Published April 1968 | Version v1
Book

Research on Heavy-Water Reactors with CO2 Coolant

  • 1. CEA, Centre d'Etudes Nucleaires de Saclay (France)

Description

The first French heavy-water power plant EL4 is cooled by carbon dioxide under pressure. The fact that in France there is a widespread network of plants using this cooling method contributed to this choice. Moreover, power extraction by gas has certain advantages, such as ease of operation, cheap fluid, and the possibility of steam cycles fairly similar to those of conventional power plants. Lastly, gas can open up possibilities for yield increases going hand in hand with technological progress. Direct use in a gas turbine can give 35% yields, for a maximum temperature of 500°C, and even reach 40% with a more complex cycle. During construction of the EL4, study of a 600 MW(e) reactor of similar design was made. It became apparent that such an increase in capacity was possible without raising too difficult technological problems. Appreciable reductions in investment costs may be obtained, in particular, by increasing the number of rods per bundle from 19 to 31 or 37. Eventually, investment costs should be fully comparable to those of other types of heavy-water reactor. Under a co-operation agreement with the Siemens and Sulzer Companies, the CEA has been conducting a study for a year now on a power station with gas cooling and contained in a prestressed concrete vessel. A more compact design can be obtained by integration. Equilibration of pressures between the heavy-water and the carbon dioxide permits better neutron economy, the force tube maintaining the gas pressure being replaced by a single calandria tube. Finally, the safety of the facility is also improved provided that the various ducts running through the vessel are suitably designed. The main technical problems relate to: equilibration of pressures (several designs for reducing diffusion of gas into the water are investigated); the handling device which is incorporated into the upper part of the vessel and which must work in an atmosphere of dry CO2; and lastly the exchangers, which must be set up in such a way that a faulty pipe can be detected and isolated, and even the whole set replaced. Fuel elements. To derive the greatest advantage from the favourable neutron characteristics of heavy-water reactors, a low-absorption canning material with a high resistance to corrosion and good mechanical strength at a temperature of about 600°C must be developed. The work done on beryllium has enabled its ductility to be considerably improved, but the problem of post-irradiation embrittlement, due to accumulation of helium atoms at the grain boundaries, has still not been overcome. The alloy zirconium-copper (1.6% or 2. 5% Cu) should provide a suitable canning material. Irradiation results obtained in the reactor PEGASE, under more stringent conditions than those obtaining in a standard reactor, are encouraging enough for it now to be proposed that the stainless-steel cladding in EL4 should be gradually replaced by zirconium-copper cladding, which would enable the reactor to operate under the proposed conditions of temperature and specific capacity. (author)

Abstract (French)

La premiere centrale de puissance a eau lourde francaise EL4 est refroidie au gaz carbonique sous pression. L'existence, en France, d'un important programme de centrales utilisant ce mode de refroidissement, fut un des elements du choix. En outre, l'extraction de puissance par gaz presente un certain nombre d'avantages: facilite d'exploitation, fluide bon marche, possibilite de cycles de vapeur assez voisins de ceux des centrales thermiques classiques. Enfin, le gaz peut ouvrir des possibilites d'augmentation des rendements au fur et a mesure des progres technologiques. L'utilisation directe dans une turbine a gaz peut se traduire, pour une temperature maximale de 500°C, par dies rendements de 35% et meme atteindre 40% avec un cycle plus elabore. Pendant la construction d'EL4, l'etude d'une centrale de 600 MW(e) d'une conception analogue a ete effectuee. Elle a fait apparaitre qu'une telle augmentation de puissance etait possible sans soulever de problemes technologiques trop severes. Des reductions sensibles des couts d'investissement peuvent etre obtenues, en particulier, en faisant passer le nombre de barreaux par grappe, de 19 a 31 ou 37. Finalement, les couts d'investissement seraient tout a fait comparables a ceux des autres types de reacteurs a eau lourde. Depuis un an, une etude de centrale refroidie au gaz et integree dans un caisson en beton precontraint, est faite par le CEA, dans le cadre d'un accord de cooperation avec les Societes Siemens et Sulzer. Un ensemble plus compact doit etre obtenu grace a l'integration; l'equilibrage des pressions entre l'eau lourde et le gaz carbonique permet une meilleure economie de neutrons, le tube de force supportant la pression du gaz etant remplace par un simple tube de calandre. Enfin, la surete de l'installation est amelioree, pourvu que les differents passages amenages dans le caisson soient convenablement agences. Les principaux problemes techniques concernent: l'equilibrage des pressions (plusieurs formules destinees a empecher la diffusion du gaz dans l'eau sont examinees); la machine de manutention qui est integree a la partie superieure du caisson et doit fonctionner dans du gaz carbonique sec; enfin, les echangeurs qui doivent etre agences de facon que l'on puisse deceler et isoler un tube defectueux, et meme proceder a leur remplacement total. Element combustible. Pour tirer pleinement profit des bonnes qualites neutroniques des piles a eau lourde, il faut mettre au point un materiau de gainage peu absorbant et posse une bonne resistance a la corrosion et une bonne tenue mecanique a une temperature d'environ 600°C. Les travaux effectues sur le beryllium ont permis d'ameliorer sensiblement la ductilite de ce materiau; toutefois, le probleme de fragilisation apres irradiation, par accumulation des atomes d'helium aux joints de grains, n'est pas encore resolu. L'alliage zirconium-cuivre (a 1,6% ou 2,5% de cuivre), devrait fournir un materiau de gainage convenable. Les resultats d'irradiations obtenus dans le reacteur PEGASE, dans des conditions plus severes que dans une pile de filiere, sont assez encourageants pour que l'on envisage actuellement de remplacer progressivement dans EL4 les elements gaines en acier inoxydable par des elements gaines zirconium-cuivre, qui permettront de faire fonctionner le reacteur dans les conditions de temperature et de puissance specifique prevues. (author)
Part of:
Heavy-Water Power Reactors. Proceedings Of A Symposium

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Etudes sur les Piles a Eau Lourde Refroidies par Gaz Carbonique

Publishing Information

Publisher
IAEA
Imprint Place
Vienna (International Atomic Energy Agency (IAEA))
Imprint Title
Heavy-Water Power Reactors. Proceedings of the Symposium on Heavy-Water Power Reactors
Imprint Pagination
1001 p.
Series
Proceedings Series
Journal Page Range
p. 331-342
ISSN
0074-1884

Conference

Title
Symposium on Heavy-Water Power Reactors
Dates
11-15 Sep 1967
Place
Vienna (Austria)

Optional Information

Notes
4 figs.
Secondary number(s)
IAEA-SM--99/55