Brevet FR2013194A1 — publié le 19700327

La présente invention concerne un système de sécurité utilisable lorsque deux substances réactives, un métal liquide (comme le sodium) et de l'eau et/ou de la vapeur d'eau, s'écoulent en relation d'échange de chaleur, les substances étant séparées par 5 une matière de barrage, comme les parois d'un faisceau de tubes s'étendant dans un récipient fermé et hors de ce dernier, l'eau et/ ou la vapeur d'eau s'écoulant à l'intérieur des tubes et le métal liquide s'écoulant en dehors et sur les tubes. Une défaillance locale de la matière de barrage permet un contact entre le métal 10 liquide et l'eau et/ou la vapeur d'eau, en produisant une violente réaction dégageant de l'hydrogène et provoquant une augmentation de pression dans le récipient fermé. L'augmentation de la pression, si elle n'est pas relâchée, peut être la cause de défaillances supplémentaires de la matière de barrage, ce qui aboutit à une 15 réaction supplémentaire et une augmentation supplémentaire de la pression et il peut finalement en résulter une explosion. En outre, pour relâcher la pression, il est souhaitable de pouvoir interrompre l'écoulement de l'une au moins des substances. Jusqu'ici, dans un; système d'échange de chaleur entre le so-20 dium et l'eau,du type à tubes dans une.enveloppe,utilisant des tubes en forme d'ïï et dans lequel, pour éviter que les plaques à tubes et les soudures entre les tubes et les plaques à tubes se trouvent dans un espace occupé par le sodium, un espace rempli de gaz inerte était prévu au-dessus du sodiunyà chaque extrémité des tubes, 25 on prévoyait un dispositif de décompression du type à disque d'éclatement pour relâcher une forte pression dans ces espaces remplis de gaz, lorqu'ellé était provoquée par l'hydrogène dégagé au cours de la réaction entre le sodium et l'eau,en cas de défaillance d'un ou plusieurs tubes. Cette décompression était assistée par un sys-30 tème commandé séparément,par lequel l'eau et la vapeur d'eau pouvaient être évacuées des tubes en laissant la vapeur d'eau se détendre, et l'admission de l'eau dans les tubes pouvait être interrompue. La présente invention traite"le problème posé par la réac-35 tion entre le sodium et l'eau en se fondant sur un nouveau principe, suivant lequel l'augmentation de la pression se produisant après une telle réaction est utilisée, avec la pesanteur, pour enlever é 69 24401 -2- 2013194 le sodium de la zone réactionnelle, en évitant ainsi le risque d'explosion qui pourrait survenir en suivant le processus utilisé jusqu'ici,dans le cas où l'agencement destiné à évacuer la vapeur d'eau et l'eau des tubes tombe en panne ou l'opération ne s'est 5 pas effectuée à temps. Par suite, suivant l'invention, en combinaison avec un échan- geur de chaleur entre un métal liquide et l'eau ou la vapeur d'eau, du type à tubes dans une enveloppe,destiné à fonctionner de façon que l'eau et/ou la vapeur d'eau passe dans les tubes et que le mé- 10 tal liquide s'écoule dans l'enveloppe fermée et sur les tubes, un est système de sécurité/caractérisé par une conduite communiquant avec la région inférieure de l'enveloppe,bien au dessous du niveau atteint par le métal liquide en fonctionnement, la conduite débouchant dans un récipient d'emmagasinage disposé à un niveau infé-15 rieur à celui de l'enveloppe, et un dispositif de décompression prévu dans cette conduite et la fermant normalement, de sorte qu'en cas de défaillance d'un tube,de façon qu'une réaction entre le métal liquide et l'eau et/ou la vapeur d'eau se produise et que l'hydrogène soit dégagé, l'augmentation résultante de la pression 20 dans l'enveloppe actionne le dispositif de décompression pour ouvrir la conduite et, avec l'effet de la pesanteur, refoule également le métal liquide hors de l'enveloppe et dans le réservoir d'emmagasinage. Le dispositif de décompression comprend de préférence une 25 membrane qui empêche normalement l'écoulement du métal liquide dans la conduite^qui est en une matière inerte à l'égard du métal liquide et, -du côté aval de la membrane, un élément d'appui rigide supportant ladite membrane, l'élément d'appui pouvant pivoter depuis une position,dans laquelle la membrane ferme la conduite,jusqu'à 30 une position, dans laquelle la conduite est ouverte, ledit élément d'appui étant maintenu dans la position de fermeture de^conduite par une goupille de cisaillement destinée à être brisée, avec la membrane, sous l'effet d'une pression prédéterminée du métal liquide, après quoi la pression du métal liquide ouvre la conduite 35 pour permettre au métal liquide de s'y écouler. De préférence, on utilise une seconde membrane,qui n'est pas supportée,en aval de ladite membrane et de l'élément d'appui, 69 24401 -3- 2013194 afin de retenir le métal en cas d'ouverture prématurée ou d'un mauvais fonctionnement du dispositif de décompression constitué, par la membrane et l'élément d'appui, et pour former également un espace intermédiaire permettant de détecter toute fuite du dispo-5 sitif de décompression. La membrane ou les deux membranes sont de préférence en tôle de nickel. On utilise de préférence deux positions réservées aux goupilles de cisaillement qui sont accessibles de l'extérieur de la con-10 duite,bien qu'une seule goupille de cisaillement soit utilisée en fonctionnement, en permettant d'enlever une goupillée cisaillement au cours de l'entretien courant, en utilisant une goupille-de cisaillement provisoire placée à l'autre endroit. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressor-15 tiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 représente un schéma de principe ; 20 la figure 2 est une vue de côté partielle en coupe médiane ;et la figure 3 est une vue en bout, en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. En se référant aux dessins, les figures 2 et 3 montrent l'utilisation d'un dispositif de décompression 1 dans une conduite 2 25 réservée à un métal liquide, comme le sodium, à une température élevée (par exemple 350°C), le dispositif 1 faisant partie d'un système de sécurité, représenté sur lr, figure 1, pour un générateur de vapeur d'eau chauffé par un métal liquide, un réchauffeur ou un surchauffeur, comme par exemple celui nécessaire pour un ré-30 acteur nucléaire régénérateur à neutrons rapides, refroidi par un métal liquide, produisant de l'énergie, comme le réacteur à neutrons rapides prototype (P.F.R.), qui est actuellement construit à Dounreay, Ecosse. Un exerple typique d'un générateur de vapeur d'eau chauffée par du sodium ou surchauffeur, qui est du type à 35 tubes dans une enveloppe, est représenté schématiquement sur la figure 1 et est désigné d'une façon générale par le numéro de référence 3 et comprend une enveloppe constituée par une enceinte 69 24401 -4. 2013194 sous pression 4 contenant des tubes d'échange de chaleur représentés schématiquemerit par des traits mixtes 5 en forme d'U et se terminant à leurs extrémités dans des collecteurs d'eau ou de vapeur d'eau 6 et 7, respectivement. Les soudures entre les tubes et les 5 plaques à tubes sont isolées par des espaces 8 et 9 remplis d'un gaz inerte (par exemple de l'argon) au-dessus des niveaux 10 et 11 du métal liquide et une cloison 12 sépare les espace 8 et 9 l'un est, de l'autre. Une entrée 13 de l'enceinte sous pression/réservee au sodium contenu dans un circuit secondaire,sodium qui descend, puis 10 monte sur les tubes 5 en forme d'U, en quittant l'enceinte sous pression 4 par une sortie 14. Chaque circuit secondaire comporte un côté des échangeurs de chaleur situés dans le circuit primaire de sodium du réacteur, une pompe de circulation et un générateur de vapeur d'eau, un surchauffeur et un réchauffeur. 15 Une autre sortie 15 est formée dans la région d'extrémité in férieure de l'enceinte sous pression 4 et communique avec la conduite 2, cette dernière étant normalement fermée par le dispositif de décompression 1. Bien qu'elle soit représentée dans la région d'extrémité inférieure de l'enceinte 4 sur la figure 1, la sortie 20 15 reliée à la conduite 2 peut se trouver avantageusement au point le plus bas de l'enceinte 4, en supposant qu'il existe une place suffisante à m niveau inférieur pour le récipient d'emmagasinage décrit ultérieurement... Le dispositif est destiné à fonctionner en cas de défaillance d'un tube 5 d'échange de chaleur,pendant le 25 fonctionnement.,qui serait susceptible de permettre à l'eau ou à la vapeur d'eau de venir en contact avec le sodium en circulation. Dans ce cas, il se produit une réaction rapide et un dégagement d'hydrogène qui augmente rapidement la pression régnant dans l'enceinte sous pression et, ajoutée à la charge appliquée au disposi-30 tif de décompression qui est dûe à la chute de pression dans le • sodium et à la charge du sodium lui-même, actionne le dispositif de décompression 1, ouvre la sortie 15 et refoule le sodium, en é-tant aidé par la pesanteur, depuis l'enceinte de sous pression 4 dans la conduite 2 pour qu'il s'écoule le long de la conduite 2 35 dans un réservoir d'emmagasinage 16 destiné à recevoir une quantité supérieure à la quantité totale du sodium contenu dans l'échangeur de chaleur particulier en question. Le récipient, d'emmagasinage 16 69 24401 -5- 2013194 et la partie de la conduite 2 située en aval du dispositif de décompression 1 sont maintenus normalement à la pression atmosphérique. lorsque le dispositif de décompression 1 fonctionne ou lorsque le dégagement d'hydrogène dans l'enceinte 4 est détecté par un dis-5 positif détecteur approprié, un montage classique détecteur de dérangements arrête le réacteur nucléaire et isole l'échangeur de chaleur affecté du sodium. En outre, on peut faire en sorte que la vapeur d'eau soit chassée par détente du circuit de vapeur d'eau de l'échangeur de chaleur affecté et, lorsque l'échangeur de chaleur 10 est un générateur de vapeur d'eau, le générateur est isolé de l'eau. Ces mesures supplémentaires offrent une protection qui s'ajoute à la protection principale fournie en enlevant le sodium de l'enceinte 4 et en empêchant l'entrée d'une quantité supplémentaire de sodium dans l'enceinte 4 depuis le circuit secondaire grâce à cet isole-15 ment. En se référant de nouveau aux figures 2 et 3, le dispositif de décompression 1 situé dans la conduite 2 comprend une membrane 17 en forme de disque en tôle de nickel dont le bord périphérique est maintenu d'une façon, étanche entre deux joints annulaires 18 20 également en nickel, les joints annulaires 18 étant eux-mêmes maintenus d'une façon étanche entre des brides 19 et 20 de deux parties 21 et 22 ,respectivement, des tubes constituant la conduite 2. les brides 19 et 20 sont maintenues en contact étanche contre les joints 18 par des bagues 23 et 24,qui sont en contact avec des faces n'as-25 surant pas l'étanchéité des brides 19 et 20 et par une série de boulons 25 s'étendant entre les bagues 23 et 24. En outre, une bague d'appui en métal mou annulaire 26 vient en contact avec les surfaces périphériques externes des brides 19 et 20. La bride 20 de la partie 22 de la conduite présente une patte 30 27 faisant saillie vers l'intérieur,qui est percée en 28 pour former un pivot pour une plaque d'appui 29 de la membrane 17. Le pivot est formé par deux éléments diamétraux espacés 30, soudés à la plaque 29 et pivotant à l'une de leurs extrémités sur un goujon 31 introduit dans l'orifice 28 de 1p. patte 27. Les éléments 30 sont 35 soudés par leurs autres extrémités sur un bloc 32 destiné à une goupille de cisaillement présentant deux trous borgner- radi&ux 33 et 34. La bride 20 de la partie 22 de la conduite présente un bloc 69 24401 -6- •2013194 35 s'étendant vers l'intérieur,qui y est soudé à un endroit diamétralement opposé à la patte 27, la surface interne du bloc 35 étant en regard de la surface externe du bloc 32,en laissant un faible jeu entre eux. Le bloc 35 et la bride 20 présentent des orifices 5 en regard 36 et 37 qui coïncident également avec les trous borgnes 33 et 34,respectivement. Chacun des orifices ménagé dans la bride 20 présente une partie supérieure de plus grand diamètre et un tara udage pour un boulon à tête 38 ; une goupille de cisaillement 39 , présentant une tête 40 pour venir au contact de la partie du plus 10 grand diamètre,est utilisée dans l'une des paires d'orifices en regard et des trous borgnes 36,33 ou 37,34, l'autre paire restant libre pour permettre un changement. Il est avantageux que les emplacements réservés aux goupilles de cisaillement soient accessibles de l'extérieur de la conduite, en permettant d'effectuer une véri-15 fication ou un entretien courant,sans avoir à démonter la canalisation. Au-delà de l'arc de pivotement de la plaque d'appui 29 et du bloc 32 dans le sens de l'axe se trouve une membrane d'appui 41 en forme de disque bombé,dont le bord périphérique est serré d'une fa-20 çon étanche entre une bride 42 soudée à l'intérieur de la partie 22 de la conduite et une bague 43 fixée à la bride 42 par des goujons 44 munis de boulons. Des bagues toriques d'étanchéité 45 sont prévues sur les faces en regard de la bride 42 et de la bague 43 pour former un joint contre le membrane 41. Un joint en forme de 25 soufflet 46 est intercalé dans la conduite 2 en aval du dispositif de décompression 1 et, selon une variante, la membrane d'appui 41 peut être incorporée entre des brides qui font partie du soufflet (no-. rSiiésentées mais d'un type classique). Les caractéristiques de cisaillement de la goupille 39 sont 30 choisies de façon que la goupille cède à une surpression dé'terminée dans l'enceinte sous pression. Lorsque la goupille 39 cède, la pression fait également céder la membrane 17,et la plaque 29 est contrainte de pivoter et d'occuper une position ouverte, en permettant ainsi au sodium de s'écouler le long de la conduite 2 dans 35 le réservoir d'emmagasinage 16. Bien que la membrane 17 puisse être conçue pour céder à n'importe quelle presrsion voulue avec un faible pourcentage d'erreur, on se rend compte qu'aux températures 69 24401 -7- 2013194 élevées en particulier, lorsque la pression normale de fonctionnement est proche de la pression de défaillance, la durée en fonctionnement de la membrane 17 serait fortement réduite si elle n'était pas supportée. Cependant, lorsqu'elle est supportée comme décrit 5 plus haut, les contraintes auxquelles la membrane 17 est soumise sont réduites et sa durée en service est prolongée. En utilisant la plaque d'appui 29 pour donner de la rigidité à la membrane 17 et en utilisant la goupille de cisaillement 39 pour qu'elle cède à une surpression voulue, la membrane 17 (qui cède avec la goupil-10 le de cisaillement 39) joue encore un rôle utile,en ce sens qu'elle ferme hermétiquement la conduite 2 pendant le fonctionnement normal (il serait très difficile d'assurer une étanchéité à l'encontre du sodium liquide autour de la périphérie de la plaque d'appui,si celle-ci devait fonctionner comme un papillon) et également, du 15 fait qu'elle constitue le barrage arrêtant le sodium chaud, elle permet d'utiliser des matériaux classiques (et par suite moins coûteux) pour la plaque d'appui 29, les éléments 30 et les blocs 32 et 35, en comparaison des matériaux spéciaux qui seraient nécessaires, si ces pièces devaient avoir une bonne résistance prolongée 20 à la corosion dans le sodium chaud. La membrane d'appui 41 est prévue pour retarder l'écoulement de tout le sodium contenu dans le circuit d'échange de chaleur en question,lorsqu'en raison d'un mauvais fonctionnement ou d'une défaillance accidentelle, le barmge formé par la membrane 17 et 25 la plaque d'appui 29 est supprimé de façon prématurée et sans que ce soit dû. à une défaillance d'un tube dans l'échangeur de chaleur. La membrane 41 peut également servir à former un espace intermédiaire 47, de façon que s'il devait se produire une fuite accidentelle du sodium au-delà du barrag^initial,elle puisse être détec-30 tée dans l'espace intermédiaire 47 par un dispositif classique (non représenté) et que des mesures puissent être prises pour empêcher la fuite sans que le sodium s'échappe dans le récipient d'emmagasinage 16. Le récipient d'emmagasinage 16 comporte de préférence une lumiè-35 re normalement fermée en position haute (non représentée), de façon à pouvoir évacuer dans l'atmosphère l'hydrogène qui est entraîné par le sodium ou qui parvient dans le réservoir 16 après que le sodium s'y est écoulé. La lumière supérieure présente un simple diaphragme sensible à la pression pour permettre l'évacuation,et on 40 utilise des dispositifs classiques pouijôébarrasser le gaz évacué du sodium entraîné-. 69 24401 -e- 2013194 REVEHPICATIOUS 1. Système de sécurité utilisé en combinaison avec un échan-geur de chaleur entre un métal liquide et de l'eau ou de la vapeur d'eau,du type à tubes dans une enveloppe,destiné à fonctionner 5 de façon que l'eau et/ou de vapeur d'eau s'écoule dans les tubes et que le métal liquide s'écoule dans l'enveloppe fermée et sur les tubes, système caractérisé en ce qu'il comprend une conduite communiquant avec la région inférieure de l'enveloppe bien au-dessous du niveau du métal liquide en fonctionnement, ladite conduite 10 débouchant dans un récipient d'emmagasinage situé à un niveau inférieur à celui de l'enveloppe, et un dispositif de décompression situé dans ladite conduite et la fermant normalement, de façon qu'en cas de défaillance d'un tube susceptible de provoquer une réaction entre le métal liquide et l'eau et/ou la vapeur d'eau 15 et un dégagement d'hydrogène, l'augmentation résultante de la pression dans l'enveloppe actionne le dispositif de décompression pour ouvrir la conduite et également, avec l'effet de la pesanteur, refoule le métal liquide hors de l'enveloppe et dans le récipient d'emmagasinage. 20 2. Système de sécurité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de décompression comprend une membrane empêchant normalement l'écoulement du métal liquide dans la conduite, cette membrane étant en une matière inerte à l'égard du métal liquide et, du côté aval de ladite membrane, un élément d'appui rigi-25 de supportant la membrane, l'élément d'appui pivotant depuis une position,dans laquelle la membrane ferme la conduite,jusqu'à une position,dans laquelle la conduite est ouverte, l'élément d'appui étant maintenu en position de fermeture de la conduite par une goupille de cisaillement destinée à céder, avec la membrane, à une 30 pression prédéterminée du métal liquide, la pression du métal liquide ouvrant alors la conduite de façon qu'il puisse s'écouler le long de cette dernière. 3. Système de sécurité selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu une seconde membrane non supportée en aval 35 de la membrane mentionnée en premie^Lieu et de l'élément d'appui, afin de retenir le métal en cas d'ouverture prématurée ou de mauvais fonctionnement du dispositif de décompression constitué par la membranne et l'élément d'appui, et formant également un espace 69 24401 -9- 2013194 intermédiaire permettant de détecter toute fuite du dispositif de décompression. 4. Système de sécurité selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la membrane ou les deux mem- 5 branes sont en nickel. 5. Système de sécurité selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu deux emplacements réservés à des goupilles de cisaillement qui sont accessibles de l'extérieur de la conduite, bien qu'onnhrfcilise qu'une seule goupille dCisaillement en fonc-10 tionnement, ce qui permet d'enlever une goupille de cisaillement et de la remettre en place,au cours d'une vérification ou entretien courant,en introduisant une goupille de cisaillement provisoire à l'autre endroit. 6. Système de sécurité selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce qu'il comprend en outre un dispositif actionné par le dégagement de l'hydrogène dans l'enveloppe pour isoler l'enveloppe du métal liquide du circuit dont l'échangeur de chaleur fait partie. 7. Système de sécurité selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en-outre un dispositif actionné par le déga- 20 gement d'hydrogène dans l'enveloppe pour enlever l'eau et/ou la vapeur d'eau des tubes et, si possible, pour isoler lesdits tubes de l'eau. 8. Réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide capable d'engendrer de la vapeur d'eau,caractérisé en ce qu'il comporte, 25 dans son circuit générateur de vapeur d'eau, un ou plusieurs échan-geurs de chaleur munis d'un système de sécurité selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Dispositif de décompression destiné à une conduite de transport de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend une membrane 30 empêchant normalement le fluide de s'écouler-dans la conduite, ladite membrane étant en une matière inerte à l'égard du fluide, et du côté aval de ladite membrane, un élément d'appui rigide supportant la membrane, ledit élément d'appui pouvant pivoter depuis une position,dans laquelle la membrane ferme la conduite,jusqu'à 35 une position,dans laquelle la conduite est ouverte, l'élément d'appui étant maintenu en position de feimetur? de la conduite par une goupille de cisaillement destinée à céder, avec ladite membrane, à une pression frrédétenainée du fluide, la conduite étant alors ouverte et permettant au fluide de s'y écouler.