WO2011128258A1 - Coeur de réacteur a neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, a faible effet de vidange - Google Patents

Coeur de réacteur a neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, a faible effet de vidange Download PDF

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fertile
height
heart
fissile
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PCT/EP2011/055497
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Frédéric VARAINE
Pierre Sciora
Laurent Buiron
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Electricite de France SA
Areva NP SAS
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Electricite de France SA
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Areva NP SAS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a fast neutron reactor core, cooled by a liquid metal, with a low draining effect.
  • coolant (English, coolant) is liquid sodium, but is not limited to the use of this liquid metal as a cooling fluid of the heart: in the coolant may be another liquid metal.
  • the present invention aims to improve the safety of the core of a liquid metal cooled fast neutron reactor in a power range of 50 to 5000 MWth, by adapting the design of the core.
  • the present invention consists in implementing a core design such that the physical laws, which govern the nuclear reactions during accidental transients leading to the loss of the coolant, naturally tend to smother any potential runaway of the reactor.
  • the aim of the invention is to obtain a negative or near zero void effect in a fast neutron reactor, in particular when the coolant is sodium.
  • void coefficient in English, void coefficient
  • void coefficient expressed in dollars
  • a dollar ($) corresponds to an increase in reactivity counted in relation to the proportion of delayed neutron fractions.
  • the proposed design has no "crucible", that is to say no difference in height between the inner portion and the outer portion of the core, contrary to what is proposed in a preferred embodiment of this invention.
  • Document FR 2 679 062 also discloses a fast breeder reactor core and a fuel assembly used in such a core.
  • the present invention proposes a new design of the core of a fast neutron reactor, cooled by a liquid metal, to significantly reduce the emptying effect, or even to make it negative.
  • the present invention makes it possible to obtain a zero emptying effect, or even to make this effect negative.
  • the invention combines several characteristics; and this combination has physical effects on the axial redistribution of the neutron flux, which amplifies the gains.
  • the invention uses an intermediate fertile zone, for example natural uranium, depleted or reprocessed, which is between two fissile zones and whose median plane is placed under the median plane of all three zones.
  • an intermediate fertile zone for example natural uranium, depleted or reprocessed
  • This intermediate fertile zone may concern only the central part of the heart or the whole of it.
  • the height of fertile material is between 25% to 40% of the total height (fissile material plus fertile material).
  • the invention uses a plenum containing the coolant, for example a sodium plenum in the case of a reactor cooled by liquid sodium. Above the plenum is a neutron absorbing material.
  • the core object of the invention may optionally comprise an outer portion and an inner portion whose height may be smaller than that of the outer portion, which gives it a crucible shape.
  • the invention makes it possible to reduce the emptying effect of a fast neutron reactor cooled by a liquid metal, for example sodium, even for a unitary high-power reactor.
  • the presence of the intermediate zone in fertile material leads to an improvement in the behavior of the fuel pellets (in English, fuel pellets) vis-à-vis the sheath (in English, cladding), and conversely, in the assemblies fuel that the heart has, during the nominal operation of the latter. Indeed, this intermediate zone is likely to limit corrosion at the fissile / fertile axial interface, and also to reduce the axial form factor.
  • support matrix oxide matrix, metal matrix, carbide matrix, inert matrix, or other
  • coolant metal sodium, lead, or other
  • the present invention relates to a fast neutron reactor core, cooled by a liquid metal, comprising, going up and down the heart:
  • a lower zone of fissile material in which the horizontal median plane of the intermediate zone of fertile material is below the horizontal median plane of the assembly formed by the upper zone of fissile material, the intermediate zone of fertile material and the zone lower of fissile material, and wherein the ratio R of the height of the intermediate zone of fertile material to the height of the assembly formed by the upper zone of fissile material, the intermediate zone of fertile material and the lower zone of fissile material is in the range of 0.25 to 0.40 (the heights being counted vertically),
  • an upper absorbent zone made of a neutron-absorbing material, and, beneath the upper absorbent zone, a liquid metal plenum zone, the upper zone of fissile material being below the plenum zone of liquid metal.
  • the ratio R is in the range of 0.25 to 0.35.
  • the fast neutron reactor core object of the invention, further comprises a lower zone of fertile material, located under the lower zone of fissile material.
  • This lower zone of fertile material makes it possible to respect the regeneration criteria of the core, that is to say to have a production of fissile material equal to the consumption of fissile material (isogenation).
  • the core comprises, radially, an internal zone, of height HZ1 (height of the assembly formed by the upper zone of fissile material, the intermediate zone of fertile material and the lower zone of fissile material), and an outer zone, of height HZ2 (height of the assembly formed by the upper zone of fissile material, the intermediate zone of fertile material and the lower zone of fissile material); and the intermediate zone of fertile material extends radially at least in the inner zone, while the liquid metal plenum zone and the inferior zone of fertile material extend radially in the inner zone and the outer zone.
  • the ratio HFI> / HZ1 is in the range of 0.3 to 0.5, where HFI> represents the height of the upper zone of fissile material of the inner zone (radially).
  • the inner zone of the heart forms a volume which is delimited by a first cylinder with polygonal base whose generator is vertical
  • the external zone of the heart forms another volume which is delimited internally by this first cylinder and externally by a second polygonal base cylinder whose generator is parallel to that of the first cylinder.
  • the ratio RZ1 / RC is greater than or equal to 0.75, where RZ1 represents the mean radius of the inner zone and RC the average outer radius of the outer zone.
  • the average radius of the inner zone is the radius of the disk whose area is equal to that which is delimited by the base (also called director) of the first cylinder.
  • the average outer radius of the outer zone is the radius of the disk whose area is equal to that delimited by the base of the second cylinder.
  • the height of the liquid metal plenum zone in the inner zone is at least 20 cm.
  • the height of the liquid metal plenum zone in the outer zone is at least 20 cm.
  • the intermediate zone of fertile material further extends into the outer zone.
  • the article by T. TAKEDA et al. does not disclose or suggest two essential characteristics of the reactor core, object of the present invention, namely the upper absorbent zone, made of a neutron-absorbing material, and in this zone, the zone of liquid metal plenum which is above the upper zone of fissile material and therefore below the fuel elements.
  • the present invention therefore satisfies two conditions, namely the presence of a neutron-absorbing material at the top of the assembly and the use of fuel elements that do not pass through the liquid metal plenum. These two conditions are necessary to obtain a fast neutron reactor core, cooled by a liquid metal, in which the draining effect is very significantly reduced or the latter is made negative. It should be noted that the upper part of the configuration proposed in Figure 1 of the article by Takeda et al. consists of a "gas plenum" which is in no way a neutron-absorbing material.
  • a “gas plenum” is a fuel element and its function is to retain the fission gases. This results in the presence of the fuel element up to the dimension 270 shown in Figure 1 of Takeda et al. It follows therefore that the area called “Na region”, below, is crossed by the fuel element which must be continuous so that the region called “gas plenum” can fulfill its role.
  • FIGS. 3, 4 and 5 of the document do not include any material above the sodium reflector zone, and that those shown in FIGS. 13 and 14 of the document contain, at their upper fertile material that is by no means a neutron-absorbing material.
  • a neutron-absorbing material is a material whose physical characteristics give it the ability to capture neutrons
  • a fertile material is a material whose physical characteristics give it the capacity to produce a fissile material under neutron flux. Although a fertile material captures neutrons, it produces fissile elements that produce neutrons.
  • the present invention would not work with such a fertile material.
  • FIG. 1 is a diagrammatic and partial radial sectional view of a particular embodiment of the fast neutron reactor core, object of the invention
  • FIG. 2 is a schematic and partial radial sectional view of a known fast neutron reactor core
  • FIGS. 3 and 4 are diagrammatic and partial radial sectional views of other modes of particular embodiments of the fast neutron reactor core, object of the invention.
  • FIG. 1 is a diagrammatic and partial radial sectional view of an example of the fast neutron reactor core which is the subject of the invention.
  • the core 2 of Figure 1 is cooled by a liquid metal which is sodium in the example.
  • the heart 2 forms a volume which is delimited by a cylinder with polygonal base, or external cylinder, whose generator is vertical and whose average radius is noted RC.
  • the heights that will be discussed later are counted along a vertical axis z which is parallel to the generatrix mentioned above; and the rays, in particular the radius RC, are counted along a horizontal axis r (which is perpendicular to the z axis).
  • the core 2 comprises an inner zone 4, of height HZ1, and an outer zone 6, of height HZ2.
  • the inner zone 4 forms a volume delimited by a cylinder with a polygonal base, or an internal cylinder, whose generator is parallel to the generatrix mentioned above and whose average radius is RZl.
  • outer zone 6 forms another volume, or crown, which is delimited by the inner and outer cylinders, the generatrix of which is parallel to the generatrix mentioned above and whose average internal radius and the mean outer radius respectively are RZ1 and RC.
  • polygonal bases also known as “guidelines”
  • guidelines can be polygons, for example hexagons. These polygons, especially these hexagons, may be regular but not necessarily.
  • each of the cylinders considered forms a regular hexagon and one can then speak of the axis common to these cylinders, namely the z axis in FIG.
  • the heart 2 comprises, going from the top to the bottom of the heart:
  • an upper absorbent zone 8 made of a neutron-absorbing material
  • the horizontal median plane P1 of the intermediate zone of fertile material is situated below the horizontal median plane P2 of the assembly formed by the upper zone of fissile material 12, the intermediate zone of fertile material 14 and the lower zone of fissile material 16.
  • the upper zone of fissile material 12, the intermediate zone of fertile material 14 and the lower zone of fissile material 16 extend only into inner zone 4 of core 2; but the lower zone of fertile material 18 and the sodium plenum zone 10 extend in the inner zone 4 and the outer zone 6; and the outer zone 6 is made only of fissile material.
  • fissile materials may be used in zones 12, 16 and 6.
  • fissile material for example uranium or uranium-plutonium mixed oxide
  • uranium 238 As a fertile material, one can for example use uranium 238.
  • a lower zone 20 made of a neutron reflective material, more simply referred to as reflective material, under the lower zone of fertile material 18, and -
  • a peripheral zone 22 also made of a reflective material, which surrounds the core 2 and is connected to the zone 8 of neutron-absorbing material and the zone 20 of reflective material, as seen.
  • zone 8 is made partly of boron carbide constituting the neutron-absorbing material
  • zone 20 is made of steel blocks, traversed by sodium
  • zone 22 is made of steel assemblies.
  • the core 2 results from a set of vertical fuel elements, namely the fuel pins (in English, fuel pins), which are not shown in FIG.
  • each needle depends on the location thereof and therefore the coordinate r.
  • each needle comprises a stack (vertical) of elements in a sheath, and the nature of an element depends on its position, counted along the z axis.
  • pellets are pellets; and, depending on its position (counted along the Z axis), a pellet may be made of a fissile material or a fertile material.
  • FIG. 1 Only the overall geometry of the core 2 is shown in FIG. 1. Areas of fissile material or fertile material discussed higher are precisely pellets assemblies that have been used.
  • the ratio R of the height HFE * of the intermediate zone of fertile material 14 to the height HFI> + HFE * + HFK of the assembly formed by the upper zone of fissile material 12, of height HFI>, the intermediate zone of material 14 and the lower zone of fissile material 16, of height HFK is in the range of 0.25 to 0.40 (thus the height of the "internal fertile plate", that is to say the zone intermediate of fertile material 14, depends on the height of the "internal fissile zone", that is to say all areas 12 and 16);
  • the ratio HZ1 / HZ2 is in the range from 0.6 to 1 (thus the height of the inner zone depends on the height of the outer zone);
  • the ratio HFI> / HZ1 is in the range of 0.3 to 0.5 (so is a condition imposed on the position of the internal fertile plate within the inner zone);
  • the ratio RZ1 / RC is greater than or equal to 0.75 (thus the radius of the inner zone depends on the total radius of the heart);
  • the height of the sodium plenum zone 10 in the inner zone 4 is greater than 20 cm; and the height of the sodium plenum zone in the outer zone 6 is also greater than 20 cm (thus are conditions imposed on the minimum plenum height above the fissile zone)?
  • the core 2 is optimized to allow satisfactory reactor control. Indeed, the addition of an internal fertile plate (zone 14) tends to uncouple the two axial zones of fuel (zones 12 and 16) when its thickness becomes too great.
  • the interest of the core object of the invention, in particular the core 2, is based primarily on an amplifying effect, resulting from the combination of individual characteristics that reduce the draining effect, characteristics that had been presented in isolation in the prior art.
  • the heart object of the invention, in particular the heart 2, brings them together in a very precise arrangement. This makes it possible to correlate their respective advantages in a consistent and amplified way.
  • the effect obtained (the gain on the emptying effect) is nearly twice the expected effect by summing up the different effects taken individually.
  • the "crucible" type geometry (HZ1 / HZ2 ⁇ 1, that is to say HZKHZ2) meets the desired objectives, namely the reduction of the draining effect, the possibility of controlling the heart and the optimization of the diameter of the heart.
  • the gains obtained were evaluated for the most penalizing situation (end of cycle).
  • the direct gain on the drain effect namely a change from $ 5 to $ -0.5, other gains have been highlighted:
  • a core according to the invention is part of the criteria that is targeted for the fourth generation of reactors.
  • Axial leakage to the plenum, and thus the draining effect, is directly dependent on the thickness of the fertile plate, its axial position, its radial length, and the height of the crucible.
  • the homogeneous core 24, of standard configuration, is schematically and partially shown in Figure 2. It has a cylindrical symmetry about the z axis.
  • the zone 26 and the zone 28 are made of different fissile materials from each other.
  • a zone 33 of neutron-absorbing material is provided above the zone 30, a zone 34 made of reflective material is provided below the zone 32, and the entire core is surrounded by reflective material 35.
  • each assembly was based on a network of hexagonal needles.
  • the coolant was sodium
  • the fuel used plutonium oxide and uranium in needles provided with a metal sheath.
  • the code of The calculation used was ERANOS, the current reference code for sodium cooled fast reactors.
  • the gain on this configuration is greater than $ 5 and entails, for the heart of the invention, a negative overall drain effect, entirely consistent with the expected results.
  • Figure 3 is a schematic and partial view of another particular embodiment of the invention. As can be seen, the example of FIG. 3 simply differs from that of FIG. 1 in that, in the heart of FIG. 3, the intermediate zone of fertile material 14 also extends into the outer zone 6 of the heart 2 and thus through a fissile material.
  • Figure 4 is a schematic and partial view of another particular embodiment of the invention.
  • FIG. 4 differs simply from that of FIG. 3 in that, in the core of FIG. 4, HZ1 and HZ2 are equal, so that HP1 and HP2 are also equal.
  • HZ1 and HZ2 are equal but the intermediate zone of fertile material extends only in the inner zone 4 of the core 2.

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Abstract

Coeur de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide,à faible effet de vidange. Il comprend de haut en bas une zone neutrophage supérieure (8), une zone de plénum de métal liquide(10),une zone fissile supérieure(12), une zone fertile intermédiaire(14),une zone fissile inférieure(16);le plan médian horizontal(P1) de la zone fertile intermédiaire, de hauteur HFE*, est situé au dessous du plan médian horizontal (P2) de l'ensemble formé par les zones fissiles inférieure et supérieure et la zone fertile intermédiaire;et le rapport de HFE* à la hauteur de cet ensemble va de 0,25 à 0,40.

Description

COEUR DE REACTEUR A NEUTRONS RAPIDES, REFROIDI PAR UN METAL LIQUIDE, A FAIBLE EFFET DE VIDANGE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un cœur de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, à faible effet de vidange.
Elle s'applique notamment à un tel réacteur dans lequel le caloporteur (en anglais, coolant) est le sodium liquide, mais n'est pas limitée à l'utilisation de ce métal liquide en tant que fluide de refroidissement du cœur : dans l'invention, le caloporteur peut être un autre métal liquide.
La présente invention vise à améliorer la sûreté du cœur d'un réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, dans une gamme de puissances allant de 50 à 5000 MWth, en adaptant la conception du cœur.
La présente invention consiste à mettre en œuvre une conception de cœur telle que les lois physiques, qui régissent les réactions nucléaires lors de transitoires accidentels conduisant à la perte du caloporteur, tendent naturellement à étouffer tout emballement potentiel du réacteur.
L' invention vise à obtenir un effet de vidange (en anglais, void effect) négatif ou proche de zéro dans un réacteur à neutrons rapides, en particulier lorsque le caloporteur est le sodium.
Cet effet est positif dans les réacteurs à neutrons rapides, refroidis par le sodium liquide, de taille importante (typiquement, supérieure à 800MWe) , qui ont été conçus à ce jour. Lors de certains transitoires accidentels, conduisant à la vidange du sodium dans le cœur, il se produit une augmentation significative de la réactivité du cœur. Cette augmentation peut conduire à la destruction du coeur par fusion locale ou généralisée des assemblages combustibles .
Rappelons que l'effet de vidange agit sur la réactivité du réacteur et s'exprime en dollars. Il est imputable à la perte du caloporteur.
Plus précisément, on définit un coefficient de vidange (en anglais, void coefficient) (exprimé en dollars) qui traduit la variation du facteur de multiplication du réacteur lorsque le caloporteur n'est plus présent dans le cœur. Si ce coefficient est positif, la vidange se traduira par une augmentation de la réactivité et de la puissance. S'il est négatif, cet effet tendra à arrêter la réaction en chaîne.
Rappelons aussi que le dollar est une unité de réactivité. Un dollar ($) correspond à une augmentation de réactivité comptée par rapport à la proportion de neutrons retardés (en anglais, delayed neutron fraction) .
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le problème de la réduction de l'effet de vidange n'est pas résolu actuellement pour les cœurs de forte puissance unitaire (supérieure à 800MWe) , notamment ceux qui sont prévus pour les filières industrielles . La maîtrise de cet effet implique de mettre en place des systèmes actifs permettant d'assurer un comportement du réacteur acceptable lors de transitoires accidentels.
Diverses conceptions du cœur d'un réacteur à neutrons rapides ont déjà été proposées en vue de réduire l'effet de vidange.
On se reportera à l'article suivant:
A.N. Chebeskov, « Evaluation of Sodium Void Reactivity On the BN-800 Fast Reactor Design », Physor 1996, vol. 2, C-49.
La conception décrite dans cet article est associée au réacteur BN-800. Selon cette conception, une plaque fertile interne (entre deux zones de matériau fissile) et un plénum sodium (en anglais, sodium plénum) associé sont prévus. Le but recherché est essentiellement le passage de l'effet de vidange sous la valeur de 0$.
Cela conduit à des cœurs de type « galette » ayant souvent des rayons très importants.
Une comparaison internationale de simulation d'un tel concept sous l'égide de l'AIEA («Evaluation of benchmark calculations on a fast power reactor core with near zéro sodium void effect ») a montré une surestimation du gain annoncé sur l'effet de vidange. On se reportera au document IAEA-TECDOC- 731, Janvier 1994
On se reportera aussi à l'article suivant : T. Takeda et al., « Optimization of
Internai Blanket Configuration of Large Fast Reactor », Short Note, Journal of Nuclear Science and Technology, 30, pp. 481-484, 1983.
Il s'agit d'une étude paramétrique portant sur une plaque fertile interne dont la hauteur et le rayon varient. On cherche à avoir un faible effet de vidange, tout en conservant le couplage de deux zones axiales fissiles.
Les conclusions tirées dans cet article sont partielles car l'étude paramétrique est limitée : la géométrie de cœur étudiée est fixée à lm, ce qui est différent de la présente invention.
De plus, la conception proposée ne comporte aucun « creuset », c'est-à-dire aucune différence de hauteur entre la partie interne et la partie externe du cœur, contrairement à ce qui est proposé dans un mode de réalisation préféré de la présente invention.
Enfin, la présence d'une zone de « gas plénum », à la partie supérieure des aiguilles dans le plénum, suggère une conception de plénum, avec une quantité d'acier importante. Cette conception est différente de celle qui est utilisée dans la présente invention .
On se reportera en outre à l'article suivant :
T. Yokoyama et al . , « A study on reactivity insertion controlled LMR cores with metallic fuel », Progress in Nuclear Energy, vol. 47, pp. 251-259, 2005.
Il s'agit d'une étude portant sur un cœur à combustible métallique. La forme de creuset y est utilisée sans plaque fertile interne, et l'effet de vidange reste important. On connaît aussi, par le document FR 2 679 062, un cœur de réacteur surgénérateur rapide et un assemblage combustible utilisé dans un tel cœur.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
La présente invention propose une nouvelle conception du cœur d'un réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, permettant de réduire de façon très importante l'effet de vidange, voire de rendre ce dernier négatif.
Les effets des anciennes conceptions, comme celles de EFR (European Fast Reactor) ou SUPERPHENIX, conduisaient à des effets de vidange de l'ordre de 5 à 7 $.
La présente invention permet d'obtenir un effet de vidange nul, voire de rendre cet effet négatif .
Pour ce faire, l'invention combine plusieurs caractéristiques ; et cette combinaison a des effets physiques sur la redistribution axiale du flux neutronique, effets qui amplifient les gains.
L' invention met en œuvre une zone fertile intermédiaire, par exemple en uranium naturel, appauvri ou issu du retraitement, qui est comprise entre deux zones fissiles et dont le plan médian est placé sous le plan médian de l'ensemble des trois zones.
Cette zone fertile intermédiaire peut ne concerner que la partie centrale du cœur ou l'ensemble de celui-ci. Et la hauteur de matériau fertile est comprise entre 25% à 40% de la hauteur totale (matériau fissile plus matériau fertile) . En outre, l'invention met en œuvre un plénum contenant le caloporteur, par exemple un plénum sodium dans le cas d'un réacteur refroidi par le sodium liquide. Au-dessus du plénum se trouve un matériau neutrophage (en anglais, neutron absorbing) .
De plus, le cœur, objet de l'invention, peut éventuellement comporter une partie externe et une partie interne dont la hauteur peut être inférieure à celle de la partie externe, ce qui lui confère une forme de creuset.
L'invention permet une réduction de l'effet de vidange d'un réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, par exemple le sodium, y compris pour un réacteur de forte puissance unitaire.
Ceci améliore la sûreté du réacteur, et est susceptible de diminuer le nombre des systèmes actifs qui sont associés au réacteur, pour garantir la sûreté de son fonctionnement, et donc de réduire le coût du réacteur .
En outre, la présence de la zone intermédiaire en matériau fertile conduit à une amélioration du comportement des pastilles de combustible (en anglais, fuel pellets) vis-à-vis de la gaine (en anglais, cladding) , et réciproquement, dans les assemblages combustibles que comporte le cœur, lors du fonctionnement nominal de ce dernier. En effet, cette zone intermédiaire est susceptible de limiter la corrosion à l'interface axiale fissile/fertile, et également de diminuer le facteur de forme axial.
Et la conception proposée dans l'invention autorise une teneur unique en matière fissile dans les assemblages de combustible, alors que les conceptions connues nécessitent deux à trois teneurs différentes. Cela permet de simplifier le processus de fabrication de la matière fissile.
De plus, l'invention s'applique à tout cœur de réacteur à neutrons rapides, quels que soient
- le type de combustible (uranium, plutonium ou autre) ,
- le type de matrice-support (matrice d'oxyde, matrice métallique, matrice de carbure, matrice inerte, ou autre) ,
- la géométrie des assemblages de combustible, et
- le type de métal liquide de refroidissement (sodium, plomb, ou autre) .
De façon précise, la présente invention concerne un cœur de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, comprenant, en allant de haut en bas du cœur :
- une zone supérieure de matériau fissile,
- une zone intermédiaire de matériau fertile, et
- une zone inférieure de matériau fissile, dans lequel le plan médian horizontal de la zone intermédiaire de matériau fertile est au dessous du plan médian horizontal de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile, la zone intermédiaire de matériau fertile et la zone inférieure de matériau fissile, et dans lequel le rapport R de la hauteur de la zone intermédiaire de matériau fertile à la hauteur de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile, la zone intermédiaire de matériau fertile et la zone inférieure de matériau fissile est dans l'intervalle allant de 0,25 à 0,40 (les hauteurs étant comptées verticalement) ,
caractérisé en ce qu' il comprend en outre une zone absorbante supérieure, faite d'un matériau neutrophage, et, sous la zone absorbante supérieure, une zone de plénum de métal liquide, la zone supérieure de matériau fissile étant sous la zone de plénum de métal liquide.
De préférence, le rapport R est dans l'intervalle allant de 0,25 à 0,35.
Avantageusement, le cœur de réacteur à neutrons rapides, objet de l'invention, comprend en outre une zone inférieure de matériau fertile, située sous la zone inférieure de matériau fissile. Cette zone inférieure de matériau fertile permet de respecter les critères de régénération du cœur, c'est-à-dire d'avoir une production de matière fissile égale à la consommation de matière fissile (isogénération) .
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le cœur comprend, radialement, une zone interne, de hauteur HZ1 (hauteur de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile, la zone intermédiaire de matériau fertile et la zone inférieure de matériau fissile) , et une zone externe, de hauteur HZ2 (hauteur de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile, la zone intermédiaire de matériau fertile et la zone inférieure de matériau fissile) ; et la zone intermédiaire de matériau fertile s'étend radialement au moins dans la zone interne, tandis que la zone de plénum de métal liquide et la zone inférieure de matériau fertile s'étendent radialement dans la zone interne et la zone externe.
De préférence, le rapport HZ1/HZ2 est dans l'intervalle allant de 0,6 à 1. Ce rapport peut être égal à 1 (HZ1=HZ2) . Mais il peut aussi être inférieur à 1 (HZKHZ2) auquel cas le cœur a une géométrie de type « creuset ».
De préférence, le rapport HFI>/HZ1 est dans l'intervalle allant de 0,3 à 0,5, où HFI> représente la hauteur de la zone supérieure de matériau fissile de la zone interne (radialement) .
Selon un mode de réalisation particulier du cœur, objet de l'invention, la zone interne du cœur forme un volume qui est délimité par un premier cylindre à base polygonale dont la génératrice est verticale, et la zone externe du cœur forme un autre volume qui est délimité, intérieurement, par ce premier cylindre et, extérieurement, par un deuxième cylindre à base polygonale dont la génératrice est parallèle à celle du premier cylindre.
De préférence, le rapport RZ1/RC est supérieur ou égal à 0,75, où RZ1 représente le rayon moyen de la zone interne et RC le rayon externe moyen de la zone externe.
Le rayon moyen de la zone interne est le rayon du disque dont l'aire est égale à celle qui est délimitée par la base (également appelée directrice) du premier cylindre. Le rayon externe moyen de la zone externe est le rayon du disque dont l'aire est égale à celle qui est délimitée par la base du deuxième cylindre.
De préférence, la hauteur de la zone de plénum de métal liquide dans la zone interne est au moins égale à 20 cm.
De préférence, la hauteur de la zone de plénum de métal liquide dans la zone externe est au moins égale à 20 cm.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la zone intermédiaire de matériau fertile s'étend en outre dans la zone externe.
Revenons sur les documents Takeda et al. et FR 2 679 062 qui ont été mentionnés plus haut.
L'article de T. TAKEDA et al. ne divulgue ni ne suggère deux caractéristiques essentielles du cœur de réacteur, objet de la présente invention, à savoir la zone absorbante supérieure, faite d'un matériau neutrophage, et sous cette zone, la zone de plénum de métal liquide qui est au-dessus de la zone supérieure de matériau fissile et donc au dessous des éléments combustibles.
La présente invention satisfait donc à deux conditions, à savoir la présence d'un matériau neutrophage à la partie supérieure de l'assemblage et l'utilisation d'éléments combustibles qui ne traversent pas le plénum de métal liquide. Ces deux conditions sont nécessaires pour obtenir un cœur de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, dans lequel on réduit de façon très importante l'effet de vidange, voire on rend ce dernier négatif. Il convient de noter que la partie supérieure de la configuration proposée sur la figure 1 de l'article de Takeda et al. est constituée d'un « gas plénum » qui n'est en aucun cas un matériau neutrophage.
Un « gas plénum » est constitutif d'un élément combustible et a pour fonction de retenir les gaz de fission. Ceci se traduit par la présence de l'élément combustible jusqu'à la cote 270 indiquée sur la figure 1 de Takeda et al. Il en résulte donc que la zone appelée « Na région », située en dessous, est traversée par l'élément combustible qui doit être continu pour que la région appelée « gas plénum » puisse remplir son rôle.
Dans le document FR 2 679 062 sont présentées des configurations géométriques de cœur qui diffèrent fondamentalement de la présente invention. En effet, en aucun cas, ces configurations ne comportent un matériau neutrophage à leur partie supérieure. Or, la présence d'un matériau neutrophage à la partie supérieure du cœur est une caractéristique essentielle de la présente invention et contribue à lui donner des performances uniques en termes de baisse de l'effet de vidange du caloporteur.
II convient d'ailleurs de noter que les structures qui sont représentées sur les figures 3, 4 et 5 du document ne comportent aucun matériau au-dessus de la zone de réflecteur sodium, et que celles qui sont représentées sur les figures 11, 12, 13 et 14 du document comportent, à leur partie supérieure, un matériau fertile qui n'est en aucun cas un matériau neutrophage .
Rappelons qu'un matériau neutrophage est un matériau dont les caractéristiques physiques lui confèrent la capacité de capturer les neutrons, et qu'un matériau fertile est un matériau dont les caractéristiques physiques lui confèrent la capacité de produire un matériau fissile sous flux neutronique. Bien qu'un matériau fertile capture des neutrons, il produit des éléments fissiles qui, eux, produisent des neutrons .
La présente invention ne pourrait fonctionner avec un tel matériau fertile.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe radiale schématique et partielle d'un mode de réalisation particulier du cœur de réacteur à neutrons rapides, objet de l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe radiale schématique et partielle d'un cœur de réacteur à neutrons rapides connu, et
- les figures 3 et 4 sont des vues en coupe radiale schématiques et partielles d'autres modes de réalisation particuliers du cœur de réacteur à neutrons rapides, objet de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 est une vue en coupe radiale schématique et partielle d'un exemple du cœur de réacteur à neutrons rapides, objet de l'invention. Le cœur 2 de la figure 1 est refroidi par un métal liquide qui est le sodium dans l'exemple.
Le cœur 2 forme un volume qui est délimité par un cylindre à base polygonale, ou cylindre externe, dont la génératrice est verticale et dont le rayon moyen est noté RC .
Pour la modélisation du cœur 2, on peut utiliser une géométrie simplifiée de type cylindrique, à base circulaire. Mais ce cœur est en fait constitué de couronnes, ou volumes, délimitées par des cylindres à bases polygonales avec, au centre du cœur, une partie cylindrique à base polygonale.
Les hauteurs dont il sera question par la suite sont comptées suivant un axe vertical z qui est parallèle à la génératrice mentionnée ci-dessus ; et les rayons, notamment le rayon RC, sont comptés suivant un axe horizontal r (qui est perpendiculaire à l'axe z) .
Le cœur 2 comprend une zone interne 4, de hauteur HZ1, et une zone externe 6, de hauteur HZ2.
La zone interne 4 forme un volume délimité par un cylindre à base polygonale, ou cylindre interne, dont la génératrice est parallèle à la génératrice mentionnée ci-dessus et dont le rayon moyen est noté RZl .
Et la zone externe 6 forme un autre volume, ou couronne, qui est délimité par les cylindres interne et externe, dont la génératrice est parallèle à la génératrice mentionnée ci-dessus et dont le rayon interne moyen et le rayon externe moyen valent respectivement RZl et RC .
On précise que les bases (également appelées directrices) polygonales, que l'on a mentionnées ci-dessus, peuvent être des polygones, par exemple des hexagones. Ces polygones, en particulier ces hexagones, peuvent être réguliers mais pas nécessairement .
Dans l'exemple de la figure 1, la base de chacun des cylindres considérés forme un hexagone régulier et l'on peut alors parler de l'axe commun à ces cylindres, à savoir l'axe z sur la figure 1.
Conformément à l'invention, le cœur 2 comprend, en allant de haut en bas du cœur :
- une zone absorbante supérieure 8, faite d'un matériau neutrophage,
- une zone de plénum de sodium 10,
- une zone supérieure de matériau fissile
12,
- une zone intermédiaire de matériau fertile 14,
- une zone inférieure de matériau fissile - une zone inférieure de matériau fertile 18, qui est optionnelle.
De plus, le plan médian horizontal PI de la zone intermédiaire de matériau fertile est situé au dessous du plan médian horizontal P2 de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile 12, la zone intermédiaire de matériau fertile 14 et la zone inférieure de matériau fissile 16.
Dans l'exemple représenté, la zone supérieure de matériau fissile 12, la zone intermédiaire de matériau fertile 14 et la zone inférieure de matériau fissile 16 s'étendent uniquement dans la zone interne 4 du cœur 2 ; mais la zone inférieure de matériau fertile 18 et la zone de plénum de sodium 10 s'étendent dans la zone interne 4 et la zone externe 6 ; et la zone externe 6 est faite uniquement de matériau fissile.
On peut utiliser des matériaux fissiles différents dans les zones 12, 16 et 6. Mais on peut aussi utiliser le même matériau fissile (par exemple uranium ou oxyde mixte uranium-plutonium) pour ces trois zones, comme le permet l'invention.
Et, en tant que matériau fertile, on peut par exemple utiliser l'uranium 238.
De plus, le cœur 2 est pourvu
- d'une zone inférieure 20, faite d'un matériau réflecteur de neutrons, plus simplement appelé matériau réflecteur, sous la zone inférieure de matériau fertile 18, et - d'une zone périphérique 22, également faite d'un matériau réflecteur, qui entoure le cœur 2 et se raccorde à la zone 8 en matériau neutrophage et à la zone 20 en matériau réflecteur, comme on le voit.
A titre d'exemple, la zone 8 est faite pour partie de carbure de bore constituant le matériau neutrophage, la zone 20 est faite de blocs d'acier, traversés par du sodium, et la zone 22 est faite d'assemblages en acier.
Sur la figure 1, on a seulement représenté les éléments du cœur 2 qui permettent la compréhension de l'invention. Par exemple, les emplacements des barres de contrôle du réacteur ne sont pas représentés.
De plus, comme on le sait, le cœur 2 résulte d'un ensemble d'éléments combustibles verticaux, à savoir les aiguilles de combustible (en anglais, fuel pins) , qui ne sont pas représentés sur la figure 1.
La nature d'une aiguille dépend de l'emplacement de celle-ci et donc de la coordonnée r. De plus, chaque aiguille comporte un empilement (vertical) d'éléments dans une gaine, et la nature d'un élément dépend de sa position, comptée suivant l'axe z.
Parmi ces éléments, on trouve des pastilles ; et, suivant sa position (comptée suivant l'axe Z) , une pastille peut être faite d'un matériau fissile ou d'un matériau fertile.
Seule la géométrie globale du cœur 2 est représentée sur la figure 1. Les zones de matériau fissile ou de matériau fertile dont il a été question plus haut résultent précisément des assemblages de pastilles que l'on a utilisés.
Les conditions suivantes sont respectées dans le cœur 2, quelle que soit la puissance de ce dernier :
le rapport R de la hauteur HFE* de la zone intermédiaire de matériau fertile 14 à la hauteur HFI> + HFE* + HFK de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile 12, de hauteur HFI>, la zone intermédiaire de matériau fertile 14 et la zone inférieure de matériau fissile 16, de hauteur HFK, est dans l'intervalle allant de 0,25 à 0,40 (ainsi la hauteur de la « plaque fertile interne », c'est-à-dire la zone intermédiaire de matériau fertile 14, dépend- elle de la hauteur de la « zone fissile interne », c'est-à-dire l'ensemble des zones 12 et 16) ;
- le rapport HZ1/HZ2 est dans l'intervalle allant de 0,6 à 1 (ainsi la hauteur de la zone interne dépend-elle de la hauteur de la zone externe) ;
- le rapport HFI>/HZ1 est dans l'intervalle allant de 0,3 à 0,5 (ainsi impose-t-on une condition sur la position de la plaque fertile interne au sein de la zone interne) ;
- le rapport RZl/RC est supérieur ou égal à 0, 75 (ainsi le rayon de la zone interne dépend-il du rayon total du coeur) ;
- la hauteur de la zone de plénum de sodium 10 dans la zone interne 4 est supérieure à 20 cm ; et la hauteur de la zone de plénum de sodium dans la zone externe 6 est aussi supérieure à 20 cm (ainsi impose-t-on des conditions sur la hauteur minimale de plénum au-dessus de la zone fissile) .
Le cœur 2 est optimisé pour permettre un pilotage du réacteur satisfaisant. En effet, l'ajout d'une plaque fertile interne (zone 14) tend à découpler les deux zones axiales de combustible (zones 12 et 16) lorsque son épaisseur devient trop importante.
Il a été vérifié que, dans les marges de conception proposées, la courbe d'efficacité des barres de contrôle était compatible avec le pilotage du cœur. Les publications antérieures étudient ce point de conception de manière simplifiée.
L'intérêt du cœur, objet de l'invention, en particulier du cœur 2, repose avant tout sur un effet amplificateur, résultant de l'association de caractéristiques individuelles qui réduisent l'effet de vidange, caractéristiques qui avaient été présentées de manière isolée dans l'art antérieur.
Le cœur, objet de l'invention, en particulier le cœur 2, les réunit dans un agencement bien précis. Cela permet de corréler leurs avantages respectifs de façon conséquente et amplifiée.
L'effet obtenu (le gain sur l'effet de vidange) est près de deux fois supérieur à l'effet escompté en sommant les différents effets pris individuellement .
En particulier, la géométrie de type « creuset » (HZ1/HZ2<1 c'est-à-dire HZKHZ2) répond bien aux objectifs visés, à savoir la réduction de l'effet de vidange, la possibilité de piloter le cœur et l'optimisation du diamètre du cœur. Les gains obtenus ont été évalués pour la situation la plus pénalisante (fin de cycle) . En plus du gain direct sur l'effet de vidange, à savoir un passage de 5$ à -0,5$, d'autres gains ont été mis en évidence :
des gains lors de transitoires accidentels :
• gains sur les températures du sodium lors d'accidents de perte de débit primaire,
• gains sur les températures d' étouffement du cœur, et
• marges sur les temps avant la perte de l'intégrité des structures, lors des transitoires de type perte de source froide (ULOHS pour Unprotected Loss of Heat Sink, ULOSSP pour Unprotected Loss of Station Service Power) ,
des gains sur le comportement du combustible, dus à un historique de puissance linéique maximale décroissant,
des gains potentiels en ce qui concerne la corrosion des gaines des aiguilles, et
la possibilité d'avoir une seule teneur en matière fissile pour l'ensemble du cœur, ce qui peut compenser la légère complexification du processus de fabrication, lié à la présence de la plaque fertile interne (zone 14) .
Enfin, on peut noter qu'un cœur conforme à l'invention s'inscrit dans les critères que l'on vise pour la quatrième génération de réacteurs.
Afin de confirmer les résultats mentionnés ci-dessus, plusieurs études ont été menées : Plusieurs calculs du cœur et de l'effet de vidange ont été menés de façon indépendante, avec le code de calcul ERANOS qui utilise des schémas de calcul différents, et ont confirmé les résultats (vérification croisée) .
Des calculs ont été réalisés afin de s'assurer que les effets géométriques étaient bien prédits par ERANOS, qui est un code déterministe : les écarts absolus sur l'effet de vidange sont de l'ordre de 0,3$ et ne remettent pas en cause l'invention.
En outre, plusieurs expériences intégrales avaient été réalisées, par le passé, sur les différentes caractéristiques individuelles, utilisables dans un coeur conforme à l'invention.
Deux de ces expériences portaient sur les cœurs hétérogènes axiaux (composition des aiguilles différentes selon l'axe z) alors qu'une autre expérience étudiait l'effet de vidange dans des assemblages comportant un plénum.
Et une expérience d' irradiation a montré que la plaque fertile interne (zone 14) limitait la corrosion des gaines, ce qui permet d'augmenter le taux de combustion.
L'optimisation géométrique des différents rapports de hauteurs et de rayons, mentionnés plus haut, permet de maximiser le niveau et le gradient de flux à l'interface du milieu fissile supérieur, de la zone interne et du plénum.
Grâce à cet agencement, le niveau du flux en cet interface est amplifié d'environ 30% par rapport à un cœur homogène de même puissance. Les fuites, dans le cas d'une situation de vidange, sont donc augmentées de façon très conséquente .
Les fuites axiales vers le plénum, et donc l'effet de vidange, sont directement dépendants de l'épaisseur de la plaque fertile, de sa position axiale, de sa longueur radiale, ainsi que de la hauteur du creuset.
Afin de quantifier les gains, on a réalisé une comparaison entre un cœur de 2400 MWth, de configuration standard (cœur homogène) , et un cœur de même puissance, conforme à l'invention.
Le cœur homogène 24, de configuration standard, est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 2. Il présente une symétrie cylindrique autour de l'axe z.
Il comporte des zones fissiles interne 26 et externe 28 entre deux zones fertiles 30 et 32. La zone 26 et la zone 28 sont faites de matériaux fissiles différents l'un de l'autre.
En outre, comme on le voit, une zone 33 en matériau neutrophage est prévue au-dessus de la zone 30, une zone 34 en matériau réflecteur est prévue en dessous de la zone 32, et l'ensemble du cœur est I entouré d'un matériau réflecteur 35.
Une modélisation en trois dimensions a été effectuée ; dans celle-ci, chaque assemblage était fondé sur un réseau d'aiguilles hexagonal. Le caloporteur était du sodium, et le combustible utilisé de l'oxyde de plutonium et d'uranium (dans des aiguilles pourvues d'une gaine métallique) . Le code de calcul utilisé était ERANOS, code de référence actuel pour les réacteurs rapides refroidis au sodium.
Le tableau ci-dessous présente les valeurs de vidange pour les deux cœurs ; il utilise les paramètres suivants :
zone neutrophage 8 en B4C de 70 cm d'épaisseur ; HFI> = 32,5 cm ; HFE* = 25 cm ; HFK = 22,5 cm ; HFE< = 30 cm ; HZ1 = 80 cm ; RZ1 = 1, 9 m ; RC = 2, 3 m ; HZ2 = 1 m.
Figure imgf000024_0001
Le gain sur cette configuration est supérieur à 5 $ et entraîne, pour le cœur de l'invention, un effet de vidange global négatif, tout à fait conforme aux résultats escomptés.
L'ensemble des vérifications pour ce cas précis ont été réalisées par des calculs de neutronique, des calculs de transitoires et des calculs de thermique pour le combustible.
Ces calculs ont permis de vérifier le bon comportement du cœur et d'en évaluer les gains potentiels .
La figure 3 est une vue schématique et partielle d'un autre mode de réalisation particulier de 1' invention . Comme on le voit, l'exemple de la figure 3 diffère simplement de celui de la figure 1 par le fait que, dans le coeur de la figure 3, la zone intermédiaire de matériau fertile 14 s'étend aussi dans la zone externe 6 du coeur 2 et donc à travers un matériau fissile.
La figure 4 est une vue schématique et partielle d'un autre mode de réalisation particulier de 1 ' invention .
Comme on le voit, l'exemple de la figure 4 diffère simplement de celui de la figure 3 par le fait que, dans le coeur de la figure 4, HZ1 et HZ2 sont égaux de sorte que HPl et HP2 le sont également.
Selon un autre mode de réalisation particulier non représenté, HZ1 et HZ2 sont égaux mais la zone intermédiaire de matériau fertile ne s'étend que dans la zone interne 4 du cœur 2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cœur (2) de réacteur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, comprenant, en allant de haut en bas du cœur (2) :
- une zone supérieure de matériau fissile
(12) ,
- une zone intermédiaire de matériau fertile (14), et
- une zone inférieure de matériau fissile
(16) ,
dans lequel le plan médian horizontal (PI) de la zone intermédiaire de matériau fertile (14) est situé au dessous du plan médian horizontal (P2) de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile (12), la zone intermédiaire de matériau fertile (14) et la zone inférieure de matériau fissile (16), et dans lequel le rapport R de la hauteur de la zone intermédiaire de matériau fertile (14) à la hauteur de l'ensemble formé par la zone supérieure de matériau fissile (12), la zone intermédiaire de matériau fertile (14) et la zone inférieure de matériau fissile (16) est dans l'intervalle allant de 0,25 à 0,40,
caractérisé en ce qu' il comprend en outre une zone absorbante supérieure (8), faite d'un matériau neutrophage, et, sous la zone absorbante supérieure, une zone de plénum de métal liquide (10), la zone supérieure de matériau fissile étant sous la zone de plénum de métal liquide.
2. Cœur selon la revendication 1, dans lequel le rapport R est dans l'intervalle allant de 0,25 à 0,35.
3. Cœur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant en outre une zone inférieure de matériau fertile (18), située sous la zone inférieure de matériau fissile (16) .
4. Cœur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant, radialement, une zone interne (4), de hauteur HZ1, et une zone externe (6), de hauteur HZ2, dans lequel la zone intermédiaire de matériau fertile (14) s'étend radialement au moins dans la zone interne (4) tandis que la zone de plénum de métal liquide (10) et la zone inférieure de matériau fertile (18) s'étendent radialement dans la zone interne (4) et la zone externe (6) .
5. Cœur selon la revendication 4, dans lequel le rapport HZ1/HZ2 est dans l'intervalle allant de 0,6 à 1.
6. Cœur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel le rapport HZ1/HZ2 est égal à 1.
7. Cœur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel le rapport HZ1/HZ2 est inférieur à 1.
8. Cœur selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans lequel le rapport HFI>/HZ1 est dans l'intervalle allant de 0,3 à 0,5, où HFI> représente la hauteur de la zone supérieure de matériau fissile (12) de la zone interne.
9. Cœur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, dans lequel la zone interne (4) du cœur (2) forme un volume qui est délimité par un premier cylindre à base polygonale dont la génératrice est verticale, et la zone externe (6) du cœur (2) forme un autre volume qui est délimité, intérieurement, par ce premier cylindre et, extérieurement, par un deuxième cylindre à base polygonale dont la génératrice est parallèle à celle du premier cylindre.
10. Cœur selon la revendication 9, dans lequel le rapport RZ1/RC est supérieur ou égal à 0,75, où RZ1 représente le rayon moyen de la zone interne (4) et RC le rayon externe moyen de la zone externe (6) .
11. Cœur selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, dans lequel la hauteur de la zone de plénum de métal liquide (10) dans la zone interne (4) est au moins égale à 20 cm.
12. Cœur selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, dans lequel la hauteur de la zone de plénum de métal liquide (10) dans la zone externe (6) est au moins égale à 20 cm.
13. Cœur selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, dans lequel la zone intermédiaire de matériau fertile (14) s'étend en outre dans la zone externe (6) .
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