FR2568713A1 - Coeur pour un reacteur nucleaire a neutrons rapides de forte puissance - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN COEUR POUR UN REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES DE FORTE PUISSANCE, REFROIDI PAR DU SODIUM LIQUIDE. LE COEUR COMPORTE UNE ZONE CENTRALE FISSILE 15 ENTOUREE A SES EXTREMITES AXIALES PAR DES COUCHES DE MATERIAU FERTILE 16A, 16B ET A SA PARTIE PERIPHERIQUE PAR DES ASSEMBLAGES FERTILES 18. LE COEUR A UNE HAUTEUR H AU MOINS EGALE A 1,50 M ET UN DIAMETRE D TEL QUE LE RAPPORT HD SOIT COMPRIS ENTRE 0,40 ET 0,55. L'INVENTION S'APPLIQUE AUX REACTEURS DE PUISSANCE COMPRISE ENTRE 15000 ET 1800 MWE.

Description

Coeur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides de forte puissance
L'invention concerne un coeur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides de forte puissance comprise entre 1500 et 1800 MMe, refroidi par du sodium liquide.

Dans de tels réacteurs nucléaires, le coeur du réacteur constitué par des assemblages combustibles juxtaposés est entièrement plongé dans le sodium liquide de refroidissement contenu dans la cuve du réacteur nucléaire re. Le coeur du réacteur est de forme générale cylindrique à axe vertical et comporte une zone centrale également de forme cylindrique à axe vertical renfermant le matériau combustible fissile qui peut être de l'uranium 235 et/ou du plutonium. Cette zone centrale combustible du coeur qui produit les neutrons nécessaires aux réactions nucléaires qui se produisent dans le coeur est entouré par du matériau fertile susceptible de se transformer en matériau fissile sous l'effet des neutrons, aussi bien à soe partie périphérique qu'à ses extrémités axiales.

Le coeur du réacteur est constitué par des assemblages renfermant des aiguilles combustibles disposés verticalement et côte à côte. Les aiguilles combustibles sont constituées par des tubes de petit diamètre (diamètre intérieur 7 mm) et de grande longueur (voisine de 3 mètres) dans lesquels sont empilées des pastilles de matériau fertile ou/et fissile. Les aiguilles de combustible sont placées suivant la direction longitudinale des assemblages, si bien qu'elles sont en position verticale dans le coeur du réacteur.

La zone centrale de l'aiguille combustible est remplie par des pastilles de matériau combustible fissile alors que les zones situées de part et d'autre de cette zone centrale sont remplies par des pastilles de matériau fertile (U02 appauvri en uranium 235).

L'ensemble des zones centrales des aiguilles combustibles juxtaposées constitue la zone centrale combustible du coeur alors que les zones si- tuées de part et d'autre de cette zone centrale de l'aiguille combustible constituent par leur juxtaposition les couvertures fertiles axiales du coeur. Dans la partie périphérique du coeur, des assemblages renfermant du matériau fertile permettent de constituer la couverture radiale entourant la partie centrale combustible du coeur.

L'ensemble du coeur baigne dans le sodium liquide de refroidissement qui vient en contact avec les aiguilles combustibles à l'intérieur des assemblages, un certain volume libre dans l'assemblage étant réservé au passage du sodium liquide.

Dans les réacteurs nucléaires construits actuellement tels que le réacteur surégénérateur de Creys Malville, la répartition des matériaux dans la partie centrale combustible du coeur est telle que le matériau combustible représente sensiblement 38 Z en volume de cette partie du coeur, le sodium liquide occupant environ 38 Z également de ce volume. Les 24 Z restants du volume de la partie combustible du coeur sont constitués par les structures en acier des assemblages combustibles.

Dans ces réacteurs nucléaires, la puissance linéaire dégagée par les éléments combustibles est de l'ordre de 480 W/cm, la teneur du matériau combustible en éléments fissiles étant de l'ordre de 16 à 17 Z.

Dans ces réacteurs connus, la partie centrale combustible du coeur a une forme cylindrique assez aplatie, le rapport de la hauteur de ce cylindre à son diamètre étant toujours inférieur à 0,3. Dans le cas du réacteur de Creys Calville, ce rapport est de 0,277, la partie combustible du coeur ayant une hauteur de 1 mètre et un diamètre de 3,6 mètres.

Pendant le fonctionnement de tels réacteurs nucléaires, la réactivité de la partie centrale du coeur tend à diminuer, si bien qu'il est nécessaire de renouveler le combustible de façon relativement fréquente. Ces rechargements demandent un arrêt du réacteur de longue durée et se traduisent par des opérations coûteuses. L'usure de la partie combustible du coeur, c'est-à-dire la diminution de sa réactivité, résulte du fait que le gain de régénération interne de cette partie du coeur reste à une valeur négative, en particulier à cause d'une fuite axiale de neutrons importante et nettement supérieure aux fuites radiales.

I1 serait donc souhaitable d'obtenir un gain de régénération interne de la partie combustible du coeur voisin de zéro, valeur qui est obtenue lorsqu'il se forme dans la partie combustible du coeur autant de matière fissile qu'il en est consommé. La réactivité du coeur reste alors pratiquement constante. I1 n'est plus nécessaire d'opérer des rechargements fréquents de ce coeur. On garde de plus l'avantage d'un certain gain de surrégénération, du matériau fissile se formant dans les couvertures fertiles entourant la partie combustible du coeur.

Le but de l'invention est donc de proposer un coeur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides de forte puissance, comprise entre 1500 et 1800 MWe, refroidi par du sodium liquide dans lequel est plongé le coeur du réacteur qui comporte une zone centrale de forme générale cylindrique à axe vertical renfermant un matériau combustible fissile entourée par du matériau fertile, à sa périphérie et à ses extrémités axiales, le volume de matériau combustible étant sensiblement égal au volume du sodium de refroidissement baignant la zone centrale combustible du coeur et représentant sensiblement 38 Z du volume total de cette zone centrale combustible, coeur dont la chute de réactivité en fonctionnement est pratiquement nulle grâce à un gain de. régénération interne de la zone centrale combustible égal ou très légèrement supérieur à zéro, de façon que le réacteur puisse fonctionner pendant une très longue période sans rechargement.

Dans ce but, la zone centrale combustible a une hauteur au moins égale à 1,50 mètre et un diamètre tel que le rapport hauteur/diamètre soit compris entre 0,40 et 0,55.

Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un coeur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides suivant l'invention, en se référant aux figures jointes en annexe.

La figure 1 est une vue en coupe par un plan de symétrie longitudinal d'un assemblage combustible d'un réacteur à neutrons rapides.

La figure 2 est une vue en coupe d'une aiguille combustible d'un coeur de réacteur nucléaire suivant l'invention.

La figure 3 est une vue simplifiée, en coupe par un plan axial de symétrie, du coeur d'un réacteur nucléaire suivant l'invention.

Sur la figure 1, on voit un assemblage 1 pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Cet assemblage comporte un pied 2, une partie centrale 3 renfermant les aiguilles de matériau combustible 4 et une tête 5. Le pied 2 permet la fixation de l'assemblage 1 dans son support et comporte des ouvertures pour l'entrée du sodium primaire dans l'assemblage. La tête 5 de l'assemblage est un conduit de sortie du sodium échauffé au contact des aiguilles combustibles 4. Le sodium liquide parcourt l'assemblage de bas en haut suivant sa direction longitudinale. La partie centrale 3 de l'assemblage renfermant les aiguilles combustibles 4 a une section transversale hexagonale, chacun des assemblages ayant la forme d'un prisme de grande hauteur.

Les aiguilles combustibles 4 sont disposées et maintenues dans les boitiers prismatiques 3 des assemblages de façon à constituer un réseau régulier dans la section de l'assemblage et dans toutes les sections transversales du coeur, les assemblages combustibles étant disposés verticalement et juxtaposés pour constituer le coeur.

Sur la figure 2, on voit une aiguille combustible d'un assemblage d'un coeur de réacteur suivant l'invention. Cette aiguille combustible est constituée par un tube de gainage 7 en acier d'un diamètre intérieur voisin de 7 mm et d'une longueur voisine de 3 mètres, fermé à ses extrémités par des bouchons 8.

Les parties d'extrémité 9a et 9b de l'aiguille 4 constituent des chambres d'expansion remplies de gaz.

La partie centrale 10 de l'aiguille combustible est remplie de pastilles frittées d'oxyde mixte U02 PU02 renfermant de 13 a 14 X d'éléments fissiles empilées les unes sur les autres. Certaines zones 11 de la partie centrale 10 intercalées entre des empilements de pastilles d'UO2 PU02 fissiles sont remplies par des pastilles en un matériau fertile tel que l'oxyde d'uranium U02 appauvri en uranium 235.

De part et d'autre de la partie centrale 10 de l'aiguille combustible sont disposées deux zones 13a et 13b renfermant des pastilles frittées de matériau fertile tel que l'oxyde d'uranium U02 appauvri en Uranium 235.

L'ensemble des pastilles frittées est maintenu dans le tube 7 constituant la gaine de l'aiguille combustible par des bouchons tels que 14 percés à leur partie centrale pour permettre le passage de gaz vers les chambres d'expansion 9a et 9b.

La longueur de la partie centrale 10 combustible de l'aiguille 4 est de 1,60 mètre.

Sur la figure 3, on voit une représentation schématique du coeur du réacteur nucléaire à neutrons rapides constitué par la juxtaposition des parties centrales 3 d'assemblages combustibles tels que représentés à la figure 1 équipés d'aiguilles combustibles 4 telles que représentées à la figure 2.

On a représenté, sur la figure 3 qui est une vue en coupe axiale du coeur, quelques aiguilles combustibles 4 pour montrer comment est constitué le coeur. Ces aiguilles 4 ont été agrandies dans la direction diamétrale pour montrer la constitution des diverses zones du coeur à partir des zones fissiles et fertiles de l'aiguille combustible.

Les aiguilles 4 sont juxtaposées dans le coeur en constituant des faisceaux à éléments parallèles régulièrement espacés. Les zones centrales 10 fissiles de ces aiguilles combustibles constituent par leur juxtaposition ta zone centrale combustible 15 du coeur du réacteur nucléaire de forme globalement cylindrique dont la hauteur correspond a la longueur de la zone centrale 10 fissile des aiguilles 4, c'est-à-dire 1,60 mètre.

Les parties fertiles 13a et 13b des aiguilles combustibles 4 constituent par leur juxtaposition les couvertures fertiles axiales du coeur 16a et 16b.

Enfin, des assemblages combustibles fertiles constituent par leur juxtaposition, à la périphérie de la partie centrale combustible 15 du coeur, la couverture radiale fertile 18 de ce coeur.

La zone centrale combustible 15, de forme cyclindrique, a un diamètre D égale à trois mètres soixante. Sa hauteur H étant égale à 1,60 mètre, le rapport H/D est égal à 0,44. Ce rapport est très différent du rapport correspondant dans le cas des réacteurs nucléaires à neutrons rapides connus qui est de l'ordre de 0,3.

Par rapport aux coeurs de réacteurs à neutrons rapides connus, d'autres caractéristiques ont été maintenues à des valeurs proches ou identiques. Il en est ainsi de la répartition en volume du combustible, du sodium et de l'acier des structures des assemblages combustibles.

Dans le cas du coeur de réacteurs suivant l'invention, comme dans le cas des coeurs de réacteurs connus, le combustible de la zone centrale 15 du coeur représente en volume 38 %, le sodium liquide baignant les éléments combustibles dans la zone 15 également 38 Z et l'acier des structures 24 %.

De même, la puissance linéaire dégagée par les éléments combustibles a été maintenue à une valeur voisine de 480 W/cm, afin de ne pas dépasser les températures limites admises pour le combustible et la gaine des aiguilles combustibles 4.

Ces conditions ont pu être obtenues en utilisant un combustible plus enrichi (22 à 24 Z au lieu de 16 à 17 Z), des gaines identiques aux gaines des assemblages combustibles suivant l'art antérieur de diamètre voisin de 7 mm et des zones fertiles 11 intercalées entre les pastilles combustibles fissiles constituant la zone centrale 10 des aiguilles 4, malgré l'allongement considérable de la zone combustible du coeur (de 1 mètre à 1,60 mètre).

Dans un deuxième mode de réalisation, la même puissance lineaire de 480 W/cm a pu être obtenu avec des aiguilles combustibles d'un diamètre intérieur de 9 mm dont la zone centrale d'une longueur de 1,60 mètre ne renferme que des pastilles combustibles fissiles enrichies à 13 à 14 Z en éléments fissiles. Dans ce cas, le nombre d'aiguilles pour toute la section de la partie combustible 15 du coeur est évidemment inférieur au nombre d'ai guilles de plus faible diamètre.

Dans les deux cas, on a pu observer une limitation très importante de la fuite axiale des neutrons et donc l'obtention d'un gain de regéne- ration interne de la zone combustible centrale du coeur très légèrement supérieur 9 zéro.

La chute de réactivité du coeur est donc pratiquement nulle et l'on peut espérer une durée de fonctionnement d'un tel réacteur nucléaire nettement accrue.

Etant données les caractéristiques de résistance à l'irradiation des matériaux constituant les assemblages du coeur, on peut espérer un fonctionnement de cinq ans sans rechargement intermédiaire. Dans le cas des réacteurs à neutrons rapides connus cette durée n'excède jamais une année. I1 doit en résulter une amélioration très nette de la production d'électricité du réacteur nucléaire et une simplification des moyens de manutention des assemblages combustibles.

La conduite du réacteur nucléaire comportant un coeur suivant l'invention est d'autre part simplifiée si bien qu'il est possible de diminuer le nombre de barres de commande et donc de mécanismes associés à ces barres.

Enfin, le taux de régénération totale du réacteur c'est-à-dire en incluant le matériau fissile obtenu dans les couvertures fertiles entourant la zone centrale du coeur est fortement accru, cet accroissement étant de l'ordre de 0,10 à 0,12.

L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit ; elle en comporte au contraire toutes les variantes.

C'est ainsi que la hauteur de la partie centrale combustible 15 du coeur peut être différente de 1,60 mètre, cette hauteur devant cependant toujours être supérieure à 1,50 mètre dans le cas de réacteurs de forte puissance dont le pourcentage volumétrique des matériaux constitutifs (combustible, acier et sodium) reste voisin du pourcentage généralement adopté (38, 24 et 38 Z).

Toujours dans ce cas, le rapport hauteur/diamètre pourra varier de 0,40 à 0,55. En dehors de cet intervalle ou dans le cas d'une hauteur de coeur inférieure à 1,50 on n'obtiendra pas les performances optimales quant au gain de régénération interne et à la perte de réactivité permettant d'augmenter dans de très larges proportions la durée de vie du coeur.

On pourra utiliser d'autres matériaux fissiles ou fertiles que ceux qui ont été indiqués, à savoir les oxydes d'uranium et de plutonium.

L'invention s'applique à tous les reacteurs à neutrons rapides refroidis par du sodium liquide.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1.- Coeur pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides de forte puissance comprise entre 1.500 et 1800 MWe, refroidi par du sodium liquide dans lequel est plongé le coeur du réacteur qui comporte une zone centrale (15) de forme générale cylindrique à axe vertical renfermant un matériau combustible fissile entouré par du matériau fertile à sa périphérie (18) et à ses extrémités axiales (16a, 16b), le volume de matériau combustible étant sensiblement égal au volume du sodium de refroidissement baignant la zone centrale combustible (15) du coeur et représentant sensiblement 38 Z du volume total de cette zone centrale combustible (15), caractérisé par le fait que la zone centrale combustible (15) a une hauteur au moins égale à 1,50 mètre et un diamètre tel que le rapport hauteur/diamètre de cette zone centrale (15) soit compris entre 0,40 et 0,55.

2.- Coeur pour un réacteur nucléaire suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la zone centrale combustible (15) du coeur est constituée par la juxtaposition d'aiguilles combustibles (4) dans leurs parties centrales (10) constituées par des pastilles de matériau combustible fissile entre lesquelles sont intercalées une pluralité de zones constituées par des pastilles fertiles (11).

3.- Coeur pour un réacteur nucléaire suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le diamètre des aiguilles combustibles (4) est voisin de 7 mm.

4.- Coeur pour un réacteur nucléaire suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la zone centrale combustible (15) est constituée par la juxtaposition des parties centrales (10) d'aiguilles combustibles (4) disposées verticalement et renfermant dans leur partie centrale uniquement des pastilles combustibles en matériau fissile.

5.- Coeur pour un réacteur nucléaire suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le diamètre des aiguilles combustibles est voisin de 9 mm.