FR3086789A1 - Reacteur nucleaire a sel fondu - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un réacteur nucléaire à sel combustible fondu comprenant : - une cuve apte à contenir un sel combustible ; - des premiers moyens de circulation du sel combustible entre l'extérieur et l'intérieur de la cuve ; - une enceinte autour de la cuve ; - un tambour entre la cuve et l'enceinte, apte à tourner par rapport à ladite cuve et à ladite enceinte ; - des seconds moyens de circulation du fluide caloporteur entre l'extérieur et l'intérieur du volume contenu entre le tambour et la cuve, comprenant des moyens de pulvérisation dudit fluide caloporteur dans ledit volume en direction de ladite cuve de manière à vaporiser le fluide caloporteur pulvérisé ; - le tambour comprenant des ouvertures calibrées pour autoriser une surpression dans le volume par rapport à l'extérieur du tambour tout en permettant l'échappement du fluide caloporteur vaporisé vers l'extérieur dudit tambour de manière à entrainer ledit tambour en rotation ; - un élément réflecteur neutronique autour de l'enceinte, comprenant une ouverture et un obturateur en matériau réflecteur neutronique apte à se déplacer de manière à obturer plus ou moins l'ouverture.

Description

REACTEUR NUCLEAIRE A SEL FONDU
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention se situe dans le domaine des réacteurs à sel fondu (RSF). Plus précisément, elle se situe dans le domaine des réacteurs RSF de très faible puissance, de quelques centaines de KW à quelques MW de puissance électrique.
L’invention est particulièrement destinée à des applications sur Terre, particulièrement en des lieux isolés difficilement accessibles ou dans l’Espace, par exemple sur des bases de vie extraterrestres.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Il existe différentes technologies de réacteurs nucléaires, regroupés selon des filières classifiées suivant différentes caractéristiques clés des réacteurs nucléaires comme le type de flux neutronique (typiquement thermique ou rapide), le fluide caloporteur, le type de combustible. Les filières de réacteurs les plus courantes sont :
- les réacteurs à uranium naturel, modérés par du graphite et refroidis par du CO2 : ancienne filière Uranium Naturel Graphite Gaz (« UNGG ») ou nouvelle filière « AGR » pour « Advanced Gas-cooled Reactor » en anglais ;
- les réacteurs à uranium naturel, modérés par de l'eau lourde (filière « Eau Lourde » aussi nommée « CANDU ») ;
- les réacteurs à eau légère pressurisée (filière « REP »), modérés et refroidis par de l'eau sous pression, les plus couramment exploités ;
- les réacteurs à eau légère bouillante (filière « REB »), modérés et refroidi par de l'eau bouillante ;
- les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur gaz (filière « GFR » pour « Gas-cooled Fast Reactor » en anglais) ;
- les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium (« RNRNa ») ;
- les réacteurs à sel fondu (RSF).
Un réacteur à sel fondu se caractérise par le fait que le combustible nucléaire se présente sous forme d’un combustible fissile, avec éventuellement un isotope fertile, mélangé à un sel, le mélange étant fondu formant un combustible à sel fondu. Le combustible à sel fondu peut jouer le rôle de caloporteur et/ou de modérateur et/ou de barrière de confinement.
Dans l’ensemble de la présente description, on parlera indifféremment de « combustible à sel fondu », de « sel combustible fondu >>, de « sel combustible >>, voire de « sel fondu >>.
Le sel est classiquement un sel de fluorure, généralement le fluorure de lithium (LiF) ou le fluorure de béryllium (BeF2), ou un sel de chlorure.
Le réacteur à sel fondu prend en général la forme d'une cuve métallique contenant le sel combustible à haute température (600 à 900 °C) et à pression ambiante.
Il existe deux grandes familles de réacteurs à sel fondu : les réacteurs à neutrons thermiques à sel fondu lorsqu’il est modéré (c'est-à-dire qu’il comprend un modérateur de neutrons qui est généralement par un graphite) et les réacteurs à neutrons rapides à sel fondu lorsqu’il n’est pas modéré.
Par modérateur dans le domaine nucléaire, l’homme du métier comprend qu’on entend une substance qui ralentit la vitesse des neutrons sans les absorber. Le terme « modérer >> désigne l'action d'un modérateur.
Le combustible fissile peut être de l'uranium 235, du plutonium ou de l'uranium 233, issus de la conversion du thorium. Un intérêt du réacteur à sel fondu est qu’il peut assurer lui-même sa surgénération à l'aide d'une couverture fertile contenant l'isotope fertile à irradier, de manière à générer un isotope fissile.
Le réacteur à sel fondu présente l’avantage de permettre d'utiliser efficacement le cycle de combustible nucléaire fondé sur le thorium, celui-ci étant en quantité plus disponible que par exemple l'uranium 235.
En outre, il présente l’avantage d’être intrinsèquement sûr.
Les réacteurs à sel fondu connus sont généralement des réacteurs industriels destinés à une production massive d’électricité distribuée ensuite par un réseau.
Par exemple, la demande de brevet JP2016042090 décrit un réacteur à sel fondu. Il comprenant une cuve disposée dans un bâtiment. La cuve contient un cœur de réacteur, qui est constitué par des cloisons en un matériau modérateur de neutrons, principalement du graphite. La cuve comprend plusieurs récipients aptes à contenir le combustible à sel fondu. Un réflecteur de neutrons est disposé latéralement autour du cœur. Une structure de support est disposée en dessous des récipients et autorise une liaison entre ces récipients. Sur la surface supérieure de la cuve, des orifices d'alimentation en combustible sont prévus, chaque orifice étant disposé audessus d’un récipient. Un circuit primaire disposé dans le bâtiment permet de faire circuler un fluide caloporteur ; il comprend un système de refroidissement, un échangeur de chaleur, et une pompe de circulation qui permet d’injecter le fluide caloporteur en bas de la cuve, en dessous du cœur de manière à ce qu’il circule en remontant à travers le cœur et qu’il ressorte par une ouverture disposée sur la surface supérieure de la cuve. De cette manière, le fluide caloporteur récupère la chaleur du combustible disposé dans le cœur et l’échangeur de chaleur transmet la chaleur absorbée par le caloporteur à un circuit secondaire disposé à l'extérieur du bâtiment. En partie basse du bâtiment, en dessous de la cuve, un réservoir de vidange est prévu pour récupérer si nécessaire du combustible à sel fondu. Il est également prévu un système d’évacuation du gaz contenu dans un récipient à travers un orifice de récupération relié à une conduite qui conduit le gaz dans un réservoir en partie base du bâtiment notamment dans un dispositif de traitement de gaz. Le contrôle de la réaction nucléaire est assurée, non pas par des barres de commande, mais en jouant sur la montée/descente du réflecteur de neutrons.
Par réflecteur dans le domaine nucléaire, l’homme du métier comprend qu’on entend une substance qui permet de réfléchir tout ou partie d’un flux de neutrons. Un réflecteur, placé autour d’un cœur de réacteur nucléaire, augmente la réactivité de ce dernier et protège la cuve de dommages d'irradiation dus aux neutrons. Un réflecteur peut être placé ailleurs pour protéger d’autres éléments du réacteur.
L’inconvénient de ce réacteur est qu’il comprend classiquement un primaire et un secondaire, et de ce fait, il manque de compacité. Ceci est d’autant plus vrai avec la pluralité de récipients contenant le combustible à sel fondu. Il s’agit donc d’un réacteur proche dans sa conception des réacteurs industriels comme les REP, qui sont des installations encombrantes et compliquées à piloter, comportant de nombreux bâtiments, et qui par voie de conséquence ne sont pas compactes.
La demande de brevet CA2863845 décrit une autre catégorie de réacteur à sel fondu, qui est intégré et plus compact que le réacteur précédent. Le réacteur comprend une cuve, un cœur comprenant des parois en modérateur graphite et des canaux entre les parois aptes à contenir et permettre la circulation de combustible à sel fondu, un réflecteur de neutrons disposé en partie supérieure du cœur pour protéger l’unité échangeur de chaleur primaire d’un flux de neutrons excessif. Le réflecteur comporte des canaux pour permettre au combustible de circuler. Le réacteur comprend une unité échangeur de chaleur primaire qui est alimentée en sel combustible et qui comporte plusieurs échangeurs de chaleur. Chaque échangeur de chaleur est relié à un conduit d'entrée et un conduit de sortie qui permettent la circulation d’un fluide de refroidissement à travers l'échangeur de chaleur. Le fluide de refroidissement circule à travers le conduit d'entrée, et reçoit la chaleur de l'échangeur de chaleur, qui lui-même a récupéré la chaleur du combustible à sel fondu circulant autour. Les échangeurs de chaleur, les conduits d'entrée, les conduits de sortie font tous partie d'un système d'échangeur de chaleur qui est utilisé pour transférer la chaleur à un système ou appareil tel que, par exemple, un générateur de vapeur. Les conduits d'entrée et les conduits de sortie peuvent être reliés fonctionnellement à des échangeurs de chaleur supplémentaires qui fournissent la chaleur du liquide de refroidissement à un autre fluide tel que l'eau. Le réacteur est dit intégré dans la mesure où le système d'échangeur de chaleur est en partie compris dans la cuve. Le sel combustible fondu circule uniquement dans la cuve. Les gaz de fission recueillis au-dessus du niveau du sel combustible fondu peuvent être évacués via une conduite vers une zone de stockage de gaz.
Un exemple de dimensions du réacteur peut être de 3,5 mètres de diamètre, entre 7 à 9 mètres de hauteur, et peut fournir une puissance totale de 400 MWthermique (jusqu'à environ 200 MWéiectriques)· Ainsi, malgré un effort de compacité, le réacteur décrit dans la demande de brevet CA2863845 reste encombrant et lourd. Il est également destiné à une production massive d’électricité.
La demande de brevet CN107945887 décrit un autre exemple de réacteur à sel fondu intégré qui comprend un combustible à sel fondu, des tubes chauffants, une cuve centrale apte à contenir le combustible, une couche latérale de réflecteur, des absorbants neutroniques autour de la cuve, des tambours de commande sur lesquelles des absorbants neutroniques sont disposés, une gaine extérieure ainsi qu’une couche inférieure de réflecteur. Les tubes chauffants sont partiellement ou totalement insérés dans la cuve centrale, celle-ci étant remplie de sel combustible. Une cavité est formée entre la partie supérieure de la cuve et la surface supérieure du sel combustible fondu, afin de pouvoir stocker le gaz de fission insoluble dans le sel fondu et compenser le changement de volume de combustible dû aux phénomènes de dilatation ou de contraction thermiques. La paroi extérieure de la cuve est entourée de la couche latérale de réflecteur. Les tambours de commande sont disposés dans la couche latérale de réflecteur, et les absorbants neutroniques sont disposés sur un côté des tambours de commande, la couche inférieure de réflecteur est disposée au fond de la cuve centrale et la gaine extérieure contient la couche latérale et la couche inférieure de réflecteur. La technologie de tube chauffant est appliquée au réacteur à sel fondu afin de simplifier la structure du réacteur, et une circulation naturelle ou une convection naturelle sont générées pour réaliser une transmission de chaleur efficace et stable à long terme et améliorer la sécurité et la fiabilité du réacteur.
Cependant, le réacteur décrit comprend un nombre non négligeable de tubes chauffants (entre 10 et 1000) dont il faut déterminer la profondeur d’insertion dans le sel combustible fondu (entre 10 et 100% de la hauteur du récipient central) et faire varier la puissance de chauffe pour liquéfier le combustible et obtenir le phénomène recherché de circulation ou de convection. En outre, il faut également jouer sur la rotation des tambours de commandes pour maintenir l'absorbant neutronique plus ou moins éloigné du combustible. Il faut également déterminer la hauteur de la cavité (5 à 20% de la hauteur du récipient central). Le problème d’un tel réacteur à sel fondu est qu’il nécessite de piloter plusieurs paramètres en même temps, ce qui le rend compliqué à piloter.
L’état de la technique montre des réacteurs volumineux et de puissance importante, ainsi que des réacteurs généralement difficiles à piloter.
Il existe un besoin d’un type de réacteur nucléaire à sel fondu qui ne soit pas nécessairement destiné à fournir de l’électricité à un réseau, ou du moins pour lequel la puissance délivrée n’est pas le critère essentiel. Plus précisément, il existe un besoin d’un type de réacteur nucléaire à sel fondu qui soit davantage destiné à fournir une source d’énergie locale (énergie mécanique, thermique et/ou électrique), de faible puissance (quelques centaines de kW à quelques MW) et dont le volume et le poids soit minimisés par rapport aux réacteurs nucléaires de l’état de la technique.
Il est recherché en outre un type de réacteur nucléaire à sel fondu qui puisse être transportable, notamment sur des voies difficiles d’accès, et aisément implantable, notamment dans des zones non préparées à cet effet.
En outre, il est recherché un type de réacteur nucléaire à sel fondu dont le fonctionnement est simplifié, notamment dont le pilotage est simplifié.
EXPOSE DE L’INVENTION
Un objet de l’invention permettant d’atteindre ce but est un réacteur nucléaire du type à sel combustible fondu comprenant :
- une cuve apte à contenir un sel combustible ;
- des premiers moyens de circulation aptes à faire circuler le sel combustible entre l’extérieur et l’intérieur de la cuve ;
- une enceinte disposée autour de la cuve ;
- un tambour disposé entre la cuve et l’enceinte, et apte à tourner par rapport à ladite cuve et à ladite enceinte ;
- des seconds moyens de circulation aptes à faire circuler un fluide caloporteur entre l’extérieur et l’intérieur du volume contenu entre le tambour et la cuve, lesdits moyens de circulation comprenant des moyens de pulvérisation du fluide caloporteur dans ledit volume, en direction de ladite cuve de manière à vaporiser le fluide caloporteur pulvérisé ;
- le tambour comprenant une pluralité d’ouvertures calibrées pour autoriser une surpression dans le volume par rapport à l’extérieur du tambour tout en permettant l’échappement du fluide caloporteur vaporisé vers l’extérieur dudit tambour de manière à entrainer ledit tambour en rotation ;
- un élément réflecteur neutronique disposé autour de l’enceinte et comprenant une ouverture et un obturateur en matériau réflecteur neutronique, l’obturateur étant apte à se déplacer de manière à obturer plus ou moins l’ouverture.
Selon l’invention, par « combustible >> il faut comprendre « combustible nucléaire >> et par « réacteur >> il faut comprendre « réacteur nucléaire >>.
Selon un mode de réalisation, les ouvertures sont des fentes disposées longitudinalement le long de la paroi latérale du tambour et orientées tangentiellement par rapport à ladite paroi latérale du tambour.
Selon un mode de réalisation particulier, les fentes sont réparties de manière régulière le long du périmètre du tambour.
Selon un mode de réalisation, l’enceinte comprend une pluralité d’ailettes disposées à l’intérieur et longitudinalement le long de la paroi latérale de ladite enceinte et orientées perpendiculairement par rapport à ladite paroi latérale de l’enceinte.
Selon un mode de réalisation particulier, les ailettes sont réparties de manière régulière le long du périmètre de l’enceinte.
Selon un mode de réalisation, la cuve, le tambour, l’enceinte et l’élément réflecteur sont des cylindres droits circulaires concentriques, d’axe longitudinal Z, le tambour étant apte à tourner autour dudit axe longitudinal.
Selon un mode de réalisation, les premiers moyens de circulation comprennent une première conduite d’arrivée apte à amener le sel combustible dans la cuve, une première conduite d’évacuation apte à permettre l’évacuation du sel combustible en dehors de ladite cuve, et au moins une conduite d’aspiration du sel combustible reliée à ladite première conduite d’évacuation, disposée tout ou partie dans ladite cuve, et comprenant au moins une ouverture dans ladite cuve.
Selon un mode de réalisation particulier, les premiers moyens de circulation comprennent une pluralité de conduites d’aspiration du sel combustible.
Selon un mode de réalisation particulier, le réacteur nucléaire comprend en outre une pompe reliée à la au moins un première conduite d’évacuation et disposée en dehors de l’enceinte, et de préférence en dehors de l’élément réflecteur neutronique.
Selon un mode de réalisation, les seconds moyens de circulation comprennent une seconde conduite d’arrivée apte à amener le fluide caloporteur dans le volume et une pluralité de conduites de pulvérisation reliées à la seconde conduite d’arrivée et formant moyens de pulvérisation du fluide caloporteur, chaque conduite de pulvérisation étant disposée tout ou partie dans le volume et comprenant au moins une ouverture dans ledit volume.
Selon un mode de réalisation particulier, les seconds moyens de circulation du fluide caloporteur comprennent en outre une seconde conduite d’évacuation apte à évacuer le fluide caloporteur en dehors du volume.
Selon un mode de réalisation, le réacteur nucléaire comprend en outre un élément récupérateur d’énergie cinétique relié au tambour, par exemple un alternateur.
Selon un mode de réalisation, l’obturateur est apte à tourner par rapport à l’ouverture.
Un autre objet de l’invention est l’utilisation d’un tel réacteur nucléaire sur une plateforme.
Un autre objet de l’invention est l’utilisation d’un tel réacteur nucléaire sur une base de vie extraterrestre.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquelles :
la figure 1 illustre un réacteur à sel fondu selon l’invention en vue 3D écorchée ;
la figure 2 illustre le réacteur de la figure 1 selon une coupe longitudinale ;
la figure 3 illustre le réacteur de la figure 1 selon une coupe transversale.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 1 à 3 illustrent un exemple de réacteur à sel fondu selon l’invention en vue 3D écorchée, selon une coupe longitudinale et selon une coupe transversale.
Le réacteur à sel fondu 1 comprend une cuve 11 apte à contenir un sel combustible 2. La cuve est suffisamment étanche pour éviter des fuites de sel combustible fondu.
Le sel combustible est introduit dans la cuve, par exemple grâce à la conduite d’arrivée 121 de combustible décrite ci-après.
Lorsque le réacteur est mis en route, le sel combustible est chauffé à une température suffisante pour permettre sa fusion, de sorte que le sel combustible se retrouve sous forme de sel fondu.
Les moyens pour chauffer le sel combustible ne sont pas représentés. Il peut s’agir de cordons chauffants enroulés sur la périphérie extérieure de la cuve, ou de tubes chauffants disposés sur la périphérie extérieure de la cuve. Il peut s’agir de tubes chauffants introduits à l’intérieur de la cuve, bien que cette solution ne soit pas la solution préférée.
Lorsque la réaction de fission nucléaire est amorcée, la chaleur est fournie par la réaction de fission, et le sel combustible reste fondu. La régulation de la réaction de fission est décrite plus après.
Le réacteur comprend en outre un premier circuit de circulation 12 permettant la circulation du sel combustible 2 entre l’intérieur et l’extérieur du réacteur, plus précisément entre l’intérieur et l’extérieur de la cuve.
Le premier circuit de circulation comprend une première conduite d’arrivée 121 apte à amener le sel combustible depuis l’extérieur du réacteur vers l’intérieur de la cuve 11, une première conduite d’évacuation 122 permettant l’évacuation du sel combustible en dehors du réacteur, et au moins une conduite d’aspiration 123 du combustible disposée à l’intérieur de la cuve 11, proche des parois intérieures de ladite cuve, voire en contact avec lesdites parois intérieures. Une conduite d’aspiration 123 comprend une pluralité d’ouvertures (non représentées sur les figures) à proximité de la paroi intérieure de la cuve et une seconde extrémité (non représentée sur les figures) reliée à la première conduite d’évacuation 122.
Il est représenté plusieurs conduites d’aspiration, de sorte que le sel combustible fondu peut être aspiré plus aisément à différents endroits dans la cuve, et qu’en outre la recirculation du sel combustible puisse être plus uniforme.
Ainsi le sel combustible peut être évacué de la cuve et du réacteur via au moins une conduite d’aspiration puis via la première conduite d’évacuation, puis être réinjecté dans la cuve par la première conduite d’arrivée. Ceci permet le brassage dudit sel de combustible ainsi que le recyclage et/ou la régénération du sel de combustible en cours de fonctionnement (systèmes de recyclage ou de régénération non représentés). L’aspiration peut être réalisée grâce à une pompe (non représentée), disposée à l’extérieur de la cuve et reliée à la première conduite d’évacuation 122, par exemple une pompe électromagnétique, ou une pompe à entrainement électromagnétique.
Le réacteur comprend en outre une enceinte 15 contenant la cuve 11, et un tambour 14 disposé entre la cuve 11 et l’enceinte 15.
Un volume 114 est compris entre la cuve 11 et le tambour 14.
Le tambour 14 est apte à tourner par rapport à la cuve 11 et par rapport à l’enceinte 15 qui sont des éléments fixes.
L’enceinte 15 est de préférence étanche, et forme de préférence une barrière de confinement du réacteur (enceinte de confinement).
Selon l’exemple représenté, la cuve, le tambour et l’enceinte sont des cylindres droits circulaires concentriques, d’axe longitudinal Z et le tambour est apte à tourner autour dudit axe longitudinal.
Le réacteur comprend en outre un second circuit de circulation 13 permettant la circulation d’un fluide caloporteur 3 entre l’intérieur et l’extérieur du réacteur, plus précisément entre l’intérieur et l’extérieur du volume 114.
Le fluide caloporteur peut être également nommé « fluide de refroidissement >> dans la présente description.
Le second circuit de circulation 13 comprend une seconde conduite d’arrivée 131 apte à amener le fluide caloporteur depuis l’extérieur du réacteur vers le volume 114, une seconde conduite d’évacuation 132 permettant d’évacuer le fluide caloporteur en dehors du volume 114 et du réacteur et une pluralité de conduites de pulvérisation 133 reliées à la seconde conduite d’arrivée 131 et disposées dans le volume 114, à proximité des parois extérieures de la cuve 11, de manière à récupérer la chaleur de ladite cuve. Ainsi, la chaleur produite par le combustible à sel fondu 2 dans la cuve 11 est transmise au fluide caloporteur 3 après pulvérisation dudit fluide caloporteur en direction de la cuve au moyen des conduites de pulvérisation 133, ce qui permet ainsi de chauffer ledit fluide caloporteur pulvérisé et de le vaporiser.
Les conduites de pulvérisation 133 comprennent chacune des ouvertures, par exemple des orifices (non représentés) orientés sensiblement en regard de la cuve. Le fluide caloporteur chaud est ainsi pulvérisé puis vaporisé au contact de la surface externe chaude de la cuve
11.
La vaporisation du fluide caloporteur 3 est ainsi réalisée dans le volume 114, provoquant une montée en pression dudit volume 114 formant une surpression par rapport à l’extérieur du tambour.
Le tambour 14 comprend une pluralité d’ouvertures 141, représentées sous forme de fentes, aptes à permettre l’échappement de fluide caloporteur vaporisé vers l’extérieur du tambour, c'est-à-dire entre le tambour 14 et l’enceinte 15.
Chaque ouverture 141 est disposée longitudinalement le long de la paroi latérale du tambour, c'est-à-dire sur une génératrice du tambour. Une ouverture peut être une fente disposée de manière continue sur toute la longueur du tambour, ou une fente disposée de manière continue sur une partie de la longueur du tambour, ou peut être formée par un ensemble de fentes disposées de manière discontinue sur une génératrice du tambour.
Plusieurs ouvertures (24 ouvertures par exemple) sont représentées sur les figures 1 à 3. Elles sont réparties de manière régulière le long du périmètre du tambour.
Les ouvertures 141 sont de préférence des fentes orientées tangentiellement par rapport à la paroi latérale du tambour. Lesdites ouvertures sont dimensionnées de manière à induire une perte de charge suffisante et ainsi autoriser la montée en pression dans le volume 114 due à la vaporisation du fluide caloporteur, tout en permettant l’échappement du fluide caloporteur vaporisé à une vitesse suffisante pour provoquer la rotation du tambour. L’homme du métier spécialisé dans le domaine de l’invention saura dimensionner les ouvertures.
La montée en pression du volume 114 puis l’échappement du fluide caloporteur vaporisé au travers des ouvertures 141 provoque la rotation du tambour 14.
L’enceinte 15 comprend de préférence le long de sa paroi longitudinale intérieure une pluralité d’ailettes 151. Chaque ailette est orientée vers l’intérieur de l’enceinte, et perpendiculairement à la paroi latérale de l’enceinte. En outre, chaque ailette est disposée à l’intérieur de l’enceinte, longitudinalement le long de la paroi latérale de l’enceinte, c'est-àdire sur une génératrice de l’enceinte. Une ailette peut être disposée sur toute la longueur de l’enceinte, ou sur une partie de la longueur de l’enceinte.
Plusieurs ailettes (24 ailettes par exemple) sont représentées sur les figures 1 à 3. Elles sont réparties de manière régulière le long du périmètre de l’enceinte.
Ainsi le fluide caloporteur vaporisé ainsi projeté par les ouvertures 141 en dehors du tambour 14 rencontre les ailettes 151, ce qui par contreréaction met en rotation le tambour.
La rotation du tambour génère une énergie cinétique qui est récupérée par un alternateur.
La partie mobile de l’alternateur 4 est reliée au tambour 14 de manière à pouvoir être entraîné par la rotation du tambour 14, et ce, pour produire de l’électricité. La partie fixe de l’alternateur 4 est par ailleurs fixée à l’enceinte 15.
Alternativement à un alternateur, il peut s’agir d’un autre élément récupérateur de l’énergie cinétique du tambour, par exemple un arbre d’entrainement (un arbre d’hélice par exemple), une pompe de relevage...
Ainsi l’énergie cinétique délivrée par la rotation du tambour peut être utilisée non seulement pour produire de l’électricité, mais également pour entrainer des machines de production (machines-outils, broyeurs, centrifugeurs ...), des compresseurs, des ventilateurs ou tout autre moyen pour récupérer et valoriser l’énergie cinétique.
Le réacteur comprend un élément réflecteur de neutrons 16 disposé autour de l’enceinte 15. L’élément réflecteur représenté forme également un cylindre droit circulaire concentrique avec la cuve, le tambour et l’enceinte.
Le réflecteur comprend une ouverture 161 et un obturateur 162 en un matériau réflecteur disposé en regard de ladite ouverture et apte à tourner par rapport à ladite ouverture de manière à l’obturer plus ou moins, formant ainsi une ouverture de section modulable, et formant un moyen de pilotage de la réactivité du réacteur.
Le pilotage de la réaction nucléaire est réalisé en faisant pivoter l’obturateur 162 de manière à couvrir plus ou moins l’ouverture 161, et ainsi retenir plus ou moins les neutrons. Ainsi, plus l’ouverture est obturée, plus le pouvoir réflecteur de neutrons est élevé. Plus elle est ouverte, plus le pouvoir réflecteur de neutrons est faible.
Le pilotage du réacteur est donc réalisé de manière simple, avec une seule action de déplacement (dans l’exemple illustré, un pivotement) d’un obturateur. Il peut être avantageusement piloté à distance.
En outre, le réacteur selon l’invention ne comprend avantageusement pas de secondaire, l’énergie cinétique de rotation du tambour étant directement transmise à un élément récupérateur d’énergie, telle un alternateur, un arbre d’entrainement ou une pompe de relevage. Ainsi, le réacteur selon l’invention se présente comme un réacteur intégré compact.
Selon l’exemple représenté, un premier palier 61 est disposé entre le tambour 14 et l’enceinte 15 pour autoriser la rotation du tambour par rapport à l’enceinte, et un second palier 62 est disposé entre la cuve 11 et le tambour 14 pour autoriser la rotation du tambour par rapport à la cuve. Les premier et second paliers 61 et 62 peuvent être des roulements à billes.
En outre, selon l’exemple représenté, le réacteur comprend un premier moyen d’étanchéité 51, formé par exemple par un premier joint circulaire, apte à assurer une étanchéité entre le tambour 14 et l’enceinte 15 et un second moyen d’étanchéité 52, formé par exemple par un second joint circulaire, apte à assurer l’étanchéité entre le tambour 14 et la cuve 11.
Comme représenté, le premier moyen d’étanchéité 51 et le premier palier 61 sont disposés entre le tambour 14 et l’alternateur 4, au niveau d’un passage formé dans le réflecteur 16. En outre, le second moyen d’étanchéité 52 et le second palier 62 sont disposés autour des première et seconde conduites d’arrivée 121, 131 et de la première conduite d’évacuation 122, au niveau d’une traversée formée dans le tambour 14 pour permettre le passage desdites conduites.
A titre indicatif, et pour les éléments représentés dans les figures 1 à 3, un réacteur à sel fondu tel qu’illustré présente un diamètre hors tout de 1,20 mètres, une longueur hors tout (avec l’alternateur) de 1,60 mètres, et un poids de 5 tonnes environ. La puissance d’un tel réacteur varie entre une centaine de kW électriques et quelques MW électriques.
Ainsi le réacteur à sel fondu selon l’invention est un réacteur intégré de relativement petite dimension, par rapport aux réacteurs de l’état de la technique. De ce fait, il est mobile, ou du moins aisément déplaçable. Par exemple, il peut être placé sur un plateau remorqué par un camion pour être déplacé et/ou exploité directement sur le plateau. Il peut être disposé sur une plateforme sur laquelle il peut être exploité, sans avoir à préparer un terrain à cet effet. En outre, il peut être disposé dans des lieux reculés, et/ou difficilement accessibles. Il peut également être exploité dans l’Espace, par exemple sur une base de vie extraterrestre afin de fournir l’énergie nécessaire à cette base de vie.
Le fluide caloporteur utilisé peut dépendre du lieu dans lequel le réacteur est exploité, notamment en fonction des ressources disponibles à proximité, et de la capacité de l’environnement à dissiper la chaleur. Lorsque le réacteur est destiné à être exploité sur Terre, le fluide caloporteur peut être de l’eau douce, de l’azote ou du CO2 supercritique. Lorsque le réacteur est destiné à être exploité dans l’Espace, le fluide caloporteur peut être du césium liquide ou du soufre liquide, par exemple. Le fluide caloporteur peut être refroidi à l’aide de panneaux radiatifs, dans certains cas.
Le réacteur est de préférence adapté ou implanté dans un milieu adapté pour protéger l’environnement des rayonnements radioactifs qu’il peut générer. Par exemple, il peut être recouvert d’un blindage (notamment lors de son utilisation sur une plateforme ou un plateau). Alternativement, il peut être implanté dans un bâtiment blindé, voire dans une cellule blindée, rendu possible par son faible encombrement et son poids limité. Alternativement ou de manière complémentaire, il peut être enterré.
En outre, la plage de fonctionnement du réacteur (températures entrée/sortie du fluide de caloporteur par exemple, température du sel combustible fondu, débit de circulation du sel combustible ...) peut être adaptée au lieu sur lequel il est exploité.
Le fluide caloporteur récupéré en sortie du réacteur peut être avantageusement utilisé pour de la cogénération. Ainsi l’invention peut avoir comme application la cogénération.
La composition du sel combustible pour un réacteur à sel fondu selon l’invention peut comprendre typiquement une majorité de Fluorure de Lithium (LiF), mélangé à un quart de Fluorure de Béryllium (BeF2), et à quelques pourcents de tétrafluorure d'uranium, ou fluorure d'uranium(IV) (UF4).
Le réflecteur peut comprendre ou être principalement constitué de graphite.
Les matériaux utilisés pour la cuve, le tambour, l’enceinte ainsi que les conduites peuvent être de l’inox. Alternativement, certains éléments les plus exposés au contact du sel combustible (par exemple la cuve) peuvent être en céramique, ou en un matériau composite.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Réacteur nucléaire du type à sel combustible fondu comprenant :
    une cuve (11 ) apte à contenir un sel combustible (2) ;
    des premiers moyens de circulation (12) aptes à faire circuler le sel combustible (2) entre l’extérieur et l’intérieur de la cuve (11);
    une enceinte (15) disposée autour de la cuve (11);
    un tambour (14) disposé entre la cuve (11 ) et l’enceinte (15), et apte à tourner par rapport à ladite cuve et à ladite enceinte ;
    des seconds moyens de circulation (13) aptes à faire circuler un fluide caloporteur (3) entre l’extérieur et l’intérieur du volume (114) contenu entre le tambour (14) et la cuve (11), lesdits moyens de circulation comprenant des moyens de pulvérisation du fluide caloporteur (3) dans ledit volume, en direction de ladite cuve de manière à vaporiser le fluide caloporteur pulvérisé ;
    le tambour (14) comprenant une pluralité d’ouvertures (141) calibrées pour autoriser une surpression dans le volume (114) par rapport à l’extérieur du tambour tout en permettant l’échappement du fluide caloporteur vaporisé vers l’extérieur dudit tambour de manière à entrainer ledit tambour en rotation ;
    un élément réflecteur neutronique (16) disposé autour de l’enceinte (15) et comprenant une ouverture (161) et un obturateur (162) en matériau réflecteur neutronique, l’obturateur (162) étant apte à se déplacer de manière à obturer plus ou moins l’ouverture (161).
  2. 2. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, les ouvertures (141) étant des fentes disposées longitudinalement le long de la paroi latérale du tambour (14) et orientées tangentiellement par rapport à ladite paroi latérale du tambour.
  3. 3. Réacteur nucléaire selon la revendication 2, les fentes (141) étant réparties de manière régulière le long du périmètre du tambour (14).
  4. 4. Réacteur nucléaire selon l’une des revendications 1 à 3, l’enceinte (15) comprenant une pluralité d’ailettes (151) disposées à l’intérieur et longitudinalement le long de la paroi latérale de ladite enceinte et orientées perpendiculairement par rapport à ladite paroi latérale de l’enceinte.
  5. 5. Réacteur nucléaire selon la revendication 4, les ailettes (151) étant réparties de manière régulière le long du périmètre de l’enceinte (15).
  6. 6. Réacteur nucléaire selon l’une des revendications 1 à 5, la cuve (11), le tambour (14), l’enceinte (15) et l’élément réflecteur (16) étant des cylindres droits circulaires concentriques, d’axe longitudinal Z, le tambour étant apte à tourner autour dudit axe longitudinal.
  7. 7. Réacteur nucléaire l’une des revendications 1 à 6, les premiers moyens de circulation (12) comprenant une première conduite d’arrivée (121) apte à amener le sel combustible dans la cuve (11), une première conduite d’évacuation (122) apte à permettre l’évacuation du sel combustible en dehors de ladite cuve, et au moins une conduite d’aspiration (123) du sel combustible reliée à ladite première conduite d’évacuation, disposée tout ou partie dans ladite cuve, et comprenant au moins une ouverture dans ladite cuve.
  8. 8. Réacteur nucléaire selon la revendication 7, les premiers moyens de circulation (12) comprenant une pluralité de conduites d’aspiration (123) du sel combustible.
  9. 9. Réacteur nucléaire selon la revendication 7 ou 8, comprenant en outre une pompe reliée à la première conduite d’évacuation (122) et disposée en dehors de l’enceinte (15), et de préférence en dehors de l’élément réflecteur neutronique (16).
  10. 10. Réacteur nucléaire selon l’une des revendications 1 à 9, les seconds moyens de circulation (13) comprenant une seconde conduite d’arrivée (131) apte à amener le fluide caloporteur dans le volume (114) et une pluralité de conduites de pulvérisation (133) reliées à la seconde conduite d’arrivée (131) et formant moyens de pulvérisation du fluide caloporteur (3), chaque conduite de pulvérisation étant disposée tout ou partie dans le volume (114) et comprenant au moins une ouverture dans ledit volume.
  11. 11. Réacteur nucléaire selon la revendication 10, les seconds moyens de circulation (13) du fluide caloporteur (3) comprenant en outre une seconde conduite d’évacuation (132) apte à évacuer le fluide caloporteur en dehors du volume (114).
  12. 12. Réacteur nucléaire selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un élément récupérateur d’énergie cinétique relié au tambour (14), par exemple un alternateur (4).
  13. 13. Réacteur nucléaire selon l’une des revendications précédentes, l’obturateur (162) étant apte à tourner par rapport à l’ouverture (161).
  14. 14. Utilisation d’un réacteur nucléaire selon l’une des revendications 1 à 13 sur une plateforme.
  15. 15. Utilisation d’un réacteur nucléaire selon l’une des revendications 1 à 13 sur une base de vie extraterrestre.
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