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.