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.5;::''..atß^:"A de refroidissant du 4r :f.3.3 Qualification proposée : BREVET D'INVENTION
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La présente invention est relative à une installation de refroidissement du coeur d'un réacteur nucléaire par un gaz sous pression circulant en circuit fermé afin de récupérer l'énergie dégagée par le réacteur qui est aussi simultanément refroidi.
Actuellement pour évacuer la chaleur dégagée par un réacteur nucléaire dans le but d'en récupérer l'énergie, il est possible d'avoir recours à divers systèmes de refroidissement qui se distinguent l'un de l'autre par l'espèce de milieu de refroidisse- ment utilisé et par le mode de constructions Parmi ces systèmes de refroidissement, on connaît notamment ceux dans lesquels une quantité limitée du milieu de refroidissement accomplit un circuit fermé. Comme milieu de refroidissement il est connu d'employer un gaz sous pression possédant les propriétés voulues; ce gaz qui peut être du CO2 ou de l'hélium, mis sous une pression de 35 à 100 kg/cm2, traverse le coeur du réacteur où il s'échauffe au contact des éléments combustibles de sorte qu'à la sortie du réacteur sa chaleur sensible est élevée.
Pour transformer cette chaleur.sensible en énergie mécanique puis en énergie électrique on a généralement recours à l'un ou l'autre des deux systèmes suivants:
Dans un premier système, un milieu de refroidissement circulant dans un circuit primaire absorbe la chaleur du réacteur et la oransfère, dans un échangeur de chaleur,au milieu de refroidissement d'un circuit secondaire qui contient de la vapeur d'eau saturée ou surchauffée qui est ensuite détendue dans une turbine à vapeur entratnant un alternateur*
Si le cycle thermodynamique exécuté dans ce premier système fournit un rendement assez bon, de l'ordre de 42%, les installations de la réalisation pratique sont importantes étant donné les grandes dimentsions de l'échangeur, ce qui les rend
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très coûteuses;
de plus, du fait même de la nature de l'échangeur, les échanges calorifiques exigent obligatoirement un certain temps de sorte que les installations de cette espèce offrent une certaine inertie qui fait qu'elles ne sont utilisables que pour la production de l'énergie électrique pour satisfaire les besoins normaux des consommateurs raccordés au réseau alimenté par l'alternateur; il n'est pas possible avec ce système de modifier les conditions thermodynamiques dans l'échangeur pour satisfaire aux pointes de consommation dans le réseau; en outre, les installations réalisées suivant ce premier système ne sont, par ailleurs, valables que pour des réacteurs très puissants, de plus de 600 MW.
Dans un second système, le gaz sous pression employé comme milieu refroidissant sort du réacteur à haute température et sous forte pression, est détendu dans une turbine à gaz, puis refroidi et enfin recomprimé et reconduit au réacteur.
Dans ce cas, on ne peut détendre le gaz sortant du réacteur jusqu'à des pressions très basses parce quo le gain énergétique obtenu serait perdu lors du travail de recompreasion nécessaire pour ramener le gaz à la pression et à la température d'entrée dans le réacteur.
Par contre, ce système est avantageux étant donné sa faible inertie car le gaz sortant du réacteur se détend directement ce qui permet une évolution rapide des températures de sorte que des vdriations importantes du débit de gaz soumis à la détente sont possibles. En outre, le système est moins cher, moins encombrant vu qu'il ne comporte pas d'échangeur de chaleur mais malheureusement son rendement est assez médiocre et ne dépasse pas 25%.
Cependant on peut dans ce système augmenter le rendement
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mais alors on doit disposer d'échangeurs récupérateurs volumineux augmentant sensiblement le prix de l'installation.
Le problème à la base de l'invention est de fournir une installation de refroidissement du coeur d'un réacteur nucléaire ne présentant ni l'inertie ni l'encombrement du système à échangeur de chaleur mais offrant à peu près son rendement tout en ayant la eouplesse de fonctionnement d'une installation de refroidissement à détente de gaz.
Dans ce but, selon l'invention, une installation de refroidissement du coeur d'un réacteur nucléaire par un gaz sous pression circulant en circuit fermé afin de récupérer l'énergie dégagée par le dit réacteur et de refroidir celui-ci comporte une turbine pour la détente du gaz et dont la sortie est raccordée à l'entrée du circuit primaire d'un échangeur de chaleur dont la sortie est reliée à un compresseur qui est lui- même relié au réacteur en passant par un refroidisseur, la sortie du circuit secondaire de l'échangeur étant reliée à une turbine à vapeur suivie d'un condenseur puis d'une pompe ramenant l'eau condensée à l'entrée dudit circuit secondaire.
Dans une réalisation, la turbine à gaz entraîne le compresseur et un premier alternateur alors que la turbine à vapeur entraine un second alternateur.
Grâce à cette disposition le second alternateur répond aux demandes usuelles de courant du réseau tandis que le premier alternateur par suite du démarrage rapide et des fluctuations de charge peut répondre aux demandes de courant extraordinaires c'est-à-dire aux pointes de consommation.
D'autres particularités pourront apparaître dans la description suivante des dessins annexés dans lesquels la figura est une vue schématique d'une installation réalisée
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suivant l'invention, montrée à titre d'exemple non limitatifs
Dans l'installation considérée, le gaz de refroidissement qui est, par exemple du CO2, sort du réacteur 1 à une température de l'ordre de 600 C et sous une pression d'environ 100 ata et est mené par le conduit 2 suivant la flèche X à l'entrée 3a d'une turbine à détente 3; à la sortie de celle-ci le gaz se trouve à environ 470 C sous une pression d'environ 30 ata.
La sortie 3b de la turbine à gaz 3 est reliée à l'entrée 4a du circuit primaire d'un échangeur de chaleur 4 qui peut être à circulation naturelle forcée ou contrôlée; à la sortie $b du circuit primaire la température du gaz est tombée à environ 230 C. Par le conduit 5, suivant la flèche X, le gaz est mené au compresseur 6 dont il sort par 6b pour être ramené au réacteur 1 par le conduit 7. Un échangeur de récupération 13 placé à la sortie du circuit primaire peut faire tomber la température du gaz à environ 40 C; cet échangeur 13 communique avec un échangeur de réchauffage 15 placé à la sortie du compresseur et fait passer la température du gaz à cet endroit à environ 70 C.
Il est bien entendu que les échangeurs 13 et 15 peuvent constituer un seul et un même échangeur sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un fluide intermédiaire par exemple.
Entre pertaine étages du compresseur est monté un refroidisseur intermédiaire 14 pouvant même provoquer des condensations.
Le réglage de l'échangeur de récupération 13 et du refroidisseur 14 permet d'obtenir un travail de compression minimum.
Le compresseur 6 est entraîné par la turbine 3 qui entraîne aussi directement un premier alternateur 16.
Dans le circuit secondaire de l'échangeur 4 circule de la vapeur d'eau qui passe d'une température d'environ 230 C à environ 460 C, sa pression étant alors de l'ordre de 40kg/cm2.
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La vapeur sortant du secondaire de l'échangeur 4 est menée par le conduit 6 à une turbine à vapeur 9, qui entraîne directement un second alternateur 17. La vapeur d'eau sortant détendue de la turbine 9 est condensée dans le condenseur 10 et l'eau ainsi obtenue est ramenée, par la canalisation 11, à l'inter- vention de la pompe 12, à l'entrée du circuit secondaire de l'échangeur 4'
Le rendement d'ensemble de l'installation est d'environ 42% et donc supérieur à tout rendement actuellement connu.
Les frais occasionnés par une installation suivant l'invention ne dépassent ceux d'une installation connue à refroidissement par un gaz que par l'adjonction d'une turbine et d'un alternateur.
Diverses modifications peuvent être apportées à l'instal- lation décrite sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi le réacteur peut être pourvu de plusieurs circuits de refroidissement j dont les gaz sont amenés à un collecteur unique alimentant la turbine à gaz ou les gaz de chaque circuit sont menés à des ; turbines séparées; de plus, les turbines peuvent être à plusieurs étages; en outre, les turbines peuvent être séparées en turbines fournissant la puissance pour la compression et celles fournissant ! directement la puisnance à l'alternateur.
Un avantage d'une installation telle que celle qui est décrite consiste en ce qu'elle permet de satisfaire aux demandes ordinaires de courant dans d'excellentes conditions de rende- ment tout en permettant de répondre aux demandes de pointes de @ courant par la variation du débit de gaz admis à la turbine ce qui suppose évidemment une synchronisation avec les mouvements des barres de réglage du réacteur pour obtenir un débit de gaz accru ou diminué.
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Le système décrit ae prête très bien à la réalisation d'une installation dite intégrée, c'est-à-dire une installation dans laquelle le réacteur, les turbines,les compresseurs et échangeurs sont située dans la même enceinte sous pression*
Une variante possible et particulièrement intéressante à la fois aux points de vue vestissements et constructif est la suivantes le groupe turbine-compresseur n'entraîne pas d'alternateur et ne fournit donc aucune puissance mécanique externe mais il est utilisé uniquement pour produire une circulation très intense du gaz de refroidissement ce qui se traduit par une diminution sensible des dimensions des échangeurs de chaleur.
REVENDICATIONS.
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.5; :: '' .. atß ^: "A of 4r coolant: f.3.3 Proposed qualification: PATENT OF INVENTION
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The present invention relates to an installation for cooling the core of a nuclear reactor with a pressurized gas circulating in a closed circuit in order to recover the energy released by the reactor which is also simultaneously cooled.
Currently to remove the heat released by a nuclear reactor in order to recover energy, it is possible to have recourse to various cooling systems which are distinguished from each other by the kind of medium of Cooling used and by the method of construction Among these cooling systems, there are especially known those in which a limited quantity of the cooling medium performs a closed circuit. As a cooling medium, it is known to employ a pressurized gas having the desired properties; this gas which can be CO2 or helium, put under a pressure of 35 to 100 kg / cm2, passes through the reactor core where it heats up in contact with the fuel elements so that at the outlet of the reactor its sensible heat is high.
To transform this sensitive heat into mechanical energy and then into electrical energy, one or the other of the following two systems is generally used:
In a first system, a cooling medium circulating in a primary circuit absorbs the heat from the reactor and transfers it, in a heat exchanger, to the cooling medium of a secondary circuit which contains saturated or superheated water vapor which is then relaxed in a steam turbine driving an alternator *
If the thermodynamic cycle carried out in this first system provides a fairly good efficiency, of the order of 42%, the installations of the practical realization are important given the large dimensions of the exchanger, which makes them
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very expensive;
moreover, due to the very nature of the exchanger, heat exchanges necessarily require a certain time so that installations of this kind offer a certain inertia which means that they can only be used for the production of energy electrical to meet the normal needs of consumers connected to the network supplied by the alternator; it is not possible with this system to modify the thermodynamic conditions in the exchanger in order to meet the consumption peaks in the network; moreover, the installations carried out according to this first system are, moreover, only valid for very powerful reactors, of more than 600 MW.
In a second system, the pressurized gas used as cooling medium leaves the reactor at high temperature and under high pressure, is expanded in a gas turbine, then cooled and finally recompressed and returned to the reactor.
In this case, the gas leaving the reactor cannot be expanded to very low pressures because the energy gain obtained would be lost during the recompression work necessary to bring the gas back to the pressure and to the inlet temperature in the reactor. reactor.
On the other hand, this system is advantageous given its low inertia since the gas leaving the reactor expands directly, which allows a rapid change in temperatures so that significant changes in the flow rate of gas subjected to the expansion are possible. In addition, the system is cheaper, less bulky since it does not include a heat exchanger, but unfortunately its efficiency is quite poor and does not exceed 25%.
However, in this system we can increase the efficiency
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but then we must have voluminous recovery exchangers significantly increasing the price of the installation.
The problem underlying the invention is to provide an installation for cooling the core of a nuclear reactor exhibiting neither the inertia nor the bulkiness of the heat exchanger system but offering more or less its efficiency while having the Operating flexibility of a gas expansion cooling installation.
For this purpose, according to the invention, an installation for cooling the core of a nuclear reactor with a pressurized gas circulating in a closed circuit in order to recover the energy released by said reactor and to cool the latter comprises a turbine for gas expansion and the outlet of which is connected to the inlet of the primary circuit of a heat exchanger whose outlet is connected to a compressor which is itself connected to the reactor via a cooler, the outlet of the secondary circuit the exchanger being connected to a steam turbine followed by a condenser and then by a pump returning the condensed water to the inlet of said secondary circuit.
In one embodiment, the gas turbine drives the compressor and a first alternator while the steam turbine drives a second alternator.
By virtue of this arrangement, the second alternator responds to the usual current demands of the network while the first alternator, as a result of rapid start-up and load fluctuations, can respond to extraordinary current demands, ie peaks of consumption.
Other features may appear in the following description of the appended drawings in which the figure is a schematic view of an installation carried out.
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according to the invention, shown by way of non-limiting example
In the installation under consideration, the cooling gas which is, for example CO2, leaves the reactor 1 at a temperature of the order of 600 ° C. and under a pressure of approximately 100 ata and is carried through line 2 following the arrow X at the inlet 3a of an expansion turbine 3; at the outlet thereof, the gas is at approximately 470 C under a pressure of approximately 30 ata.
The outlet 3b of the gas turbine 3 is connected to the inlet 4a of the primary circuit of a heat exchanger 4 which can have forced or controlled natural circulation; at the outlet $ b of the primary circuit, the temperature of the gas has fallen to approximately 230 C. Through line 5, following arrow X, the gas is led to compressor 6, from which it exits through 6b to be returned to reactor 1 through line 7. A recovery exchanger 13 placed at the outlet of the primary circuit can drop the temperature of the gas to about 40 C; this exchanger 13 communicates with a reheating exchanger 15 placed at the outlet of the compressor and increases the temperature of the gas at this location to approximately 70 C.
It is understood that the exchangers 13 and 15 can constitute one and the same exchanger without it being necessary to use an intermediate fluid, for example.
Between pertaine stages of the compressor is mounted an intercooler 14 which can even cause condensation.
The adjustment of the recovery exchanger 13 and of the cooler 14 makes it possible to obtain minimum compression work.
The compressor 6 is driven by the turbine 3 which also directly drives a first alternator 16.
In the secondary circuit of the exchanger 4 circulates water vapor which passes from a temperature of about 230 ° C. to about 460 ° C., its pressure then being of the order of 40 kg / cm2.
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The steam leaving the secondary of the exchanger 4 is carried through the pipe 6 to a steam turbine 9, which directly drives a second alternator 17. The water vapor exiting expanded from the turbine 9 is condensed in the condenser 10 and the 'water thus obtained is returned, via pipe 11, to the intervention of pump 12, to the inlet of the secondary circuit of exchanger 4'
The overall efficiency of the installation is about 42% and therefore higher than any currently known efficiency.
The costs incurred by an installation according to the invention exceed those of a known gas-cooled installation only by the addition of a turbine and an alternator.
Various modifications can be made to the installation described without departing from the scope of the invention. Thus the reactor can be provided with several cooling circuits j, the gases of which are brought to a single manifold supplying the gas turbine or the gases of each circuit are led to; separate turbines; in addition, the turbines can be multistage; furthermore, the turbines can be separated into turbines providing power for compression and those providing! power directly to the alternator.
An advantage of an installation such as that which is described consists in that it makes it possible to satisfy ordinary current demands under excellent performance conditions while making it possible to meet current peak demands by the variation. of the gas flow admitted to the turbine, which obviously supposes synchronization with the movements of the adjustment bars of the reactor to obtain an increased or decreased gas flow.
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The system described is very suitable for the realization of a so-called integrated installation, that is to say an installation in which the reactor, the turbines, the compressors and exchangers are located in the same pressure vessel *
A possible and particularly interesting variant both from the vestments and constructive points of view is the following: the turbine-compressor unit does not drive an alternator and therefore does not provide any external mechanical power but it is used only to produce a very intense circulation. cooling gas which results in a significant reduction in the dimensions of the heat exchangers.
CLAIMS.