FR2817649A1

FR2817649A1 - Nuclear reactor particle flow modification system uses series of channels or tubes connected to gas feed chamber

Info

Publication number: FR2817649A1
Application number: FR0015781A
Authority: FR
Inventors: Michel Gerard Emin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: FR2817649B1

Abstract

The system consists of a series of channels or tubes (3, 8) of different types inside the reactor, concentric or associated and connected to a gas feed chamber situated permanently in or surrounding the system. The channels or tubes can be filled or emptied independently and at will with fluids which absorb, moderate, reflect or emit the particles, with gases or fluids that are transparent to the particles.

Description

Domaine de l'invention La présente invention vient en complément du système permettant de moduler l'absorption, l'émission, la modération ou la réflexion de rayonnements ou de flux de particules, décrit dans le brevet français référencé no 97. 08818, et le brevet européen no 98 935107.7-1240. Field of the Invention The present invention complements the system for modulating the absorption, emission, moderation or reflection of radiation or particle flux, described in the French patent referenced No. 97. 08818, and the European patent no 98 935107.7-1240.

La présente invention, utilisée conjointement avec l'invention décrite dans les deux brevets précités, permet d'une part, de régénérer le combustible nucléaire en fonctionnement, et d'autre part, de renforcer la modulation de puissance à l'aide de poison neutrophage (ou absorbant neutronique) telle que décrite dans les brevets en référence. The present invention, used in conjunction with the invention described in the two aforementioned patents, allows on the one hand, to regenerate the nuclear fuel in operation, and on the other hand, to reinforce the power modulation using neutron-absorbing poison (or neutron absorbent) as described in the referenced patents.

Etat de la technique antérieure
Dans un réacteur nucléaire, lorsqu'un neutron traverse un milieu modérateur (milieu aqueux dans un réacteur nucléaire pressurisé ou bouillant), il est ralenti par le milieu ambiant jusqu'à une valeur d'énergie qui favorise la collision avec les atomes fissiles. Lorsque l'on remplace le volume occupé par un milieu modérateur, par un gaz ou un liquide non modérateur, les neutrons émis par un atome de combustible conservent leur énergie à travers ce volume non modérateur. Lorsqu'ils rencontrent un atome de combustible au delà de cet espace, ils peuvent le rendre fissile, on a alors enrichi une partie du combustible. State of the art
In a nuclear reactor, when a neutron passes through a moderating medium (aqueous medium in a pressurized or boiling nuclear reactor), it is slowed down by the ambient medium to an energy value which favors the collision with the fissile atoms. When the volume occupied by a moderating medium, by a gas or a non-moderating liquid is replaced, the neutrons emitted by a fuel atom conserve their energy through this non-moderating volume. When they meet a fuel atom beyond this space, they can make it fissile, we have enriched part of the fuel.

Dans l'état actuel de la technologie, on peut créer un effet de vide en faisant varier la vitesse de rotation des pompes dans les réacteurs nucléaires de type bouillant uniquement. In the current state of technology, a vacuum effect can be created by varying the rotation speed of the pumps in boiling-type nuclear reactors only.

Les inconvénients de la technologie actuelle sont : - d'une part, les dangers liés au risque de non refroidissement du combustible qui peut entraîner une altération du combustible, - d'autre part, les difficultés d'exploitation des installations nucléaires consécutives à la variation de vitesse des pompes et à la difficulté de maintenir ce taux de vide à une valeur stable, conduisent à une instabilité neutronique qui ne permet pas une régénération facile du combustible. The disadvantages of current technology are: - on the one hand, the dangers linked to the risk of non-cooling of the fuel which can lead to fuel deterioration, - on the other hand, the difficulties of operating nuclear installations following the variation speed of the pumps and the difficulty of maintaining this vacuum rate at a stable value, lead to neutron instability which does not allow an easy regeneration of the fuel.

Exposé de l'invention Le but de l'invention est un dispositif, à l'identique des brevets précités, constitué d'un réseau de canaux insérés en permanence dans et autour (ou éventuellement seulement dans ou seulement autour) des éléments radioactifs (mais conservant la possibilité d'être démontés) permettant de moduler la puissance des réacteurs nucléaires et de régénérer une partie du combustible en fonctionnement. A cet effet, le dispositif qu'elle concerne est caractérisé en ce qu'il comprend à l'intérieur du réacteur des canaux, tubes ou similaires connectés à un réseau d'alimentation en hélium par exemple. Description of the invention The object of the invention is a device, identical to the aforementioned patents, consisting of a network of channels permanently inserted in and around (or possibly only in or only around) radioactive elements (but retaining the possibility of being dismantled) to modulate the power of nuclear reactors and regenerate part of the fuel in operation. To this end, the device it relates to is characterized in that it comprises inside the reactor channels, tubes or the like connected to a helium supply network for example.

Avantageusement, selon une application de l'invention, ces tubes sont répartis de façon judicieuse sur l'ensemble du volume du réacteur nucléaire. Cette répartition pouvant être soit homogène par carré d'assemblage combustible, soit disposée entre les assemblages combustibles. Advantageously, according to one application of the invention, these tubes are judiciously distributed over the entire volume of the nuclear reactor. This distribution can be either homogeneous by square of fuel assembly, or arranged between the fuel assemblies.

La figure N'O est un exemple possible, mais non exclusif, d'une répartition de canaux à effet de vide dans un réacteur nucléaire. Figure N'O is a possible, but not exclusive, example of a distribution of vacuum effect channels in a nuclear reactor.

La modulation de la pression dans ce canal, qui peut être, suivant une application particulière de l'invention décrite par les figures N'l et 2, à son extrémité basse, ouvert sur l'eau contenue dans le réacteur, permet de remplir ou de vider partiellement ou entièrement ces tubes avec l'eau du réacteur. The modulation of the pressure in this channel, which can be, according to a particular application of the invention described by Figures N'l and 2, at its lower end, open on the water contained in the reactor, makes it possible to fill or to partially or entirely empty these tubes with the reactor water.

Quand ce canal, constitué par un tube en zirconium ou de tout autre matériau transparent vis-à-vis des neutrons, est rempli d'un liquide modérateur, l'eau du réacteur par exemple, il a le même pouvoir modérateur vis-à-vis des neutrons que l'eau en circulation en dehors de ce tube. When this channel, consisting of a zirconium tube or any other material transparent to neutrons, is filled with a moderating liquid, water from the reactor for example, it has the same moderating power with screw neutrons as the water circulating outside this tube.

Quand ce canal est rempli d'hélium, ou de tout autre gaz ou liquide n'ayant aucun effet vis-à-vis des neutrons, il crée un effet de vide qui ne ralentit pas les neutrons et, de ce fait, les neutrons émis par un crayon combustible peuvent recréer un atome fissile, par exemple de plutonium, par bombardement d'un noyau fissile qui peut être, par exemple, de l'uranium, du plutonium, du thorium. When this channel is filled with helium, or any other gas or liquid having no effect on neutrons, it creates a vacuum effect which does not slow down the neutrons and, therefore, the emitted neutrons by a combustible pencil can recreate a fissile atom, for example of plutonium, by bombardment of a fissile nucleus which can be, for example, uranium, plutonium, thorium.

L'invention offre la possibilité de piloter, à l'aide de la pression de gaz dans les tubes, le rapport entre le volume occupé par le milieu modérant les neutrons dans un volume de cuve constant et le volume occupé par du combustible ; ce rapport sera appelé taux de vide. Le taux de vide permet, dans un réacteur nucléaire, un effet de régénération du combustible. L'effet de vide agit aussi sur l'effet de modération, et ce même effet de modération modifie la puissance du réacteur ; on peut donc aussi modifier la puissance du réacteur en modifiant le taux de vide dans ce réacteur. The invention offers the possibility of controlling, using gas pressure in the tubes, the ratio between the volume occupied by the medium moderating the neutrons in a constant tank volume and the volume occupied by fuel; this ratio will be called the void rate. The vacuum rate allows, in a nuclear reactor, a fuel regeneration effect. The vacuum effect also acts on the moderation effect, and this same moderation effect modifies the power of the reactor; it is therefore also possible to modify the power of the reactor by modifying the vacuum rate in this reactor.

Suivant une autre application selon l'invention, on peut utiliser des canaux à effet de vide tels que décrits précédement autour de canaux remplis de neutrophages (ou absorbants neutroniques) ; cette disposition renforce alors l'effet de ces absorbants, figures ? 3 et ? 4. According to another application according to the invention, it is possible to use vacuum effect channels as described above around channels filled with neutrophages (or neutron absorbents); this provision then reinforces the effect of these absorbents, figures? 3 and? 4.

Suivant une autre caractéristique de cette même invention, des particules de matériaux modérateurs peuvent être frittées ou alliées avec des particules de matériaux absorbant les neutrons, ou mélangées de façon homogène avec les matériaux absorbants, si ils ont la même densité, pour être directement utilisés dans les canaux de modulation de puissance. According to another characteristic of this same invention, particles of moderating materials can be sintered or alloyed with particles of neutron absorbing materials, or homogeneously mixed with the absorbent materials, if they have the same density, to be directly used in the power modulation channels.

Le mélange de matériaux absorbants et de matériaux modérateurs des neutrons permet de renforcer l'effet de capture des matériaux absorbants en ralentissant les neutrons jusqu'à une énergie où leur capture devient possible ou optimum par le matériau utilisé comme absorbant de neutrons, pour exemple dans le système selon l'invention décrite dans les brevets précités. The mixture of absorbent materials and neutron moderating materials makes it possible to enhance the capture effect of absorbent materials by slowing the neutrons down to an energy where their capture becomes possible or optimum by the material used as neutron absorbent, for example in the system according to the invention described in the aforementioned patents.

On choisira avantageusement pour une application selon l'invention parmi les composants modérateurs tels que Ca H2, Zr H2, HfH2, D2O. One will advantageously choose for an application according to the invention among the moderating components such as Ca H2, Zr H2, HfH2, D2O.

Dans le cas d'utilisation de l'invention décrit précédemment, le dispositif utilise au sein d'un réacteur nucléaire, en même temps que les canaux à effet de vide, une substance neutrophage pour maîtriser la réaction nucléaire, tant dans sa puissance que dans sa répartition spatiale. In the case of use of the invention described above, the device uses within a nuclear reactor, at the same time as the vacuum effect channels, a neutron-absorbing substance to control the nuclear reaction, both in its power and in its spatial distribution.

Le même dispositif peut, à l'opposé, utiliser ces mêmes canaux pour introduire dans le réacteur un apport de réactivité en substituant au fluide neutrophage ci-dessus un fluide émetteur de neutrons ou encore du combustible ou fluide réfléchissant les neutrons ; tous ces fluides pouvant être mixés comme précédemment à des particules de modérateurs. The same device can, on the contrary, use these same channels to introduce into the reactor a contribution of reactivity by replacing the above neutron-absorbing fluid with a neutron-emitting fluid or even with fuel or fluid reflecting the neutrons; all these fluids can be mixed as before with particles of moderators.

Dans les figures 5 et 6, on décrit une autre application selon l'invention permettant de remplir ou de vider, à l'aide des tubes 6 et 7, dans un tube récepteur 9, des fluides pouvant être différents, contenus dans les réservoirs 4 et 5. Ce tube est alors soit rempli par du gaz en provenance de la vanne 1, soit par le fluide contenu dans le réservoir 4, ou le réservoir 5. In FIGS. 5 and 6, another application according to the invention is described, making it possible to fill or empty, using the tubes 6 and 7, in a receiving tube 9, fluids which may be different, contained in the tanks 4 and 5. This tube is then either filled with gas coming from the valve 1, or with the fluid contained in the tank 4, or the tank 5.

Suivant une autre application selon l'invention, on peut adjoindre au dispositif des accessoires permettant de vidanger totalement ou partiellement certains éléments du dispositif, d'échantillonner le fluide, de changer partiellement ou totalement la nature du fluide ou de l'un au moins de ses constituants, y compris pendant le fonctionnement de l'installation comportant le dispositif. According to another application according to the invention, accessories can be added to the device making it possible to completely or partially drain certain elements of the device, to sample the fluid, to partially or totally change the nature of the fluid or at least one of its constituents, including during the operation of the installation comprising the device.

La composition du fluide pourra être différente dans différents éléments du dispositif selon l'invention afin de mieux maîtriser et modifier la répartition spatiale des phénomènes nucléaires dans l'installation. The composition of the fluid may be different in different elements of the device according to the invention in order to better control and modify the spatial distribution of nuclear phenomena in the installation.

Avantages de l'invention
L'invention permet, dans un réacteur nucléaire, un effet de régénération du combustible qui peut se traduire par un allongement du cycle du combustible. Advantages of the invention
The invention allows, in a nuclear reactor, a fuel regeneration effect which can result in an extension of the fuel cycle.

L'invention permet de générer des matières fissiles à partir d'uranium, de plutonium ou de thorium, ce qui offre la possibilité de construire un réacteur nucléaire utilisant ces combustibles. The invention makes it possible to generate fissile materials from uranium, plutonium or thorium, which offers the possibility of building a nuclear reactor using these fuels.

Plus généralement, elle donne la possibilité de moduler la vitesse des neutrons et peut être utilisée pour transmuter des matières radioactives. More generally, it gives the possibility of modulating the speed of neutrons and can be used to transmute radioactive materials.

Cette invention trouve une application dans l'incinération des déchets radioactifs à vie longue issus des réacteurs nucléaires classiques, ou peut aussi rendre ces mêmes réacteurs moins producteurs de ces mêmes déchets. L'invention permet de moduler ou de renforcer la modulation de la puissance d'un réacteur nucléaire et plus généralement de renforcer les effets de substances absorbant, modérant, émettant ou réfléchissant les particules. This invention finds application in the incineration of long-lived radioactive waste from conventional nuclear reactors, or can also make these same reactors less producer of this same waste. The invention makes it possible to modulate or reinforce the modulation of the power of a nuclear reactor and more generally to reinforce the effects of substances absorbing, moderating, emitting or reflecting the particles.

Avantageusement, l'invention permet de dissocier du fluide caloporteur les matières qui sont employées à la maîtrise du réacteur. On s'affranchit ainsi de la gestion chimique du fluide caloporteur (borication) et des inconvénients de la présence d'acide borique dans les circuits caloporteurs (corrosion). Advantageously, the invention makes it possible to dissociate from the heat transfer fluid the materials which are used for controlling the reactor. This eliminates the chemical management of the heat transfer fluid (borication) and the disadvantages of the presence of boric acid in the heat transfer circuits (corrosion).

Avantageusement, l'invention permet de multiplier le nombre des éléments du dispositif sans nécessiter un grand nombre de traversées de la paroi de l'enceinte du réacteur. Cette multiplicité des éléments permet de réduire la dissymétrie de flux neutronique dans un réacteur en fonctionnement. Advantageously, the invention makes it possible to multiply the number of elements of the device without requiring a large number of crossings of the wall of the reactor enclosure. This multiplicity of elements makes it possible to reduce the asymmetry of neutron flux in a reactor in operation.

Avantageusement, l'invention permet de changer ou de replier en dehors du flux neutronique les substances neutrophages. Advantageously, the invention makes it possible to change or refold the neutron-absorbing substances outside the neutron flux.

Elle rend possible l'emploi de substance à durée de vie plus courte, par exemple d'un poison consommable tel que le gadolinium. It makes it possible to use a substance with a shorter lifespan, for example a consumable poison such as gadolinium.

Description d'un exemple de réalisation selon l'invention :
L'exemple de dispositif choisi est constitué de trois types de tubes différents utilisables selon les besoins en anti réactivité souhaités. La figure NO représente une des possibilités de répartition. Description of an exemplary embodiment according to the invention:
The example of device chosen consists of three different types of tubes which can be used according to the desired anti-reactivity needs. Figure NO represents one of the distribution possibilities.

Le premier type de tubes utilisés dans cet exemple, tel que décrit par les figures ? 1 et NO2, est un tube 3 connecté à une alimentation en gaz 1 à son extrémité haute et à son extrémité basse, ouvert sur l'eau contenue dans le réacteur 4. La modulation de la pression du gaz permet de remplir ou de vider partiellement ou entièrement ces tubes avec l'eau du réacteur. Les crayons combustibles sont repérés 8 dans cette figure N'l. The first type of tubes used in this example, as described by the figures? 1 and NO2, is a tube 3 connected to a gas supply 1 at its upper end and at its lower end, open to the water contained in the reactor 4. The modulation of the gas pressure makes it possible to partially fill or empty or entirely these tubes with the reactor water. The fuel rods are marked 8 in this figure N'l.

Les tubes 3 sont disposés de façon avantageuse au milieu des crayons combustibles. The tubes 3 are advantageously arranged in the middle of the fuel rods.

Le deuxième type de tubes utilisés dans cet exemple, tel que décrit par les figures N3 et N4, est une variante du premier type ; il est constitué du tube 3, décrit ci-dessus, à l'intérieur duquel on positionne un tube 2 en forme d'épingle dont une extrémité est connectée à un réservoir 4 contenant un fluide neutrophage. Ce réservoir ainsi que l'autre extrémité du tube sont reliés à un dispositif pneumatique 1 utilisant, par exemple de l'hélium. La gestion de la pression aux extrémités de ce dispositif permet de remplir ou de vider le tube interne avec du fluide actif, par exemple du neutrophage, et le tube 3 par l'eau du réacteur. Lorsque l'électrovanne 10 est ouverte, la pression fait remonter le fluide neutrophage dans le ballon 4, et le tube 2 est vidé. Les vannes 10 et 11 sont alors mises à la même pression, créant ainsi un état stable. Lorsque l'on veut remplir le tube, ou en cas de panne de courant électrique, l'électrovanne 11 est manoeuvrée, la pression dans le réservoir 4 chasse le neutrophage du réservoir et remplit le tube 2. Les vannes 10 et Il sont alors mises à la même pression, créant ainsi un nouvel état stable du système. La vanne 1, comme précédemment, remplit ou vide le tube par modulation de la pression dans le tube 3. The second type of tubes used in this example, as described by Figures N3 and N4, is a variant of the first type; it consists of the tube 3, described above, inside which a pin-shaped tube 2 is positioned, one end of which is connected to a reservoir 4 containing a neutron absorbing fluid. This reservoir and the other end of the tube are connected to a pneumatic device 1 using, for example helium. The management of the pressure at the ends of this device makes it possible to fill or empty the internal tube with active fluid, for example neutron absorbing fluid, and tube 3 with water from the reactor. When the solenoid valve 10 is open, the pressure brings up the neutron absorbing fluid in the balloon 4, and the tube 2 is emptied. The valves 10 and 11 are then put at the same pressure, thus creating a stable state. When it is desired to fill the tube, or in the event of an electrical power failure, the solenoid valve 11 is operated, the pressure in the reservoir 4 drives the neutron absorber from the reservoir and fills the tube 2. The valves 10 and 11 are then put at the same pressure, creating a new stable state of the system. The valve 1, as before, fills or empties the tube by modulating the pressure in the tube 3.

Lorsque le tube 3 est rempli avec l'eau du réacteur, il apporte un effet modérateur qui renforce l'effet du neutrophage. When the tube 3 is filled with water from the reactor, it provides a moderating effect which reinforces the effect of the neutron absorber.

Lorsque les tubes 2 et 3 sont vidés simultanément, on enrichit le combustible entourant ces tubes concentriques. When the tubes 2 and 3 are emptied simultaneously, the fuel surrounding these concentric tubes is enriched.

Le troisième type de tubes utilisés dans cet exemple, tel que décrit par les figures NOS et NO6, est constitué d'un tube 3 connecté à une alimentation en gaz dans lequel plongent deux tubes connectés à des réservoirs 1 et 2 identiques à la description précédente et contenant chacun un fluide différent, par exemple un fluide modérateur dans le réservoir 1 et un fluide neutrophage dans le réservoir 2. La gestion de la pression entre les différentes extrémités des tubes permettant de remplir ou de vider le tube 3 avec le fluide actif contenu dans l'un ou l'autre des réservoirs. The third type of tubes used in this example, as described by the figures NOS and NO6, consists of a tube 3 connected to a gas supply in which two tubes connected to reservoirs 1 and 2 identical to the preceding description and each containing a different fluid, for example a moderating fluid in the reservoir 1 and a neutron absorbing fluid in the reservoir 2. The management of the pressure between the different ends of the tubes making it possible to fill or empty the tube 3 with the active fluid contained in either tank.

La maîtrise de la réactivité du réacteur est obtenue soit par la variation du nombre de tubes remplis soit par la gestion de la présence dans un même tube, alternativement de liquide neutrophage, ou de modérateur ou de gaz. Control of the reactivity of the reactor is obtained either by varying the number of tubes filled or by managing the presence in the same tube, alternately of neutron absorbing liquid, or of moderator or of gas.

On pourra adjoinre aux tubes 3 un écran modérateur formé, par exemple, d'hydrure tel que Ca H2, Zr H2, Hf H2. Ce dispositif permet de ralentir les neutrons pour faciliter leur capture par le neutrophage ou par le combustible. We can add to the tubes 3 a moderating screen formed, for example, of hydride such as Ca H2, Zr H2, Hf H2. This device makes it possible to slow down the neutrons to facilitate their capture by the neutron-absorbing or by the fuel.

Claims

1. Device making it possible to modify the speed of particles at will, to create or modulate the absorption, emission, moderation or reflection of particle flux, characterized in that it comprises inside the reactor channels, tubes or the like, of different types, concentric or associated with each other, connected to a gas supply network permanently arranged in and around (or possibly only in or only around) the system (but retaining the possibility of be dismantled) which can be filled or emptied independently and at will with fluids absorbing, moderating, reflecting or emitting particles, gases or fluids transparent to these same particles in order to regulate the reactivity of a nuclear system, enrich nuclear fuel or incinerate nuclear waste.

2. Device according to claim 1, characterized in that one uses tubes connected to a gas supply at their upper end and at their lower end, open to the water contained in the reactor and advantageously arranged in the middle fuel rods, and in that these tubes can be filled or emptied at will of the reactor water to vary the vacuum rate and create a moderation effect of neutrons, radiation or particle fluxes.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that a system consisting of concentric tubes is used, the external tube of which can be filled or emptied at will of moderating fluid and the internal tube can be filled or emptied at will. of neutron-absorbing fluid to vary the void rate and thus enhance the absorption, emission, moderation or reflection of neutrons, radiation or particle fluxes.

4. Device according to claims 1 and 2 and 3 characterized in that at least two tubes inserted into the inner tube are each connected to reservoirs which can each contain a different fluid and can be operated independently to fill or empty a receiving tube by a pneumatic system and allowing in the context of a nuclear application to put in the same channel, alternatively moderator, neutron-absorbing or a transparent gas vis-à-vis neutrons, radiation or particle flows.

5. Device according to any one of claims 1 and 3 or 4 characterized in that the fluids used can be supplemented with particles consisting of an alloy, a sintering having among their components simultaneously moderating and absorbing neutrons or substances moderating or emitting neutrons.

6. Device according to claims 1 and 3 or 4 or 5 characterized in that the substances moderating the neutrons used simultaneously with neutrophages are chosen from the chemical compounds Ca H2, Zr H2, HfH2, D20.

7. Device according to claims 1 and 3 or 4 or 5 or 6 characterized in that it can be advantageously supplemented by the use of at least two fluids of different nature.