs autour de l'axe de la colonne 6. Ils peuvent donc être cntrainés de la position 12 au-dessous d'un échangeur 32 qui correspond à leur fonctionnement normal jusqu'à la position 12a de rechargement au-dessous du dispositif de manutention 30.
Lorsque l'un des coeur est à cet emplacement, les autres sont en position de fonctionnement et le réacteur peut être utilisé en même temps que le rechargement effectué et éventuellement le coeur 12a maintenu en réserve.
Par ailleurs, à l'intérieur de la colonne 6. sont disposées des pompes 56 de commande de la circulation du liquide de refroidissement. Ces pompes sont supportées par une cloison 58 de séparation de la colonne 6 en deux parties. Les orifices d'entrée de ces pompes ouvrent ainsi dans un compartiment supérieur 59 qui comporte une paroi latérale 60 perforée en communication avec la cuve de liquide réfrigérant et par suite avec la sortie des échangeurs de chaleur 32. Les orifices de sortie desdites pompes débouchent eux dans un compartiment inférieur 61 qui est isolé de la cuve de liquide mais est en communication avec l'intérieur de l'aire support, c'est-à-dire avec les chambres internes 62 de cellesci dans lesquelles se trouvent les entrées des canaux de combustible de chaque coeur.
Une vanne 63 commande toutefois la communication entre le compartiment 61 et chacune des chambres 62 de l'aire support 10. Ces vannes. qui sont de préférence du type à guillotine. permettent de régler le débit du liquide réfrigérant pénétrant dans chaque coeur et notamment de modifier ce débit selon que le coeur se trouve en dessous d'un échangeur en position de fonctionnement ou est arrêté et placé en position de rechargement.
L'étanchéité entre la partie de l'enceinte contenant le réfrigérant à pression élevée sortant des pompes et celle contenant le réfrigérant à faible pression sortant du coeur est assurée par la cloison 58 de la colonne 6. Les températures du réfrigérant dans les deux parties étant voisines, des dilatations thermiques relatives de la cloison et des pompes ne sont pas à craindre. Aucun joint tournant ou glissant, ni système d'étanchéité particulier n'est utilisé entre la sortie des échangeurs et l'entrée dans les pompes. ni entre la sortie de celles-ci et les entrées dans les différents coeurs. Les seuls points où une étanchéité particulière est nécessaire sont les jonctions entre les coeurs et les échangeurs et cette étanchéité est suffisamment assurée par la pénétration des assemblages dans les évidements de la protection neutronique.
Cette étanchéité n'a d'ailleurs pas besoin d'être absolument rigoureuse, la perte de charge de l'échangeur étant faible.
On obtient ainsi un réacteur d'une sécurité très grande dans
lequel la température de toute l'enceinte étanche est maintenue à des valeurs sensiblement analogues et le temps d'arrêt nécessaire
au rechargement est limité à une durée minimum.
Le seul arrêt nécessaire est en effet celui qui est destiné à permettre le refroidissement des coeurs avant la rotation puis cette ro
tation elle-même.
When in a nuclear reactor, the core is immersed in a vessel containing the cooling fluid and very particularly, as is the case in certain fast neutron reactors, when the fluid is a liquid metal surmounted by an inert gas, the various parts of the tank are subjected to extremely different temperatures and the temperature gradient at certain points, for example between the tank and its roof, can be dangerous.
The realization of these reactors in the form of reactors with integrated exchangers in which the heat exchangers would be close to the core in the vessel itself would make it possible to standardize the temperature of the walls of said vessel, the only remaining hot point being space. between the reactor core and the heat exchangers. However, in reactors with integrated exchangers there is the problem of recharging the fuel elements. This reloading indeed requires the complete shutdown of the reactor and then the cooling of the core before the fuel assemblies can be handled. The reactor then remains unused for a more or less extended time.
The object of the present invention is to remedy these drawbacks and to make it possible not only to improve the strength of the vessel by arranging the exchangers near the core but also to reduce the downtime of the reactor to a very short time. reloading of fuel elements.
This invention relates to a nuclear reactor with integrated exchangers, which comprises inside a sealed enclosure a cenain number of cores arranged in a ring on a support area. fuel elements placed in vertical channels formed in the cores, a fuel handling device mounted above one of these cores, a heat exchanger suspended above each of the other cores, a central column secured to the support area of the hearts passing through the entire enclosure and connected outside it to a control system for its rotational displacement around its own axis, driving that of the hearts and bringing them successively from their position of normal operation, below an exchanger, in the reloading position, below the handling device.
The fuel elements being placed in vertical channels formed in the core, the cooling fluid passes directly from these channels into the exchanger and the only hot point of the reactor is the space between the core and the exchanger, a space which can be very small.
Moreover, when recharging the fuel elements. it suffices to stop the reactor the time necessary for the rotation of the cores from one position to another. The recharging is then done while the cores placed below the exchangers are in operation. The shutdown is therefore limited to an extremely short time and the reactor can be used with maximum efficiency.
In a particularly advantageously embodiment, the core and the exchangers are placed inside a tank containing the cooling liquid, and pumps for circulating this liquid are mounted inside the central column.
Valves for controlling the flow of said liquid towards each core are placed at the junction of the column and the support area.
The flow rate of the cooling liquid can thus be adjusted in a different manner depending on whether the core is in operation below a heat exchanger or in the recharging position.
Otherwise. no sliding or rotating joint is necessary between the pumps and the cores, nor between the pumps and the exchangers. which greatly simplifies the production of the reactor.
The description below of an embodiment, given by way of non-limiting example and shown in the appended drawings, will moreover show more clearly the various advantages and characteristics of the invention.
Fig. I is a view in longitudinal section of a nuclear reactor with integrated exchangers. liquid cooled.
Fig. 2 is a schematic sectional view along the line I-I delafig. 1.
Fig. 3 is a detail view of point A of FIG. 1.
The reactor shown is a nuclear reactor cooled by a liquid filling the enclosure in which the core and the primary cooling circuit are located, for example a fast neutron reactor comprising a liquid metal vessel in which the core is placed. but it is obvious that the invention also applies to nuclear reactors of other types.
This reactor comprises inside a biological protection enclosure 1 a sealed tank 2 containing the refrigerant liquid and suspended from an upper slab 4 for closing the enclosure.
This vessel 2 is crossed axially by a column 6 centered in the bottom of the vessel by a centering pin 8 and secured to a ring-shaped support area 10 on which are arranged, at regular intervals, nuclear reactor cores 12. .
These hearts are, in the embodiment shown (FIG. 2), 6 in number, but it is obvious that this number is given only by way of example. They comprise vertical channels 13 containing the fuel assemblies and traversed from bottom to top by the refrigerant liquid coming from the tank 2. Each of these cores is protected laterally by a neutron shield 14 supported by the support area over most of the surface. its periphery.
At the end opposite to pin 8 (fig. 1). the column 6 passes through the upper slab 4 and is supported outside the enclosure by pads 16 forming an annular sliding surface and resting on a ring 17 which is itself supported by vertical jacks 18. The column is also integral a peripheral toothed ring 20 which allows it to be driven in rotation around its own axis by means of the motor system 21.
This rotation can be total and cause the complete displacement of the crown. but it is preferably limited to a pivoting movement alternately in one direction and in the other, that is to say to 180 The tightness of the crossing of the column 6 is ensured on the one hand by liquid seals 22 mounted coaxially with the pads 16 and the crown 17 and on the other hand by a bellows 24 connecting the slab 4 supporting the jacks 18 and said crown 17.
Around the column 6, the upper slab 4 also comprises a series of openings equal in number to that of the cores 12 each closed by a plug 28, 29.
One of these plugs 29 supports a device 30 for handling the fuel elements of one of the cores 12a. placed just below. while the other plugs 28 support heat exchangers 32 each suspended above one of the other cores 12. In line with each of the normal operating stations. that is to say of each exchanger. the vessel 2 supports on an annular bracket 52 a neutron shield 54 in addition to the peripheral neutron shield 14.
In each exchanger 32, a bundle of vertical tubes 34 for the passage of the primary cooling fluid is placed around tubes 36 for guiding the control rods, which connect the core 12 of the reactor. through a removable plug 37 for closing a hole in the plug 28 to an external control device. not shown.
The secondary cooling fluid inlet pipes 38 pass through the plug 28 and open at the upper part of the exchanger, while the outlet pipes 40 for this same secondary fluid open at the lower part of said exchanger. parallel to the tubes 34 the wall thereof and also pass through the plug 28. (A single pipe 38 and 40 has been shown to simplify the drawing.) The secondary fluid thus travels through the exchanger 32 from top to bottom while the The flow of the primary fluid is from bottom to top. that is to say from the core to the upper part of the tank 2. The exchangers being suspended. for example by tie rods 42 to the stopper 28, are centered at their lower and upper parts by ferrules 44 fixed to the side wall of the tank 2.
The alignment of the guide tubes of the control bars in the core and in the exchanger as well as of the control members for the movement of these bars is ensured.
These exchangers are coated on the outside with a neutron shield 35 which, at their lower part, is crossed by connection channels 45 between the primary fluid tubes 34 and the core channels 13 (FIG. 3). These channels 45 open into enlarged V-shaped recesses 46, into which the heads of the assemblies 48 contained in the fuel channels 13 of the reactor can penetrate. The cooling liquid coming from the core is thus guided towards the enlargements 46 and the channels 45.
The tightness between the core 12 and the exchanger 32 is obtained without the intervention of special members or of fixing systems.
In some cases, however, it is preferable and safer to achieve the seal by simply fitting an outer shell, integral with the exchanger, around the core itself. The enlargements 46 as well as the protrusion of the assembly heads 48 are then no longer necessary. The alignment of the guide tubes of the control rods of the heart and of the exchanger is however ensured.
The separation, or the bringing together, of the core and of the exchanger can therefore be carried out by simple vertical displacement of one of these members. The vertical displacement of the core relative to the exchanger is obtained by means of the jacks 18 which control the position of the column 6 and consequently of the pivoting support area 10 relative to the upper slab 4. When the lowering of these jacks 18 has released the cores 12 of the exchangers 32, a pivoting of the column 6 controlled by the crown 20 allows the displacement of these cores around the axis of the column 6. They can therefore be driven from position 12 below an exchanger 32 which corresponds to their normal operation up to the reloading position 12a below the handling device 30.
When one of the cores is at this location, the others are in the operating position and the reactor can be used at the same time as the reloading carried out and possibly the core 12a kept in reserve.
Furthermore, inside the column 6 are arranged pumps 56 for controlling the circulation of the cooling liquid. These pumps are supported by a partition 58 for separating the column 6 into two parts. The inlet orifices of these pumps thus open into an upper compartment 59 which comprises a perforated side wall 60 in communication with the refrigerant liquid tank and consequently with the outlet of the heat exchangers 32. The outlet orifices of said pumps open out them. in a lower compartment 61 which is isolated from the liquid tank but is in communication with the interior of the support area, that is to say with the internal chambers 62 thereof in which are located the inlets of the fuel of every heart.
A valve 63 however controls the communication between the compartment 61 and each of the chambers 62 of the support area 10. These valves. which are preferably of the guillotine type. make it possible to adjust the flow rate of the refrigerant liquid entering each core and in particular to modify this flow rate depending on whether the core is located below an exchanger in the operating position or is stopped and placed in the recharging position.
The seal between the part of the enclosure containing the high pressure refrigerant leaving the pumps and that containing the low pressure refrigerant leaving the core is ensured by the partition 58 of column 6. The temperatures of the refrigerant in the two parts being neighbors, relative thermal expansions of the partition and of the pumps are not to be feared. No rotating or sliding joint, or special sealing system is used between the outlet of the exchangers and the inlet to the pumps. nor between the output of these and the inputs into the different hearts. The only points where special sealing is necessary are the junctions between the cores and the exchangers and this sealing is sufficiently ensured by the penetration of the assemblies into the recesses of the neutron protection.
This sealing does not need to be absolutely rigorous, the pressure drop of the exchanger being low.
This gives a very high safety reactor in
in which the temperature of the entire sealed enclosure is maintained at substantially similar values and the necessary stopping time
charging is limited to a minimum time.
The only stop necessary is indeed that which is intended to allow the cooling of the hearts before the rotation then this ro
tation itself.