<Desc/Clms Page number 1>
Réacteur nucléaire et dispositif* de refroidissement et de modératiox Réacteur nucléaire et dispositifs de refroidissement et de modération pour ce réacteur.
La présente Invention se rapporte aux réacteurs nucléaires hétérogènes et plus particulièrement aux dispositifs de Modération et de refroidissement pour ces réacteurs,
Il est courant, dans de nombreuses applications, d'utiliser dans un réacteur nucléaire un fluide tel que l'eau qui modère et refroidit, à la fois, le noyau de combustible du réacteur Si un tel fluide est utilise, il est avantageux de disposer d'une certrai- ne souplesse pour obtenir des conditions de réactivité préférées ou optima en mime temps que des conditions de transfert thermique ou des conditions thermiques et hydruliques préférés ou optima.
On ne dispose généralement pas d'une telle souplesse de construc- tion parce que l'obtention d'une série préférée de paramètres ther- L'il
<Desc/Clms Page number 2>
niques et hydrauliques est normalement incompatible ou peut être incompatible avec l'obtention d'une série préférée de para- mètres de réactivité.
Ainsi, lorsque l'eau est utilisée comme agent de refroidis- sement et comme modérateur, une configuration donnée du noyau peut assurer une réactivité optimum tandis qu'en même temps les caractéristiques d'écoulement, de pression et de transfert thermi- que peuvent devoir être l'objet de compromis s'écartant des va- leurs optima, L'inverse peut également être vrai. De plus, à cause du coefficient de température de réactivité négatif de l'eau obtenu en diminuant la densité de l'eau, la réactivité de démarrage peut être réduite, à la température de fonctionnement du noyau d'une quantité beaucoup plus grande que ne le requièrent les considéra- tiens de sécurité.
La réactivité plus élevée au départ entrain@, bien entendu, aussi une extension correspondante du contrôle de la réactivité qui ne serait pas nécessaire autrement* Dans le cas typi. que d'un réacteur à eau bouillante dans lequel une certaine partie de l'agent de refroidissement passe à la phase gazeuse, un autre effet assez indésirable peut se produire à savoir que, si l'on prend moins de vapeur pour réduire la puissance de sortie, la près* sion de vapeur monte dans le noyau du réacteur par suite d'un arrêt ou d'une diminution de la vapeur, et l'augmentation résultante de la densité de la vapeur du noyau produit un coefficient de réactivité positif et une puissance accrue du noyau ce qui est l'opposé de l'effet désiré.
Des lors, afin de disposer d'une souplesse de oonstruc- tion et d'éviter ou de diminuer une partie ou tous les effets de réactivité indésirable qui viennent d'être mentionnés, la présente invention comprend un réacteur nucléaire comportant un noyau de combustible qui contient une série d'éléments allongés disposés dans une structure en réseau.
Conformément à une disposa tion de réseau donnée, certains éléments du noyau occupant des po- ,
<Desc/Clms Page number 3>
étions interstitielles contiennent des quantités relativement fi- xes de matériaux modérateurs et les autres éléments du noyau contiennent du combustible fissile. Bien que l'agent de refroidis- sement soit également le modérateur, la disposition générale peut aisément êtro- ajustée pour produire des conditions préférées pour l'agent de refroidissement et pour la réactivité sans qu'il n'y ait de crête de flux neutronique injustifiée par la modération totale préférée peut être fort bien stabilisée au moyen de la matière mo- dératrice relativement fixe et, de préférence, uniformément répar- tie,
saut dans certaines applications ou elle l'est non uniformément Si l'agent de refroidissement utilisé est l'eau, la modération tata- le préférée peut également être relativement stabilisée tandis qu'on obtient des conditions préférées pour l'agent de refroidis- sement en mélangeant de l'oxyde de deutérium (eau lourde) à l'agent de refroidissement dans des proportions diverses.
Cela étant, un des buts de l'invention est de fournir un réacteur nucléaire nouveau et rentable dans lequel les conditions thermiques, hydrauliques et les conditions de réactivité peuvent présenter une souplesse relative.
Un autrebut de l'invention est de fournir un réacteur nucléaire nouveau et rentable selon le paragraphe précédente dans lequel il se produit relativement pou de modification de la réacti- vite depuis le démarrage jusqu'aux conditions de fonctionnement*
On autre but de l'invention est de fournir un réacteur nucléaire nouveau et rentable selon le premier paragraphe, dans le- quel il y a ébullition de l'agent de refroidissement et dans lequel le coefficient de pression de réactivité positif habituel associé à une diminution de la demande de vapeur est nettement abaisse.
Un but encore de l'invention est de fournir un réacteur nouveau et rentable selon l'un ou l'autre des paragraphes précédents, dans lequel le réacteur comprend un noyau de combustible qui con- tient une série d'éléments allongés disposés dans une structure
<Desc/Clms Page number 4>
en réseau, les éléments étant divisés interstitiellement suivant un pian de réseau donné, en éléments contenant une quantité rela- tivement fixe de matériau modérateur et en éléments contenant du combustible fissile.
L'invention a également pour but de fournir un réacteur nucléaire nouveau et rentable selon le paragraphe précédent dans lequel de l'eau légère et de l'eau lourde en mélange constituent un fluide modérateur-agent de refroidissement pour le noyau de com- bustible.
Ces buts de l'invention et d'autres encore ressortiront plus clairement de la description donnée ci-après avec référence aux dessina annexés, dans lesquels; fige 1 est une vue en coupe verticale d'une.partie d'un réacteur nucléaire construit suivant les principes de la présente invention; fige 2 est une coupe transversale du réacteur nucléaire de la fige 1 suivant la ligne II-II de cette figure; tige 3 est une coupe transversale agrandie d'un des sous- ensembles de combustible du réacteur nucléaire des figs, 1 et 2; et, fige 4 est une coupe transversale agrandie d'un élément allongé utilisé dans le sous-ensemble de la fige 3.
Plus particulièrement, la fige 1 montre un réacteur nu- cléaire 10 construit suivant les principes de l'invention qui com- porte un noyau de combustible fissile 12 supporté à l'intérieur d' une cuve à pression métallique 14. Dans le cas envisagé un fluide constitué par de l'eau (eau légère ou mélange d'eau légère et d'eau lourde) est mis en circulation au travers du noyau de combustible
12 par un dispositif approprié, ce fluide servant de fluide modéra- . teur et d'agent de refroidissement et étant porté à ébullition (par le réglage du dispositif de mise en circulation) lorsqu'il s'élève dans le noyau de combustible 12 pour produire de la vapeur.
La vapeur qui s'élève et l'eauliquide éventuelle sont séparées
<Desc/Clms Page number 5>
par un dispositif approprie (non représenté) disposé à 1' intérieur de la cuve à pression 14 et au-dessus du noyau de combustible 12 et la vapeur est alors utilisée comme fluide de travail (par exemple ' pour entraîner une turbine) et l'eau liquide est ramenée au travers du noyau de combustible 12.
On notera également que le noyau de combustible 12 peut$ si on le désire, être contenu dans une cage 16 (mieux visible sur fig. 2) et est supporté par un dispositif approprié tel qu'un tambour 18 qui, à son tour, est supporté par une plaque inférieure de support (non représentée). Cette plaque est supportée par une bride (non représentée) faisant saillie raidialement vers Intérieur à partir de la cuve à pression 14.
En outre, un blindage pour les neutrons thermiques, ayant la forme d'un tambour, est également supporté par la bride dans cette disposition mécanique et des cham- bres annulaires 22 et 24 sont, de préférence, prévues pour assurer au moins la circulation nominale de l'agent de refroidissement entre la cuve à pression 14, le blindage thermique 21 et le tambour du noyau 18.
En utilisant la disposition de support qui vient d'être décrite ou une disposition analogue, le noyau de combustible 12 est pratiquement maintenu en place et grâce à l'emploi du blindage thermi que (constitué par un matériau tel que l'acier inoxydable ) l'échauf- fement nucléonique de la cuve à pression 14 est limite'
Le noyau de combustible 12 a une géométrie et une teneur en combustible fissile critiques, c'est-à-dire que la géométrie et la quantité de combustible fissile sont telles qu'elles entretien- nent une réaction nucléaire en chaîne suivant la théorie actuelle- ment largement répandue.
Par matériau fissile, il faut entendre que le matériau combustible est soit fertile, soit fissible, soit les deux, et par fertile il faut entendre que le matériau est soumis à une transformation en un matériau fissible. Du point de vue struo- ture, le noyau de combustible 12 comprend un nombre donné de un. ensembles de combustible allongés 26 qui peuvent avoir un contour plus ou moins rectangulaire ou autre et une série de barres de com-
<Desc/Clms Page number 6>
mande absorbant les neutrons 28, à section cruciforme ou autre, qui sont disposées de Manière appropriée pour être déplacées le long des divers sous-ensembles de combustible adjacents 26 pour contrôler le niveau de réactivité neutronique, 81 on le désira,
chaque barre de commande 28 peut être munie d'une charge complémentaire de combustible 30 (c'est-à-dire un élément de structure attaché conte- nant du combustible fissile) à proximité de son extrémité arrière (dans le présent cas 1 extrémité inférieure) de manière à réduire les crêtes de flux neutronique qui seraient provoquées par la présen- es de matériau modérateur dans l'espace dégagé par l'enlèvement de la barre de commande.
D'autres dispositifs de contrôle de la réacti- vite tels que des réflecteurs déplaçables peuvent être utilisés dans certaines applications, si on le désire,
Chaque sous-ensemble de combustible 26 comprend une série d'élément)* 32 en forme de barreaux allongea ou ayant toute autre forme disposés en une structure en réseau grâce à des disposi- tifs de support appropries. Par structure en réseau, il faut enten- dre que les barreaux 32 sont maintenus mécaniquement dans une dispo- sition en substance uniforme et ordonnée.
Ainsi, à titre d'exemple, les barreaux 32 peuvent s'étendre longitudinalement entre des pla- ques de support d'extrémité opposées 34 et 36 du sous-ensemble 26 qui, à leur tour, sont respectivement supportées par une plaque supérieure de support du noyau 38 et une partie inférieure de sup- port du noyau 40 du tambour 18. Les plaques de support d'extrémité 34 et 36 sont supportées de manière à être écartées grâce à une struc ture de châssis 42 et à des éléments ressemblant à des grilles (non représentés) fixés à la structure de châssis 42 à divers intervalles sur la longueur de celle-ci de manière à limiter le déplacement la- téral des barreaux 32.
Pour une description plus détaillée de cette disposition de support des barreaux 32, donnée à titre d'exemple, on se reportera au brevet n*601.970 intitulé "Disposition d'éléments combustibles pour un réacteur nucléaire*, de la Demanderesse.
<Desc/Clms Page number 7>
Ainsi qu'on le remarquera sur la tige 4, ehaoun des élé- sent ou barreaux 32 est muni d'un corps de revêtement de forme tubulaire allongée ou autre 44 en acier inoxydable, en un alliage de rirconium ou en un autre matériau de construction résistant à la corrosion et réduisant les neutrons. Des bouchons d'extrémité (non représentés) sont soudés ou fixée d'une autre manière aux extrémités de chaque corps de revêtement 44 de manière à sceller du combustible fissile (tel que des pastilles de bioxyde d'uranium enrichi) ou un matériau modérateur liquide ou solide (tel que l'hydrure de zirconium) dans les divers barreaux 32.
De manière classique, chacun des barreaux 32 contiendrait du combustible fissile omis dans leprésent cas, suivant les principes de l'invention, des élé- ments ou barreaux 32A répartis interstitiellement dans chaque sous- assemblage 26 suivant un plan de réseau donné contiennent un ma- tériau modérateur solide ou liquide. Par exemple suivant un plan tel que représenté, les barreaux modérateurs 32A sont chaque fois séparés par deux éléments 32 de la structure en réseau dans le sous- ensemble 26.
De cette manière, si, à titre d'exemple, les barreaux modérateurs 32A contiennent de l'hydrure de zirconium qui peut avoir une densité en atomes d'hydrogène modérateur** comparable à celle de l'eau, le rapport agent de refroidissement modérateur/volume de cota- bustible ou le rapport eau/volume de combustible peut être diminué (par un resserrement approprié du réseau) pour atteindre une réacti- vité donnée sans diminution du rapport modérateur/combustible.
Il est préférable que les barres modératrices 32A aient les di- mensions identiques à celles des autres barres de combustible 32 mais les dimensions et les formes relatives peuvent être différentes lorsqu'on désire disposer d'une souplesse constructive supplémentai- re de la réactivité si le flux neutronique qui en résulte ou la dis- torsion du flux de l'agent de refroidissement n'est pas alors trop prohibitif.
<Desc/Clms Page number 8>
Dès lors$ une souplesse de construction de la réactivité considérable est assurée par l'emploi de l'invention car les ca- ractéristiques désirées de transfert thermique et les caractéristi- ques hydrauliques peuvent être obtenues en modifiant le rapport agent de refroidis sèment/modérateur ou eau/combustible sans altérer dans une mesure importante le rapport total modérateur/combustible, Des caractéristiques ou des paramètres préférés pour la réactivité et l'agent de refroidissement qui seraient normalement en conflit peuvent dès lors être obtenues.
En outre, si le réacteur nucléaire 10 est un réacteur à eau sous pression ou analogue, le coefficient négatif de réactivité provoqué par la différence entre la tempéra- ture de démarrage et la température de fonctionnement peut être réduit de manière considérable à la valeur minimum qui est requi- se pour des considérations de sécurité, en modifiant la quantité de modérateur fixe assurée par les barreaux de modérateur 32A.
Dans le cas d'un réacteur à eau bouillante, donc le cas illustré ici, le coeffient de réactivité de pression positif provoqué par une diminution de la demande en vapeur peut être diminué nettement par le choix du nombre ou de la configuration des barreaux de modérateur 32A car la modération totale ne dépend pas alors dans une telle mesure des modifications de la densité de l'eau ou de la vapeur agissant comme agent' ,de refroidissement.
En outre, les meil- leurs effets de fonctionnement obtenus grâce à l'utilisation de l'invention ne sont pas diminués par la formation de crêtes indési- rables de flux neutronique comme c'est généralement le cas lorsque des quantités fixes de modération sont prévues dans des emplacements massifs plutôt que dans des emplacements répartis interstitiellement comme prévu ici.
Si on le désire, le matériau modérateur dans les barreaux de modérateur 32A peut être constitué par un fluide, comme un liqui- de organique et dans ce cas, il peut même constituer un système sé- paré de fluide (non représenté). En pareil cas, le fluide agissant
<Desc/Clms Page number 9>
comme Modérateur (ayant de préférence des caractéristiques modératri- ces relativement Indépendantes des variations usuelles de la tempéra- ture) est périodiquement ou continuellement mis en circulation à partir des barreaux modérateurs 32A par des conduites (non repré- sentées) qui y sont attachées vers l'unité de stockage des matières radio-actives où le matériau modérateur est traité et ensuite ra- mené vers les barreaux de Modérateur 32A.
Lorsque le réacteur nucléaire 10 est un réacteur à eau bouillante ou un réacteur à eau sous pression. les effets sur la réactivité et sur la modération obtenue grâce à la présente in- vention peuvent également ttre commandés séparément ou supplémen- tairement en prévoyant comme agent de refroidissement-modéra- teur un mélange d'eau ordinaire (eau légère) et d'oxyde de dent'. rium (eau lourde)suivant des proportions données, Cela est dû au fait que l'oxyde de deutérium a un effet nettementmoins modéra- teur sur les neutrons de fission que l'eau ordinaire à cause de sa structure atomique plus lourde et qu'il diminue, dès lors$ encore la proportion de modération totale fournie par l'agent de refroidisse- ment-modérateur.
La description qui précède a été donnée uniquement pour faire comprendre les principes de l'invention. Il est donc bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et que des modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.