Pot de stockage et de manutention d'un assemblage combustible nucléaire
La présente invention a pour objet un pot de stockage et de manutention d'un assemblage combustible nucléaire, comportant des moyens de circulation d'un fluide de refroidissement dudit assemblage, notamment d'un métal liquide. Un tel pot de stockage et de manutention est utilisable notamment dans un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide.
Pour décharger des assemblages combustibles irradiés hors d'un réacteur de ce type, on utilise, de manière classique, des pots de stockage et de manutention remplis de métal liquide, notamment de sodium. Les assemblages combustibles sont immergés dans ce métal liquide au cours de leur transfert, et la chaleur résiduaire qu'ils produisent est évacuée par conductibilité thermique au travers du métal liquide jusqu'aux parois du pot de manutention, et de là par rayonnement thermique, conductibilité et convection naturelle à l'extérieur du pot.
Le refroidissement des assemblages ainsi assuré est généralement suffisant lorsque le pot de manutention est immergé dans le métal liquide du réacteur ou lorsqu'il se trouve dans une hotte de manutention à l'extérieur du réacteur. Mais au cours du transfert, entre le réacteur et cette hotte, le pot peut rester bloqué dans des positions défavorables. Tel est le cas notamment si le pot est arrêté, à l'intérieur du réacteur, juste au-dessus du niveau du métal liquide dans ce dernier, c'est-à-dire dans l'atmosphère de gaz neutre qui surmonte le métal liquide.
En effet, la résistance axiale du pot de manutention au flux de chaleur est importante, et dans ces positions défavorables les parois du pot de manutention ne participent que partiellement à l'évacuation de la chaleur de désactivation des assemblages par rayonnement et convection naturelle.
Un objectif essentiel de l'invention est de permettre, même en cas de panne des engins de manutention bloquant le pot contenant des assemblages irradiés dans une position défavorable, d'évacuer la chaleur de désactivation des assemblages sans que ceux-ci puissent atteindre des températures dangereuses, pour leur gaine par exemple. Un autre objectif est de permettre de conserver un assemblage irradié, dans son pot de stockage et de manutention, dans une zone de stockage provisoire à l'intérieur du réacteur, mais dans l'atmosphère du gaz neutre et non dans la masse de métal liquide, jusqu'à ce que la désactivation soit suffisante pour permettre le transfert vers la piscine de stockage extérieure au réacteur.
Le pot de stockage et de manutention d'un assemblage combustible nucléaire selon l'invention, comportant des moyens de circulation d'un fluide de refroidissement dudit assemblage, notamment d'un métal liquide, est caractérisé en ce que, ledit fluide étant conducteur de l'électricité, lesdits moyens comportent au moins une conduite de circulation dudit fluide, des moyens pour créer dans ladite conduite un champ magnétique transversal, deux jonctions de matériaux thermoélectriques en contact thermique, I'une avec ledit fluide et l'autre avec un radiateur extérieur aux parois du pot, le circuit électrique entre lesdites jonctions étant fermé par ledit fluide dans ladite conduite selon une direction transversale perpendiculaire audit champ magnétique en sorte qu'une force électromagnétique provoque la circulation du fluide.
En fonctionnement, par suite de la chaleur de désactivation de l'assemblage combustible, les deux jonctions thermoélectriques se trouvent maintenues à des températures différentes, ce qui donne naissance à un courant électrique qui, en conjonction avec le champ magnétique provoque la circulation du fluide de refroidissement. En d'autres termes, le pot selon l'invention comporte une pompe électromagnétique à générateur thermoélectrique incorporé pour faire circuler le fluide de refroidissement (métal liquide notamment) autour ou au travers de l'assemblage et contre les parois du pot. On utilise ainsi,
pour assurer la circulation de ce fluide, l'énergie thermi
que normalement perdue que constitue la chaleur de désactivation d'éléments combustibles irradiés; le mauvais rendement du générateur thermoélectrique ne peut alors faire obstacle à la rentabilité d'exploitation de la pompe.
Il est possible ainsi, grâce à la circulation du fluide contenu dans le pot au travers des assemblages, de faciliter le transfert de chaleur aux parois du pot et de réduire les différences de température dans celui-ci, en faisant donc participer, de façon plus efficace, toute la surface du pot au rayonnement et à la convection naturelle assurant l'évacuation de la chaleur.
Un pot de stockage et de manutention répondant à la définition susmentionnée permet d'assurer cette circulation de manière indépendante et sans faire appel à aucune source d'énergie extérieure, grâce à une pompe électromagnétique dans laquelle un courant électrique est créé dans le métal liquide par la différence de température entre ce fluide et un radiateur extérieur aux parois du pot, différence de température due à la chaleur de désactivation de l'assemblage combustible.
On décrit ci-après, à titre d'exemples, des modes de réalisation particuliers d'un pot de stockage et de manutention d'assemblage combustible irradié conforme à l'invention. Cette description se réfère aux fig. 1 à 6, dans lesquelles:
la fig. 1 représente une pompe électromagnétique à générateur thermoélectrique incorporé équipant le pot de stockage et de manutention en question,
la fig. 2 représente une variante de la pompe de la fig. 1,
la fig. 3 est une vue schématique, en coupe longitudinale partielle, du pot de stockage et de manutention,
la fig. 4 représente, à plus grande échelle, la partie inférieure du pot de la fig. 3 et montre, en particulier, les pompes de circulation du métal liquide,
la fig. 5 est une coupe transversale du pot de manutention au niveau des pompes, et
la fig. 6 représente une variante du pot de la fig. 4.
La pompe de la fig. 1, utilisée en particulier pour assurer la circulation d'un métal liquide tel que le sodium, est une pompe électromagnétique à conduction, dans laquelle le courant est produit par un générateur thermoélectrique incorporé à la pompe.
Cette pompe comporte: - une conduite 1 de section rectangulaire, dans laquelle
circule le métal liquide, - deux jambes 2 et 3 fabriquées en des matériaux pré
sentant des puissances thermoélectriques très diffé
rentes, par exemple, I'une en fer et l'autre en
constantan, - un radiateur 4, constitué dans le cas particulier décrit
par une chemise d'acier inoxydable remplie de
sodium liquide, - des aimants permanents 5 et 6, de part et d'autre de
la conduite 1, qui créent un champ magnétique trans
versal dans cette conduite.
La pompe décrite comporte deux jonctions thermoélectriques, dont l'une est en contact thermique avec le métal liquide circulant dans la conduite 1 et dont l'autre est en contact avec le radiateur 4 qui, par échange thermique avec l'atmosphère extérieure, permet de la maintenir à une température différente de celle du métal liquide. Dans la réalisation particulière de la fig. 1, chacune des jambes 2 et 3 est soudée d'une part sur les
parois de la conduite 1 (elle est donc en contact thermi
que et électrique avec le sodium qui y circule) et, d'autre
part, sur les parois du radiateur 4. Des baffles en chicane
8 constituent un écran thermique entre la conduite 1 et le
radiateur 4.
Lorsque le radiateur 4 est maintenu, par exemple par
refroidissement, à une température différente de celle du métal liquide présent dans la conduite 1, les extrémités des jambes 2 et 3 se trouvent à des températures différentes, et un courant électrique prend naissance dans le circuit électrique fermé d'une part, par le sodium contenu dans la conduite 1 et d'autre part par le radiateur 4. La présence de sodium liquide dans ce dernier permet de réduire la résistance électrique du circuit et, par ailleurs de faciliter l'échange de chaleur avec l'extérieur au niveau du radiateur.
La disposition relative des aimants 5 et 6 et des jambes 2 et 3 en matériaux thermoélectriques est choisie de manière que le courant électrique passe dans la conduite 1 dans une direction perpendiculaire à celle du champ magnétique créé. L'action conjuguée du courant et du champ magnétique assure alors la circulation du métal liquide. Les parois de la conduite rectangulaire 1, sur les faces situées contre les aimants, présente une résistance électrique élevée, de sorte que le passage du courant au travers du métal liquide soit favorisé. Elles sont par exemple recouvertes d'une couche céramique isolante.
Conformément à une variante, les jambes 2 et 3 peuvent être soudées l'une à l'autre à une extrémité, la soudure étant en contact thermique avec le radiateur. Par ailleurs, ce dernier peut être remplacé par tout autre moyen pour maintenir cette extrémité des jambes à une température différente de celle du métal liquide dans la conduite de circulation.
La fig. 2 illustre une autre variante de cette pompe dans laquelle le sodium mis en circulation constitue l'un des matériaux thermoélectriques. L'autre matériau thermoélectrique, constitué par exemple de constantan, se présente sous la forme d'un cadre 10 entourant ou délimitant la conduite 1 de circulation du métal liquide. Un revêtement céramique assure l'isolement électrique entre le cadre 10 et le métal liquide sur deux faces opposées de la conduite.
Par contre, aux deux faces extrêmes, le matériau thermoélectrique est en contact thermique et électrique avec le métal liquide. L'une 11 de ces faces constitue la jonction chaude du couple thermoélectrique. Au voisinage de l'autre face 13, constituant la jonction froide, des chicanes 12 font obstacle à la circulation du métal liquide. Le métal liquide statique est alors refroidi au travers du cadre 10 par le radiateur 4.
On décrira maintenant un pot de manutention pour assemblage combustible qui utilise des pompes conformes au mode de réalisation décrit ci-dessus en référence à la fig. 1, étant bien entendu que le même pot pourrait être équipé, de la même manière, de pompes conformes aux autres modes de réalisation.
Ce pot de manutention est représenté sur les fig. 3, 4 et 5. Il est cylindrique et contient selon son axe, une cellule 14 de réception d'un assemblage combustible 15.
Cette cellule ménage avec les parois 16 du pot un espace annulaire 17 qui communique avec l'intérieur de la cellule à la tête de l'assemblage.
Au pied de ce pot de manutention sont adaptées quatre pompes hydromagnétiques à générateur thermoélectrique incorporé 18. Ces quatre pompes (fig. 5) entourent un prolongement axial 20 de la cellule 14 et leurs conduites respectives telles que 22 assurent la communication entre la cellule 14 et l'espace annulaire 17.
En fonctionnement, le pot de manutention est rempli de métal liquide et les pompes provoquent la circulation de ce métal liquide entre la chambre annulaire 17 et l'intérieur de l'assemblage 15. Le métal liquide assure alors le transfert de chaleur entre l'assemblage et les parois du pot.
Lorsqu'un assemblage irradié est extrait du coeur d'un réacteur et mis en place dans le pot de manutention pour être transféré à l'extérieur du réacteur, la chaleur de désactivation dégagée par l'assemblage provoque un échauffement du métal liquide par rapport au milieu extérieur. Un flux de chaleur s'établit alors entre la conduite de métal liquide 22 et le radiateur de chaque pompe. Un courant électrique prend naissance dans le circuit fermé par le sodium contenu dans ces conduites 22 et sous l'action du champ magnétique créé par les aimants permanents, provoque la circulation du métal liquide.
La chaleur dégagée par l'assemblage irradié est ainsi transférée par le métal liquide aux parois du pot de manutention d'où elle est évacuée par échange thermique avec l'atmosphère environnante. La majeure partie de cette chaleur est évacuée par les parois du pot, et seule une faible fraction est rejetée dans l'atmosphère par les radiateurs associés aux pompes de circulation.
Le pot de manutention décrit permet donc de faciliter le refroidissement d'un assemblage irradié en utilisant comme source d'énergie une partie de la chaleur de désactivation même de l'assemblage irradié. L'ensemble est autonome, comptact et peu coûteux. Il présente une grande sécurité de fonctionnement car il ne comporte aucune partie mécanique en mouvement. En outre, il possède des caractéristiques d'autocontrôle de la température du métal liquide dans lequel baigne l'assemblage irradié, puisque le fonctionnement des pompes est régi par la température du métal liquide en circulation.
L'efficacité de refroidissement ainsi assurée permet d'éviter tout accident dû à une élévation de température anormale, lorsque, au cours d'un transfert le pot de manutention reste bloqué dans une position où le refroidissement de ses parois est peu efficace. En outre, avant de décharger les assemblages irradiés à l'extérieur du réacteur, les pots de manutention peuvent être entreposés temporairement dans l'atmosphère de gaz inerte du réacteur, et non plus nécessairement dans le métal liquide, jusqu'à atteindre une décroissance suffisante de la chaleur de désactivation. La circulation du métal liquide de refroidissement dans le pot de stockage étant indépendante de celle de la masse de métal liquide assurant le refroidissement du coeur du réacteur en fonctionnement, on ne risque pas de contaminer celle-ci lorsque par exemple, la gaine de l'assemblage évacué a été endommagée.
A titre d'exemple, une puissance de pompage de 0,134 Watt peut être assurée au moyen de quatre pompes présentant les caractéristiques suivantes: - Débit de Na pour chaque pompe : 57 gr/sec - Dimensions de la section de pompage: 0,5 cm X
4,5 cm - Hauteur de la pompe : 11,2 cm - Surface du radiateur: N 132cm2 - Distance entre les soudures chaudes et froides : 5 cm - Intensité du champ magnétique: 550 gauss - Matériaux du couple thermoélectrique: Fer-Constan
tan - Epaisseur de constantan: 2 cm - Epaisseur de fer: 1,05 cm - Diamètre d'encombrement des quatre pompes : 20 cm -- Hauteur: 10 cm.
On obtient pour chaque pompe-générateur une puissance utile de 0,03475 Watt avec un rendement de 0,021 %.
Une variante du pot de manutention décrite ci-dessus est illustrée par la fig. 6. Dans cette variante, les pompes de circulation du métal liquide sont disposées dans la partie médiane du pot et elles sont revêtues d'une couche d'isolant électrique de manière à en permettre le fonctionnement lorsque le pot est immergé dans le métal liquide contenu dans la cuve d'un réacteur.
Storage and handling container of a nuclear fuel assembly
The present invention relates to a container for the storage and handling of a nuclear fuel assembly, comprising means for circulating a cooling fluid of said assembly, in particular a liquid metal. Such a storage and handling container can be used in particular in a nuclear reactor cooled by a liquid metal.
In order to unload irradiated fuel assemblies from a reactor of this type, use is conventionally made of storage and handling pots filled with liquid metal, in particular sodium. The fuel assemblies are immersed in this liquid metal during their transfer, and the waste heat they produce is dissipated by thermal conductivity through the liquid metal to the walls of the handling vessel, and from there by thermal radiation, conductivity and natural convection outside the pot.
The cooling of the assemblies thus ensured is generally sufficient when the handling pot is immersed in the liquid metal of the reactor or when it is in a handling hood outside the reactor. But during the transfer, between the reactor and this hood, the pot can remain blocked in unfavorable positions. This is the case in particular if the pot is stopped, inside the reactor, just above the level of the liquid metal in the latter, that is to say in the atmosphere of neutral gas which overcomes the liquid metal. .
In fact, the axial resistance of the handling pot to the heat flow is high, and in these unfavorable positions the walls of the handling pot only partially participate in the removal of the deactivation heat of the assemblies by radiation and natural convection.
An essential objective of the invention is to allow, even in the event of a breakdown of the handling equipment blocking the pot containing irradiated assemblies in an unfavorable position, to remove the deactivation heat of the assemblies without the latter being able to reach temperatures. dangerous, for their sheath for example. Another objective is to make it possible to keep an irradiated assembly, in its storage and handling container, in a temporary storage area inside the reactor, but in the atmosphere of neutral gas and not in the mass of liquid metal. , until the deactivation is sufficient to allow transfer to the storage pool outside the reactor.
The storage and handling pot of a nuclear fuel assembly according to the invention, comprising means for circulating a fluid for cooling said assembly, in particular a liquid metal, is characterized in that, said fluid being a conductor of electricity, said means comprise at least one pipe for circulation of said fluid, means for creating in said pipe a transverse magnetic field, two junctions of thermoelectric materials in thermal contact, one with said fluid and the other with a radiator outside the walls of the pot, the electrical circuit between said junctions being closed by said fluid in said pipe in a transverse direction perpendicular to said magnetic field so that an electromagnetic force causes the fluid to circulate.
In operation, as a result of the deactivation heat of the fuel assembly, the two thermoelectric junctions are maintained at different temperatures, which gives rise to an electric current which, in conjunction with the magnetic field causes the circulation of the fluid of cooling. In other words, the pot according to the invention comprises an electromagnetic pump with a built-in thermoelectric generator to circulate the cooling fluid (in particular liquid metal) around or through the assembly and against the walls of the pot. We thus use,
to ensure the circulation of this fluid, the thermal energy
that normally wasted heat from the deactivation of irradiated fuel elements; the poor efficiency of the thermoelectric generator can not then hinder the operating profitability of the pump.
It is thus possible, thanks to the circulation of the fluid contained in the pot through the assemblies, to facilitate the transfer of heat to the walls of the pot and to reduce the temperature differences therein, thus involving more efficient, the entire surface of the pot to radiation and natural convection ensuring heat dissipation.
A storage and handling pot meeting the aforementioned definition makes it possible to ensure this circulation independently and without calling on any external energy source, thanks to an electromagnetic pump in which an electric current is created in the liquid metal by the temperature difference between this fluid and a radiator outside the walls of the pot, temperature difference due to the deactivation heat of the fuel assembly.
Specific embodiments of an irradiated fuel assembly storage and handling container in accordance with the invention are described below by way of example. This description refers to figs. 1 to 6, in which:
fig. 1 shows an electromagnetic pump with a built-in thermoelectric generator fitted to the storage and handling container in question,
fig. 2 shows a variant of the pump of FIG. 1,
fig. 3 is a schematic view, in partial longitudinal section, of the storage and handling container,
fig. 4 shows, on a larger scale, the lower part of the pot of FIG. 3 and shows, in particular, the liquid metal circulation pumps,
fig. 5 is a cross section of the handling pot at the pumps, and
fig. 6 shows a variant of the pot of FIG. 4.
The pump of fig. 1, used in particular to ensure the circulation of a liquid metal such as sodium, is an electromagnetic conduction pump, in which the current is produced by a thermoelectric generator incorporated in the pump.
This pump comprises: - a pipe 1 of rectangular section, in which
the liquid metal circulates, - two legs 2 and 3 made of pre-
sensing very different thermoelectric powers
annuities, for example, one in iron and the other in
constantan, - a radiator 4, constituted in the particular case described
by a stainless steel jacket filled with
liquid sodium, - permanent magnets 5 and 6, on either side of
line 1, which create a trans magnetic field
versal in this conduct.
The pump described comprises two thermoelectric junctions, one of which is in thermal contact with the liquid metal circulating in the pipe 1 and the other of which is in contact with the radiator 4 which, by heat exchange with the external atmosphere, makes it possible to keep it at a temperature different from that of the liquid metal. In the particular embodiment of FIG. 1, each of the legs 2 and 3 is welded on the one hand to the
walls of pipe 1 (it is therefore in thermal contact
that and electric with the sodium circulating therein) and, other
part, on the walls of the radiator 4. Baffles in baffle
8 constitute a heat shield between pipe 1 and the
radiator 4.
When the radiator 4 is maintained, for example by
cooling, to a temperature different from that of the liquid metal present in pipe 1, the ends of legs 2 and 3 are at different temperatures, and an electric current is generated in the closed electric circuit on the one hand, by sodium contained in line 1 and on the other hand by the radiator 4. The presence of liquid sodium in the latter makes it possible to reduce the electrical resistance of the circuit and, moreover, to facilitate the exchange of heat with the outside at the level of the radiator .
The relative arrangement of the magnets 5 and 6 and of the legs 2 and 3 made of thermoelectric materials is chosen so that the electric current passes through the pipe 1 in a direction perpendicular to that of the magnetic field created. The combined action of the current and the magnetic field then ensures the circulation of the liquid metal. The walls of the rectangular pipe 1, on the faces situated against the magnets, have a high electrical resistance, so that the passage of current through the liquid metal is favored. They are for example covered with an insulating ceramic layer.
According to a variant, the legs 2 and 3 can be welded to one another at one end, the weld being in thermal contact with the radiator. Moreover, the latter can be replaced by any other means to maintain this end of the legs at a temperature different from that of the liquid metal in the circulation pipe.
Fig. 2 illustrates another variant of this pump in which the sodium circulated constitutes one of the thermoelectric materials. The other thermoelectric material, consisting for example of constantan, is in the form of a frame 10 surrounding or delimiting the pipe 1 for circulation of the liquid metal. A ceramic coating provides electrical insulation between the frame 10 and the liquid metal on two opposite faces of the pipe.
On the other hand, at the two end faces, the thermoelectric material is in thermal and electrical contact with the liquid metal. One 11 of these faces constitutes the hot junction of the thermoelectric couple. In the vicinity of the other face 13, constituting the cold junction, baffles 12 obstruct the circulation of the liquid metal. The static liquid metal is then cooled through the frame 10 by the radiator 4.
A handling pot for a fuel assembly will now be described which uses pumps according to the embodiment described above with reference to FIG. 1, it being understood that the same pot could be equipped, in the same way, with pumps according to the other embodiments.
This handling pot is shown in FIGS. 3, 4 and 5. It is cylindrical and contains along its axis a cell 14 for receiving a fuel assembly 15.
This cell forms with the walls 16 of the pot an annular space 17 which communicates with the interior of the cell at the head of the assembly.
At the foot of this handling pot are fitted four hydromagnetic pumps with incorporated thermoelectric generator 18. These four pumps (fig. 5) surround an axial extension 20 of the cell 14 and their respective pipes such as 22 ensure communication between the cell 14 and annular space 17.
In operation, the handling pot is filled with liquid metal and the pumps cause the circulation of this liquid metal between the annular chamber 17 and the interior of the assembly 15. The liquid metal then ensures the transfer of heat between the assembly. and the sides of the pot.
When an irradiated assembly is extracted from the core of a reactor and placed in the handling pot to be transferred outside the reactor, the deactivation heat given off by the assembly causes the liquid metal to heat up relative to the external environment. A heat flow is then established between the liquid metal pipe 22 and the radiator of each pump. An electric current originates in the closed circuit by the sodium contained in these conduits 22 and under the action of the magnetic field created by the permanent magnets, causes the circulation of the liquid metal.
The heat released by the irradiated assembly is thus transferred by the liquid metal to the walls of the handling container from where it is removed by heat exchange with the surrounding atmosphere. Most of this heat is removed through the walls of the pot, and only a small fraction is released into the atmosphere by the radiators associated with the circulation pumps.
The handling pot described therefore makes it possible to facilitate the cooling of an irradiated assembly by using as an energy source a part of the deactivation heat itself of the irradiated assembly. The set is autonomous, compact and inexpensive. It offers great operating safety because it does not include any moving mechanical part. In addition, it has the characteristics of self-monitoring of the temperature of the liquid metal in which the irradiated assembly bathes, since the operation of the pumps is governed by the temperature of the circulating liquid metal.
The cooling efficiency thus ensured makes it possible to avoid any accident due to an abnormal rise in temperature, when, during a transfer, the handling pot remains blocked in a position where the cooling of its walls is inefficient. In addition, before unloading the irradiated assemblies outside the reactor, the handling pots can be stored temporarily in the inert gas atmosphere of the reactor, and no longer necessarily in the liquid metal, until a sufficient decrease is reached. deactivation heat. The circulation of the cooling liquid metal in the storage pot being independent of that of the liquid metal mass ensuring the cooling of the reactor core in operation, there is no risk of contaminating it when, for example, the sheath of the evacuated assembly was damaged.
For example, a pumping power of 0.134 Watt can be provided by means of four pumps with the following characteristics: - Na flow rate for each pump: 57 gr / sec - Dimensions of the pumping section: 0.5 cm X
4.5 cm - Pump height: 11.2 cm - Radiator surface: N 132cm2 - Distance between hot and cold welds: 5 cm - Magnetic field strength: 550 gauss - Thermoelectric couple materials: Fer-Constan
tan - Constantan thickness: 2 cm - Iron thickness: 1.05 cm - Overall diameter of the four pumps: 20 cm - Height: 10 cm.
A useful power of 0.03475 Watt is obtained for each pump-generator with an efficiency of 0.021%.
A variant of the handling pot described above is illustrated in FIG. 6. In this variant, the liquid metal circulation pumps are arranged in the middle part of the pot and they are coated with a layer of electrical insulation so as to allow operation when the pot is immersed in the liquid metal contained. in the reactor vessel.