Brevet FR2001783A1 — publié le 19691003

i 2001783 La présente invention concerne un système pour le recyclage du réfrigérant comportant des pompes à injecteurs avec un dispositif permettant d'augmenter la circulation normale. Dans ce système, l'eau d'alimentation est utilisée pour faire fonction-5 ner certaines des pompes à injecteurs. La plupart des pompes à injecteurs fonctionnent à débit constant et le réglage du débit est assuré en faisant varier le débit d'eau d'alimentation pour le reste des pompes à injecteurs. Les réactions en chaîne de fission nucléaire et les réac-10 teurs dans lesquels ont lieu ces réactions sont maintenant bien connus. D'une façon typique, un réacteur comprend un ensemble de réaction en chaîne ou coeur formé de matière fissile ou combustible dans des éléments combustibles. Le combustible est habituellement enfermé dans une enveloppe ou gaine conductrice de la chaleur et 15 résistant à la corrosion. Le coeur du réacteur formé d'un certain nombre de ces éléments combustibles espacés les uns des autres est enfermé dans un récipient tel qu'une cuve sous pression à travers laquelle circule le réfrigérant du réacteur. Pendant son passage entre les éléments combustibles espacés, le réfrigérant est chauf-20 fé par l'énergie thermique engendrée dans le combustible du fait des réactions de fission. Le réfrigérant chauffé sort ensuite du réacteur et l'énergie thermique de ce réfrigérant est utilisée pour produire un travail utile, après quoi le réfrigérant refroidi est recyclé dans le réacteur. 25 Dans un type de réacteur pour la production d'énergie, le réfrigérant est de l'eau qui est partiellement évaporée dans le coeur. La vapeur d'eau produite est séparée de l'eau à l'intérieur de la cuve du réacteur, et elle est dirigée vers un équipement d'utilisation, par exemple une turbine. L'eau séparée de la vapeur 30 est recyclée à travers le coeur. Dans des réacteurs modernes à eau bouillante la densité de p\iissance du coeur est augmentée en utilisant un système de pompage mécanique pour la circulation forcée de l'eau à travers le coeur. Un groupe de pompes à injecteurs logées dans la cuve sous 35 pression du réacteur dans un anneau formé entre l'écran du coeur et la paroi intérieure de la cuve sous pression constitue un système de circulation de réfrigérant hautement efficace. Le courant de fluide d'entraînement des pompes à injecteurs est fourni par des pompes centrifuges importantes entraînées par des moteurs 40 électriques à vitesse variable. 69 02701 2 2001783 La quantité d'énergie produite par le réacteur est ajustée en réglant la circulation du réfrigérant par les moteurs à vitesse variable. lia variation de la puissance du réacteur est obtenue en utilisant un coefficient négatif de puissance. Une 5 augmentation du débit du réfrigérant recyclé réduit momentanément le volume de vapeur d'eau à l'intérieur du coeur, en permettant l'échappement plus rapide de la vapeur d'eau. Il en résulte une augmentation de la réactivité et par suite de la production de chaleur par le coeur, parce qu'une proportion 10 plus importante du coeur contient de l'eau constituant un modérateur, ce qui provoque une augmentation du niveau de puissance du réacteur. L'augmentation de la vitesse de production de vapeur d'eau augmente le volume de vapeur d'eau dans le coeur et il en résulte une réactivité négative; de ce fait un nou--15 veau niveau de puissance constant plus élevé . Quand le débit de réfrigérant recyclé est réduit, le niveau de puissance est réduit d'une façon semblable. Ce système de circulation du réfrigérant est hautement efficace. Cependant, il est possible de l'améliorer. Les pompes 20 de circulation, les canalisations associées et les moteurs à vitesse variable des pompes sont des équipements très importants et très coûteux. Dans une installation importante pour la production d'énergie, par exemple d'environ 600 MW (électriques) les canalisations ont des diamètres de l'ordre de 600 mm. Il 25 serait particulièrement avantageux de supprimer les moteurs à vitesse variable et de réduire les dimensions des canalisations tout en conservant la possibilité hautement désirable de faire varier la puissance du réacteur par réglage du débit de réfrigérant recyclé. 30 La présente invention a pour objet un système de circu lation et de recyclage du réfrigérant d'un réacteur comportant un certain nombre ie pompes à injecteurs actionnées par des pompes à vitesse constante et un second groupe de pompes à injecteurs actionnées par l'eâu d'alimentation du réacteur. La 35 commande du courant de recyclage est assurée par régulation du débit d'eau d'alimentation réparti entre les pompes à injecteurs actionnées par l'eau d'alimentation et le distributeur d'eau d'alimentation du réacteur. 69 02701 3 2001783 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente schématiquement tun système de 5 circulation variable suivant une technique antérieure, - la figure 2 représente schématiquement un système de circulation variable suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, et - la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la 10 figure 2. La figure 1 représente schématiquement un équipement pour la production d'énergie à partir d'un réacteur nucléaire à circulation variable d'une type actuellement courant. Le réacteur nucléaire est enfermé dans yne cuve sous pression cyclindrique verti-15 cale 10 fermée à l'extrémité inférieure par un fond bombé 11 et à l'extrémité supérieure par un couvercle amovible en dôme 12. Un coeur classique 13 est logé à l'intérieur d'un écran 14 coaxial à l'intérieur de la cuve sous pression 10 pour établir un passage descendant annulaire 15 entre l'écran 14 et la paroi inté-20 rieure de la cuve sous pression 10. L'écran 14 est supporté par le fond 11 par l'intermédiaire d'une partie circulaire sensiblement tronconique 16. Plusieurs pompes à injecteurs sont montées verticalement dans l'espace annulaire 15 et leurs extrémités de refoulement sont 25 raccordées à des ouvertures de l'écran 14. Deux pompes à injecteurs 17 et 18 sont seules représentées pour simplifier le dessin. Le fluide d'entraînement est fourni aux pompes à injecteurs 17 et 18 par des pompes de circulation 21 et 22. Un jet d'eau à grande vitesse est dirigé dans les pompes 17 et 18 à travers 30 les ajutages injecteurs 23 et 24. L'eau contenue dans l'espace annulaire 15 est entraînée par l'action des jets injectés et elle est refoulée sous pression dans la chambre inférieure 25. L'eau remonte ensuite à travers le coeur 13 par des passages indiqués schématiquement en 26. Quand le mélange d'eau et de vapeur 35 d'eau arrive dans la chambre collectrice supérieure 27, la vapeur est séparée et l'eau repasse dans l'espace annulaire 15. Dans la pratique habituelle, au moins deux distributeurs 40 et 41 sont disposés à côté de la cuve sous pression du 69 02701 4 2001783 réacteur, ces distributeurs alimentant des nombres égaux de pompes à injecteurs, et un groupe indépendant formé d'une pompe et d'un moteur à vitesse variable alimente en eau chaque distributeur 40, 41. 5 Le niveau de l'eau est maintenu dans la cuve sous pression 10 environ au niveau indiqué par la ligne en tirets 28 au-dessus des extrémités d'entrée des pompes 1?, 18. Pendant la circulation ascendante de l'eau à travers le coeur 15, cette eau extrait la chaleur et une partie est évaporée en formant des bulles de vapeur 10 d'eau. La quantité de chaleur produite dans le coeur est réglée en partie par les barres de commande, dont l'une est indiquée schématiquement en 29. Comme il a été indiqué ci-dessus, la réactivité du coeur 13 et par suite la production de chaleur sont aussi réglées par le débit du réfrigérant à travers le coeur 13> en réglant 15 la vitesse des moteurs à vitesse variable 21 et 22 qui entraînent les pompes de recyclage^ou de circulation 19 et 20. Un mélange d'eau et de vapeur d'eau échappe du coeur 13 dans la chambre collectrice supérieure 27. Au passage du mélange dans le sens ascendant à travers les séparateurs de vapeur 30 et 20 les sécheurs de vapeur 31, l'eau est renvoyée vers l'espace annulaire 15 et la vapeur d'eau passe dans l'espace 32 pour la vapeur d'eau. La vapeur d'eau échappe de l'espace 32 à travers une canalisation 33 vers un équipement d'utilisation qui, suivant cet 25 exemple,est la turbine 34 entraînant une génératrice électrique 35. La vapeur échappant de la turbine 34 est condensée dans un condenseur 36. Après un traitement convenable,, par exemple de déminéralisation et de préchauffage, la vapeur condensée est refoulée par une pompe alimentaire 37 à. travers une canalisation 30 38 vers la cuve sous pression 10 du réacteur dans lequel la canalisation est raccordée à un distributeur diffuseur d'eau 39 perforé pour alimenter l'espace annulaire 15. Ce système est hautement efficace pour des applications commerciales. Cependant, dans un équipement important produisant 35 environ 600 MW (électriques) il est nécessaire que les pompes de circulation puissent faire circuler environ 32,5 x 10^ kg/h d'eau à travers le coeur avec une possibilité de variation de l'ordre de 80 à 100# de cette quantité. Il est par suite évi 69 02701 5 2001783 dent que les pompes 19 et 20 et leurs moteurs à vitesse variable 21 et 22 doivent être très importants et robustes pour assurer un tel débit. Le diamètre des canalisations du système de circulation doit être très important pour permettre les débits néces-5 saires. Il est par suite évident qu'une simplification de ce système peut permettre une réduction importante du prix de revient et des frais de fonctionnement ainsi que la construction d'installations très importantes dépassant la capacité des systèmes actuels de pompage. 10 La figure 2 représente schématiquement un équipement pour la production d'énergie comportant un système de circulation variable du réfrigérant suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention. Cet équipement est d'une façon générale analogue à celui de la figure 1, et par suite les références de la figure 1 sont 15 utilisées sur la figure 2 pour désigner les éléments sensiblement identiques. Les parties intérieures du réacteur sont d'une façon générale les mêmes dans les réacteurs des figures 1 et 2. Cependant, la combinaison pour alimenter les ajutages 23 et 24 des pompes à 20 injecteurs est différente dans le cas de la figure 2. D'une façon tyoique, la majorité des pompes à injecteurs (par exemple 16 sur 24) est alimentée en fluide d'entraînement à partir d'au moins un distributeur 43 alimenté à son tour par au moins une pompe de circulation à vitesse constante 44, ou si désiré par 25 une pompe à deux vitesses à dispositif moteur individuel. Les organes d'entraînement à vitesse variable coûteux sont ainsi supprimés. De plus, les canalisations de circulation peuvent avoir des diamètres plus réduits parce que le nombre de pompes à injecteurs alimentées par les pompes de circulation est plus faible (par 30 exemple 16 sur 24). Bien qu'en général la pompe 44 puisse être entraînée à une seule vitesse constante, il peut être désirable dans certaines conditions de fonctionnement à très faible puissance et pendant le démarrage du réacteur que la pompe 44 soit entraînée à une 35 seconde vitesse constante plus faible, Dans ce cas, le dispositif moteur solidaire de la pompe 44 peut être simplement un moteur électrique classique à deux vitesses» 69 02701 6 2001783 Le reste des pompes à injecteurs, en nombre plus réduit (par exemple 8 sur 24), est alimenté en eau d'alimentation constituant le fluide d'entraînement à partir de la pompe alimentaire 37 et à travers le distributeur 42. Cette pompe 37 est 5 aussi une pompe à vitesse constante. Le débit de fluide d'entraînement vers les ajutages de ces pompes à injecteurs peut être varié par un système de vannes divisant le débit d'eau d'alimentation entre le distributeur diffuseur d'eau d'alimentation 39 et les ajutages 23 des pompes à injecteurs. 10 Ainsi que le montre la figure 2 le système diviseur de débit peut aVolr une première section comportant une vanne de réglage de débit 46 et une soupape de retenue 47 dans une canalisation 48 entre la pompe alimentaire 37 et le distributeur d'eau d'alimentation 39* et une seconde section dompor-15 tant une vanne de réglage de débit 49 et une soupape de retenue 50 dans une canalisation 51 entre la pompe alimentaire 37 et le distributeur 42 alimentant les ajutages 23 des pompes à injecteurs. Le débit dans les deux directions peut ainsi être réglé en ouvrant plus loin l'une des vannes 46 ou 49 et en fermant l'autre de 20 façon correspondante. Les vannes 46 et 49 peuvent être couplées mécaniquement l'une à l'autre pour fonctionner dans des sens opposés, si cela est désiré. De plus, les vannes de réglage 46 et 49 peuvent être remplacées par une vanne unique assurant la division dans les deux directions. Cependant, le système à deux 25 vannes de réglage est préférable parce que les vannes 46 et 49 peuvent être utilisées ensemble pour faire varier le débit total d'eau vers la cuve sous pression 10,afin de maintenir le niveau 28 de l'eau à la position voulue. Les soupapes de retenue 47 et 50 empêchent le retour indésirable du réfrigérant à travers 30 les canalisations 48 et 51.. La figure 3 est une coupe schématique suivant la ligne 3-3 de la figure 2 et montre une disposition de distributeurs pour diriger les écoulements de liquide vers un groupe typique de pompes à injecteurs. Suivant ce mode de réalisation, les pompes 35 à. injecteurs sont groupées par paires dans l'espace ou anneau 15 entre l'écran 14 entourant le coeur 16 et la paroi intérieure de la cuve sous pression 10. Huit pompes à injection 18 sont actionnées par l'eau d'alimentation arrivant à travers le distributeur 42 69 02701 7 2001783 et seize pompes à injecteurs 17 sont actionnées par l'eau de circulation refoulée par la pompe de circulation à travers le distributeur 43. Si désiré, le distributeur 43 peut être divisé en deux parties, chacune alimentant huit pompes à partir d'une 5 pompe de circulation individuelle. Le système de circulation décrit ci-dessus permet ainsi de remplacer des pompes de circulation entraînées par des moteurs à vitesse variable très importantes par des pompes de circulation à une seule vitesse plus petites, tout en permettant de 10 faire varier le débit de circulation par augmentation ou réduction de la circulation à travers les pompes à injecteurs actionnées de façon variable par l'eau d'alimentation. Le débit d'eau d'alimentation vers les ajutages des pompes à injecteurs actionnées par l'eau d'alimentation peut varier 15 pratiquement de zéro à presque 100$ de l'eau d'alimentation disponible. Cependant, il est en général désirable de renvoyer une partie de l'eau d'alimentation au distributeur diffuseur d'eau d'alimentation pour refroidir le courant de liquide d'entraînement arrivant dans les pompes à injecteurs en dessous 20 de la température régnant dans l'espace annulaire. Ce refroidissement est nécessaire parce que si la température du liquide injecté dans les pompes est trop élevée, ce liquide peut subir une évaporation instantanée en produisant de la vapeur d'eau dans le col basse pression à circulation à grande vitesse de ces 25 pompes. Il est en général possible d'envoyer jusqu'à environ 80# de l'eau d'alimentation aux ajutages des pompes à injecteurs. Le système décrit ci-dessus a de plus l'avantage d'établir un trajet supplémentaire pour l'introduction d'eau de refroidissement en cas d'urgence à l'intérieur du réacteur par 30 exemple dans le cas d'une perte de réfrigérant ou d'un dérangement dans le système réfrigérant L'eau de réfrigération en cas d'urgence, injectée à travers la canalisation d'alimentation vers:les pompes à injecteurs entraînées par l'eau d'alimentation, pénètre immédiatement dans la chambre inférieure et dans 35 le coeur. Dans les systèmes antérieurs, l'eau d'alimentation pénètre par contre à travers le distributeur diffuseur dans l'espace annulaire. 69 02701 8 2001783 D'une façon générale, le nombre de pompes à injecteurs entraînées par l'eau d'alimentation peut atteindre environ la moitié. Bien qu'il soit possible de commander un pourcentage encore plus important de pompes à injecteurs avec l'eau d'aliaentation 5 disponible, cela peut conduire à des pompes fonctionnant avec un rapport entre le fluide entraîné et le fluide d'entraînement supérieur à 3. Ces pompes à rapport élevé ont tendance à avoir un rendement de pompage plus faible et par suite à demander une puissance 10 supplémentaire pour 1'entraînement. Ces systèmes sont complexes et nécessitent souvent la combinaison de plusieurs pompes en série. En général, si un système nécessite des débits faibles de circulation et produit de la vapeur d'eau d'un titre élevé à la sortie du coeur, la proportion de pompes à injecteurs entraînées 15 par l'eau d'alimentation peut être plus Importante, sans qu'il en résulte une augmentation indésirable du rapport entre le fluide entraîné et le fluide d'entraînement au-dessus de 3. Les détails de l'invention sont illustrée plus particulière-^ ment par l'exemple suivant d'ûne installation pour la pro-20 dùction.d'énergie comportant un système de circulation variable selon l'invention, avec une comparaison générale par rapport aux systèmes antérieurs à circulation variable. L'installation considérée à titre d'exemple est du type représenté sur la figure 2 avec 24 pompes à injecteurs distri-25 buées suivant la figure 3. La cuve sous pression cylindrique du réacteur a un diamètre intérieur d'environ 6,30 m et une hauteur d'environ 22,20 m. Le coeur situé dans la cttve esfe-placé dans un écran d'un diamètre d'environ 5,25 m coaxialement par rapport à la cuve. 30 Dans l'espace annulaire entre la cuve sous pression et l'écran, sont placées 24 pompes à injecteurs, chacune d'une longueur totale d'environ 4,90 m avec un diamètre de col d'en«-viron 200 mm. Ces pompes à injecteurs sont prévues pour fonctionner avec un rapport entre le fluide entraîné et le fluide 35 d'entraînement d'environ 2,26/1 et avec un rendement de pompage d'environ 31,8$. Le coeur du réacteur est prévu pour produire environ 3 293 MW (thermiques). Comme le débit total de circulation à pleine puissance est d'environ 46,5 x 10^ kg/h, les t c" 1 6i U//UI 9 /Oui 783 6 pompes nécessitent environ 14,3 x 10 kg/h de débit d'entraînement à travers les ajutages injecteurs» Dans les systèmes de circulation antérieurs convenant pour l'équipement décrit ci-dessus, ce débit total d'entraînement peut 5 être fourni par deux boucles de circulation, chacune alimentant 42 pompes à injecteurs. Chaque boucle nécessite des canalisations d'aspiration et de refoulement de la pompe de circulation d'un diamètre de 710 mm et un conduit distributeur d'un diamètre de 560 mm pour diriger le courant vers les pompes à injecteurs. Cha-10 cune des çleux pompes est entraînée par un groupe génératrice-moteur à commande par la fréquence de dimensions importantes. Chaque moteur fournit une puissance nominale de 5,250 KW demandant une alimentation électrique de 13 460 KW. Chaque pompe doit pomper 170m^n. Avec le système de circulation selon la présente invention, 15 16 des pompes à injecteurs reçoivent le liquide d'entraînement de pompes entraînées par des moteurs à une seule vitesse et les 8 autres pompes à injecteurs sont entraînées par de l'eau d'alimentation. Comme chacune des deux boucles de circulation n'alimente que 8 pompes à injecteur», cela permet des conduits d'aspiration et de 20 refoulement de 530 mm pour les pompes et des conduits distributeurs d'un diamètre de 455 mm. Comme les moteurs d'entraînement à vitesse unique sont plus simples et d'un meilleur rendement et que les pompes n'ont qu'à débiter que 105 m^/mn, les moteurs peuvent avoir une puissance nominale de 3 540 KW demandant une alimentation 25 électrique de 7600 KW seulement. Bien qu'avec le système antérieur il soit possible d'utiliser des canalisations et des pompes moins importantes en augmentant le nombre de boucles de circulation, cela est indésirable en raison de l'augmentation du nombre de moteurs d'entraînement de pompes et d'autres organes. 30 Les 8 autres pompes à Injecteurs sont entraînées par l'eau d'alimentation. Le débit total d'eau d'alimentation est d'environ 6,10 x 10^ kg/lu Ur.minimum d'environ 1,3 x 10^ kg/h de cette eau est dirigé vers le distributeur diffuseur d'eau d1âlimêntation pour assurer le refroidissement de l'eau passant par les ajutages 35 injecteurs. Cette quantité assure un refroidissement d'environ 2,75 kcal/kg. Le rendement de la pompe à injecteur n'est en général pas très affecté avant que le refroidissement tombe en dessous de 1,65 kcal/kg. Par suite, une quantité pouvant s'élever à fi 02701 10 2001783 2/5 ou environ 0,52 x 10^ kg/h peut être prélevée pour le réglage du niveau de l'eau sans affecter défavorablement le rendement des pompes à injecteurs. Environ 4,70 x 10 kg/h de l'eau d'alimentation sont disponibles pour le recyclage. La totalité de ces 5 4,70 x 10^ kg/h peut pratiquement être dirigée vers le distributeur diffuseur d'eau quand cela est nécessaire pour réduire la puissance du réacteur d'environ ?0$. Des vannes de réglage actionnées par des moteurs sont utilisées p»ur diviser le débit d'eau d'alimentation entre le distributeur diffuseur et les 10 pompes à injecteurs. Bien entendu, la pompe de circulation d'eau d'alimentation doit avoir une capacité un peu supérieure à celle des systèmes antérieurs, car elle doit compenser les pertes de charge à travers les vannes de réglage, les ajutages des pompes à injecteurs et les autres parties du circuit. 15 Le système de circulation donné en exemple ci-dessus permet de faire varier le débit de recyclage d'environ à 100$ du débit nominal. Pour permetWift-des débits encore inférieurs, par exemple pendant le démarrage et le fonctionnement à très faible puissance, les pompes de circulation principale peuvent comporter 20 des moteurs à deux vitesses à la place des moteurs à une vitesse. Bien que ces moteurs soient plus coûteux que les moteurs à une seule vitesse, ils sont encore bien moins coûteux que les moteurs à vitesse variable d'une façon continue ou les systèmes d'entraînement correspondants. 25 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi tative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 69 02701 ii 2001783 REVENDICATIONS 1. Un équipement pour la production d'énergie thermique comprenant un coeur de réaction nucléaire en chaîne & l'intérieur d'une cuve sous pression comportant une entrée et une sortie pour la circulation d'eau à chauffer, caractérisé par un premier 5 groupe de pompes à injecteurs au moins une pompe de circulation, un dispositif pour entraîner cette pompe à vitesse constante, un dispositif pour diriger l'eau de la cuve sous pression vers l'aspiration de la pompe de circulation et un dispositif pour diriger l'eau refoulée par la pompe vers les ajutages injecteurs 10 de ce premier groupe de pompes à injecteurs, un distributeur diffuseur d'eau d'alimentation à l'intérieur de la cuve sous pression, un second groupe de pompes à injecteurs, et une pompe d'alimentation pour diriger au moins une partie de l'eau d'alimentation vers le distributeur diffuseur et pour diriger le reste 15 de l'eau d'alimentation vers les ajutages injecteurs du second groupe de pompes à injecteurs. 2. Un équipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pompes pouvant atteindre environ la moitié du nombre total de pompes à injecteurs, sont actionnées par l'eau 20 d'alimentation. 36 Un équipement selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pompes à injecteurs sont situées dans l'espace annulaire rempli d'eau établi entre le coeur du réacteur et la paroi intérieure de la cuve sous pression» 25 4« Un équipement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 1# dispositif pour l'entraînement des pompes de circulation peut entraîner les pompes à deux vitesses constantes différentes»