CH516212A - Procédé pour produire de l'énergie à partir de la chaleur engendrée dans un réacteur nucléaire - Google Patents

Description

  
 



  Procédé pour produire de l'énergie à partir de la chaleur engendrée dans un réacteur nucléaire
 La présente invention a pour objet un procédé pour produire de l'énergie à partir de la chaleur engendrée dans un réacteur nucléaire refroidi par du gaz carbonique, procédé selon lequel on fait circuler le gaz carbonique en circuit fermé entre le réacteur, au moins une turbine à gaz et une source froide.



   Les procédés de ce genre sont particulièrement attrayants puisqu'ils joignent, aux avantages des turbines à gaz, la simplicité et le bon rendement propres aux circuits à boucle unique.



   Par contre, le cycle classique de la turbine à gaz présente, pour les applications nucléaires, un certain nombre d'inconvénients qui résultent principalement de la nécessité d'opérer à des températures et à des pressions élevées pour obtenir un rendement acceptable de la turbine à gaz. En effet, les températures et les pressions maximales sont limitées par la résistance des différents éléments constitutifs du réacteur.



   La fig. 1 du dessin annexé représente schématiquement le diagramme entropique du gaz carbonique au voisinage du point critique, la courbe 1 étant la courbe de saturation. On a également figuré une ligne isochore 2 et l'isobare 3 de 80 bars. La température critique est de 310 C. Elle s'oppose pratiquement à l'emploi d'un cycle à condensation dans les conditions atmosphériques moyennes, car il faudrait pouvoir disposer d'une eau de refroidissement dont la température ne dépasserait pas 15 à 200 C pendant la majeure partie de l'année. Il est donc préférable d'opérer dans la zone supercritique, tout en restant au voisinage de l'état critique de manière à réduire, autant que possible, la puissance absorbée par compression. Ainsi, on évite en outre la perte de chaleur qu'implique une condensation.



   La région critique, hachurée sur la fig. 1, est marquée par des variations rapides des caractéristiques thermodynamiques du fluide. En particulier, le travail de compression varie beaucoup plus rapidement que dans le reste du diagramme lorsque la pression initiale augmente, c'est-à-dire lorsque le point figuratif se déplace de droite à gauche sur la fig. 1. C'est ce que montre également la fig. 2, sur laquelle la courbe 5 représente les variations de l'énergie A Hc nécessaire à la compression, en fonction de la pression initiale, pour un taux de compression donné, de l'ordre de 2 à 3 pour la courbe 5 tracée.



   Cette courbe met en évidence une diminution rapide de l'énergie de compression pour une pression initiale voisine de 75 bars, tandis que, de part et d'autre de cette valeur, les variations sont beaucoup plus lentes.



   La courbe 6 de la   fig. 2,    établie pour la même valeur constante du taux de compression que la courbe 5 (de l'ordre de 2 à 3), représente les variations de la chaleur   A    Hr nécessaire au réchauffage du fluide comprimé jusqu'à une température donnée, de 2500 C par exemple (température d'entrée dans le réacteur). Cette courbe montre une augmentation brutale de A Hr au voisinage de la même pression initiale, avant compression, de 75 bars.



   La présente invention vise à réaliser un procédé qui pallie les inconvénients cités plus haut.



   Pour cela, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le gaz subit successivement une compression jusqu'à une pression comprise entre 120 et 250 bars, un préchauffage, une première détente jusqu'à une pression comprise entre 40 et 120 bars, un réchauffage dans le réacteur, une seconde détente dans la turbine et un refroidissement par échange avec la source froide.



   Ainsi, le choix de la pression optimale de la compression en vue d'obtenir un bon rendement global du cycle thermique résulte d'un compromis entre la réduction de l'énergie de compression d'une part, et celle de la chaleur de réchauffage après compression d'autre part.



   La réalisation du temps de compression du fluide moteur avant le préchauffage permet de réduire la puissance absorbée par la compression alors que la seconde détente à partir de la température du réacteur est favorable à un bon rendement de la turbine.



   Cette solution est également favorable par le fait que les hautes pressions sont appliqueées dans une  région du circuit qui est différente de celles où sont appliquées les températures élevées régnant au sein du réacteur.



   Plusieurs formes d'exécution d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention seront décrites, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, auquel:
 La fig. 3 donne, sur un diagramme enthalpieentropie, le cycle du   CO2    dans une première forme de mise en oeuvre du procédé.



   La fig. 4 représente un schéma d'ensemble du dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du cycle de la fig. 3.



   La fig. 5 donne le cycle CO2 d'un autre exemple de mise en oeuvre du procédé.



   La fig. 6 représente un schéma d'ensemble d'un dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du cycle de la fig. 5.



   La fig. 7 représente une variante du dispositif schématisé sur la fig. 6.



   Le diagramme de la fig. 3 sur lequel l'entropie est portée en abscisse et l'enthalpie en ordonnée, sera décrit en se référant également à la fig. 4, qui représente schématiquement un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé.



   La compression de gaz carbonique est réalisée en deux étapes. Dans la première étape, le gaz est porté de 27 bars à 56 bars dans un compresseur basse pression 11. Le point figuratif se déplace du point A au point B sur la fig. 3. La température s'élève, à partir d'une température initiale voisine de   300 C,    jusqu'à   1000 C    environ. Le gaz est ensuite admis dans le réfrigérant intermédiaire 12 où il se refroidit jusqu'à 300 C (point
C) environ, par échange avec de l'eau constituant la source froide.



   La seconde étape de compression s'effectue dans le compresseur haute pression 13, de 56 bars environ à 180 bars. Par suite de l'élévation de température correspondante, les gaz quittent le compresseur 13 à une température de   1200    C environ (point D du diagramme de la fig. 3). Ils sont ensuite réchauffés, dans l'échangeur de récupération 14, par le gaz détendu quittant la turbine basse pression 17.



   Les gaz parviennent ainsi, à une température de 3200 C environ, à l'entrée de la turbine haute pression 15. Ils sont détendus dans celle-ci jusqu'à 100 bars (de
E à F sur la fig. 3). La température s'abaisse simultanément jusqu'à 2580 C.



   Les gaz quittant la turbine haute pression 15 sont alors admis dans le réacteur 16, dont ils assurent le refroidissement. Dans le réacteur, la température du gaz passe de   258     à 5200 C. La perte de charge conduit à une pression de sortie de 95 bars environ (point G de la   fig. 3).   



   Les gaz se détendent ensuite dans la turbine basse pression 17 jusqu'à une pression de 28 bars et une température de 3950 C environ. Cette détente est figurée de   GàHsurlafig.    3.



   Les gaz quittant la turbine basse-pression 17 passent dans l'échangeur de récupération 14, où ils cèdent une grande partie de leur chaleur aux gaz comprimés alimentant la turbine haute-pression 15. Ils sont ainsi refroidis, de H à I (fig. 3), jusqu'à   153     C environ. Le refroidissement est poursuivi de I à A dans le réfrigérant à eau 18, jusqu'à   30     C environ. Un nouveau cycle commence alors, les gaz refroidis alimentant le compresseur basse-pression 11.



   La turbine 15, dans laquelle s'effectue la détente préalable, entraîne le compresseur haute-pression 3. La turbine 17, dans laquelle s'effectue la détente principale, entraîne un alternateur 19, ainsi que le compresseur basse-pression 11. Il est également possible, si le travail fourni par la détent préalable est suffisant, d'entraîner les deux compresseurs 11 et 13 par la turbine 15.



   Le diagramme de la figure 5, sur lequel l'entropie est portée en abcisse et l'enthalpie en ordonnée, sera décrit en se référant également à la fig. 6.



   La compression du gaz carbonique est réalisée en deux étapes. Dans la première étape, la gaz est porté de 35 bars à 73 bars environ dans un compresseur basse pression 21. Le point figuratif se déplace du point A' au point B' sur la fig. 5. La température s'élève à partir d'une température initiale voisine de 300 C jusqu'à 1000 C environ. Le gaz est ensuite admis dans le réfrigérant intermédiaire 22 où il se refroidit jusqu'à 300 C (point C') environ, par échange avec l'eau constituant la source froide.



   La seconde étape de compression s'effectue dans le compresseur haute pression 23 de 72 bars environ à 160 bars. Par suite de l'élévation de température correspondante les gaz quittent le compresseur 23 à une température de 850 C environ (point D' de la fig. 5). Le gaz est réchauffé de D' à J' par récupération de la chaleur dissipée dans l'eau lourde alimentant l'échangeur récupérateur 24a. En J' la température est voisine de   100"    C, puis par passage dans l'échangeur de récupération 24 alimenté par le gaz détendu quittant la turbine basse pression 27, il y a de nouveau élévation de température, et en E' celle-ci atteint 3500 C environ, la pression étant d'environ 157 bars.

  Les gaz parviennent ainsi à l'entrée de la turbine haute pression 25 dans laquelle ils sont détendus jusqu'à 80 bars environ (de E' à F' sur la fig. 5), la température passant de la valeur de   350"    C à   280     C. Les gaz sont ensuite admis dans le réacteur 26. Dans le réacteur, la température de gaz s'élève jusqu'à 5200 C. La perte de charge conduit à une pression de sortie voisine de 75 bars (point G' de la   fig. 5).   



   Les gaz se détendent ensuite dans la turbine basse pression 27 jusqu'à une pression de 36 bars et une température de   430"    C environ. Cette détente est figurée de
G' à H' sur la fig. 5.

 

   Les gaz quittant la turbine basse pression 27 passent dans l'échangeur de récupération 24 où ils cèdent une grande partie de leur chaleur aux gaz comprimés alimentant la turbine haute pression 25. Ils sont ainsi refroidis de H' à I' (fig. 5) jusqu'à 1200 C environ. Le refroidissement est poursuivi de I' à A' dans le réfrigérant à eau 28 jusqu'à   30     C environ. Un nouveau cycle commence alors, les gaz refroidis alimentant le compresseur basse pression 21.

 

   La fig. 7 représente une variante dans laquelle une fraction du débit du gaz réfrigérant issu du compresseur haute pression 23 est réchauffée par passage à travers l'échangeur récupérateur 24a alimenté par le modérateur liquide, tandis que le débit principal du gaz réfrigé  rant traverse directement l'échangeur récupérateur 24.



  A la sortie de l'échangeur 24a le fluide rejoint le circuit principal en passant à travers une partie de l'échangeur 24, dans lequel il subit un nouveau réchauffage. 

Claims (1)

1. REVENDICATION

   Procédé pour produire de l'énergie à partir de la chaleur engendrée dans un réacteur nucléaire refroidi par du gaz carbonique, procédé selon lequel on fait circuler le gaz carbonique en circuit fermé entre le réacteur, au moins une turbine à gaz et une source froide, caractérisé en ce que le gaz subit successivement une compression jusqu'à une pression comprise entre 120 et 250 bars, un préchauffage, une première détente jusqu'à une pression comprise entre 40 et 120 bars, un réchauffage dans le réacteur, une seconde détente dans la turbine et un refroidissement par échange avec la source froide.

   SOUS REVENDICATIONS 1. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que le préchauffage est assuré au moins en partie par échange avec le gaz issu de la seconde détente.

   2. Procédé selon la revendication, dans lequel le réacteur est un réacteur à modérateur liquide, caractérisé en ce que le préchauffage s'effectue au moins en partie par récupération d'une partie de la chaleur dissipée dans le modérateur.

   3. Procédé selon la revendication, caractérisé en ce que la pression minimale du gaz, après la seconde détente, est supérieure à 15 bars.