Brevet FR2006916A1 — publié le 19700102

! 2006916 La présente invention concerne d'une manière générale les réacteurs de génération d'énergie et vise notamment un réacteur à eau sous pression du genre dans lequel on chauffe de l'eau en la faisant circuler à travers un coeur de réacteur logé dans une en-5 ceinte sous pression. Dans un réacteur à eau sous pression, on refoule d'importants volumes d'eau sous haute pression dans le coeur du réacteur pour porter l'eau à une température donnée, un peu inférieure à celle de saturation sous la pression existante. Lorsqu'elle quitte l'en-10 ceinte du réacteur, l'eau chauffée (dite fluide primaire) sert à chauffer de l'eau sous pression inférieure (dite fluide secondaire) pour produire de la vapeur qui subit en général une surchauffe, avant d'être livrée à des machines thermiques pour la production d'énergie électrique. On renvoie ensuite l'eau refroidie pendant 15 la production de vapeur au réacteur sous pression pour la chauffer à nouveau et répéter le cycle de production d'énergie. Lorsqu'on utilise un réacteur à eau sous pression, il faut conserver une marge de sécurité entre la température de l'eau sous haute pression qui quitte le réacteur et la température de 20 saturation sous la pression existante. Comme le conçoit le technicien, il est très avantageux de donner à l'eau qui quitte le réacteur une température aussi élevée que possible, tout en minimisant la production de vapeur d'eau pendant chauffage de l'eau dans le coeur du réacteur. S'il est nécessaire de conserver à 25 l'eau sous pression une température choisie, ©'est essentiellemsit pour des raisons de sécurité et pour assurer le bon fonctionnement du coeur de réacteur. On conçoit que toute surchauffe, résultant par exemple d'une production excessive de vapeur dans l'eau sous pression, risque de surchauffer les éléments du coeur du fait d' 30 un refroidissement insuffisant. Une telle surchauffe est dangereuse et risque d'entraîner 1'endommagement et/ou la destruction du coeur. Pour assurer le bon fonctionnement d'un coeur de réacteur, il est nécessaire de bien répartir l'eau (fluide primaire) envoyée au 35 coeur, en vue d'obtenir les débits désirés dans toutes les parties du coeur et de répartir uniformément la température dans l'ensemble du volume d'eau qui pénètre dans le coeur. La présente invention a pour objet une structure assurant la bonne répartition de l'eau qui pénètre dans le coeur d'un réacteur. 40 Selon un mode de réalisation et étant donné que l'eau recyclée, 69 12958 2006916- Renvoyée au coeur, peut être admise aans l'enceinte du réaeteur par une série d'entrées, on fait déboucher ces entrées-dans un espace annulaire qui enferme le coeur du réacteur et on les munit de déflecteurs qui dirigent l'eau, de haut en bas, vers une chambre 5 inférieure. On imprime à l'eau sous pression qui atteint et traverse la chambre un mouvement tourbillonnaire au moyen d'aubes interposées sur sajtrajectoire. Ce mouvement tourbillonnaire imprime à la masse d'eau un brassage qui égalise les températures dans cette masse et qui répartit l'eau dans toute la chambre. A la sortie 10 de la chambre, l'eau traverse de bas en haut une plaque perforée en forme de coupole renversée qui améliore encore la répartition de l'eau entrante puis passe dans une seconde ohambre et traverse ensuite de bas en haut une plaque perforée plane assurant son introduction contrôlée dans les araltiples passages de circulation 15 en parallèle du coeur de réacteur. Sur le dessin annexé : la figure 1 est une vue de profil avec coupe partielle d'un réacteur à eau sous pression conçu et agencé suivant l'invention; la figure 2 est une vue schématique en plan, en coupe suivant 20 la ligne II-II de la figure 1 i la figure 3 montre à plus grande échelle un détail de l'ensemble représenté sur la figure 1 ; la figure 4 reproduit à plus grande échelle une partie de la figure 1 ; et 25 la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4. Suivant le mode de réalisation de l'invention choisi à titre d'exemple et représenté sur les figures, il est prévu un réacteur à eau sous pression comportant une enceinte sous pression 10 sen-30 siblement verticale, à section circulaire, fermée au sommet par un dome 11 et à la base par un dome renversé 12. Dans l'enceinte sous pression, le coeur est entouré par un bouclier 13 coaxial à la face intérieure de la paroi d'enceinte sous pression, dont il est transversalement espacé. Le bouclier 13 est fixé et suspendu au 35 tronçon supérieur de l'enceinte sous pression et s'étend vers le bas jusqu'à un niveau 14 situé plus haut que le d8me renversé 12 qui referme l'enceinte sous pression à la base. Comme représenté, l'enceinte sous pression comporte dans sa partie supérieure quatre admissions d'eau 15, angulairement espa-40 cées, qui débouchent dans un passage annulaire 16, réservé entre 69 12958 3 2006916 le bouclier et la paroi de l'enceinte sous pression# Au même niveau sont disposés, à une certaine distance angulaire des admissions, deux embouts de sortie d'eau 20 qui traversent l'enceinte sous pression et l'espace annulaire pour déboucher dans l'espace 5 intérieur 21 délimité par le bouclier 13. Le coeur 22 du réacteur est situé dans le tronçon inférieur du bouclier 13 et repose directement sur ce dernier par l'intermédiaire d'une structure convenable 23. Ainsi, l'eau arrive par les admissions 15$ traverse de haut en bas le passage annulaire 16, 10 entre la paroi de l'enceinte sous pression et le bouclier 13* et atteint une chambre 24 située dans la partie inférieure de l'enceinte sous pression. L'eau se retourne ensuite et traverse de bas en haut le coeur 22, arrive dans la partie supérieure du bouclier 13, puis traverse des trous convenables, percés dans ce der-15 nier et reliés aux embouts de sortie 20. Pour satisfaire à des impératifs de sécurité, on munit l'enceinte sous pression d'une rangée de supports coudés 25, angulai-rement équidistants, saillant vers l'intérieur sur la paroi de 1' enceinte sous pression jusqu'au niveau dun rebord 26, fixé au bou-20 olier et qui fait partie de la structure 23 de support du coeur 22. Les supports coudés ne présentent normalement aucun contact avec aucune partie du bouclier 13, ni de la structure associée de support du coeur. Ils sont destinés à empêcher le bouclier 13 de décrire certains mouvements angulaires exceptionnels pouvant résul-25 ter de tremblements de terre ou d'autres effets extérieurs subis par l'enceinte du réacteur, ainsi qu'à soutenir le coeur au cas où une surchauffe accidentelle affaiblirait sa structure de support. Dans la structure telle que décrite jusqu'à présent, le coeur 22 du réacteur est pratiquement entouré par de l'eau sous pression 30 relativement froide qui traverse de haut en bas le passage annulaire 16, puis retourne vers le haut pour traverser le coeur, où elle se chauffe puis la partie centrale dë l'enceinte sous pressiai. Comme signalé il est hautement désirable de disposer, dans l'eau sous pression chauffée d'une quantité maximale de chaleur sensible 35 à utiliser dans des échangeurs de chaleur extérieurs (non représentés) pour engendrer de la vapeur d'eau dans le fluide secondaire, mais de maintenir toutefois entre la température atteinte par 1" eau sous pression et la température de saturation à la pression existante, l'écart voulu pour protéger le coeur du réacteur ; il 40 est donc essentiel d'assurer une répartition de débit et de tempe 69 12958 2006916 rature sensiblement uniforme dans le volume d'eau qui atteint et traverse le coeur 22. Le coeur est du type connu dans lequel une pluralité de barres combustibles verticales sont réparties sur toute la section transversale du coeur, une pluralité de passages 5 de circulation d'eau parallèles, à sections de passage sensiblement égales, étant répartis dans la totalité du coeur pour refroidir les barres combustibles et pour chauffer l'eau. Suivant l'invention, on pose sur le bouclier 13, en face de chacun des embouts 15 d'admission d'eau un déflecteur en U renver-10 sé 27 destiné à diriger le courant d'eau arrivant vers le bas dans le passage annulaire 16. On constate que de tels déflecteurs sont utiles pour améliorer la répartition angulaire du débit et rendre maximale 1'efficacité des aubes de tourbillonnement qu'on décrira plus loin. Le débit d'eau arrivant peut présenter des irrégulari-15 tés résultant de nombreuses causes, telles que mauvais fonctionnement de la pompe ou analogues. Dans certains cas, tels que panne d'une pompe interposée sur l'un des quatre conduits aboutissant aux ajutages d'entrée, la mauvaise répartition de l'eau qui pénètre dans le coeur risque d'avoir des effets graves sur ce dernier, 20 en l'absence des déflecteurs. 27 et de l'agencement de distribution d'eau qu'on décrira plus loin. Une série d'aubes inclinées 30 sont fixées à la face intérieure du dojae de fermeture inférieur 12 pour imprimer un mouvement tourbillonnaire à l'eau qui pénètre dans la partie inférieure de l' 25 enceinte sous pression. Ces aubes sont directement soudées au doœe renversé 12 de l'enceinte sous pression et sont inclinées sur des plans radiaux, passant par l'axe vertical de l'enceinte. On conçoit que l'eau qui traverse de haut en bas le passage annulaire 16 rencontre les aubes, qui la font tourbillonner dans la chambre 24, 30 formée par la partie inférieure de l'enceinte sous pression. Bien entendu, les aubes peuvent être rectilignes ou incurvées et peuvent être interposées dans le passage annulaire 16, entre le bouclier 13 et la paroi de l'enceinte sous pression, ou entre l'emplacement représenté et le passage annulaire 16. Dans l'exemple considéré, il 35 se révèle avantageux de poser directement les aubes^sur la paroi du dome renversé de fermeture inférieur 12 pour faciliter leur fixation et leur mise en place. Les aubes 30 étant situées contre la face inférieure de la chambre 24, la limite supérieure de cette chambre consiste en un 40 élément perforé 31 en forme de coupole renversée * Un or-gane anti- 69 12958 5 2006916 tourbillonnaire 29 est fixé au centre de la face inférieure de la coupole 31 pour régler la rotation de la masse tourbillonnante qui pénètre dans les perforations de cette coupole et pour accroître le débit dans la partie centrale de la coupole en dissipant leJiDins 5 possible d'énergie. Dans l'exemple choisi, les perforations 32 du déflecteur en coupole sont réparties à intervalles uniformes en rangées circulaires sur la totalité de la eoupole. En variante et si besoin est, on peut donner aux perforations des espacements teLs qu'elles répartissent inégalement le volume de fluide passant de j© bas en haut du réservoir 24 à travers la coupole 31. On indiquera plus loin l'intérêt d'un tel agencement. La structure de support 23 fixée au bouclier 13 et qui soutient les éléments du coeur comporte encore une jïaque de distribution perforée 33 sensiblement plane qui définit en fait avec la 15 coupole de distribution une seconde chambre 34. La plaque 33 présente aussi des perforations équidistantes 35 destinées à répartir le fluide qui arrive de bas en haut de la seconde chambre et passe dans les canaux de circulation ménagés dans le coeur du réacteur. Suivant le mode de réalisation choisi à titre d'exemple, le 20 réacteur à eau sous pression est conçu pour être traversé par un débit d'eau horaire d'environ 60 000 t. Cette eau arrive à une température d'environ 290°C et ressort à une température d'environ 3l8°C. L'eau servant de fluide primaire présente, à la sortie du réacteur sous pression, une pression absolue de 15 MPa. Sous 25 cette pression, la température de saturation de l'eau est d'environ 343*0, ce qui laisse par rapport à la température de saturatin une marge d'environ 25°C. Cet écart entre la température de fonctionnement et celle de saturation est très inférieur à celui précédemment mentionné et est destiné à assurer une marge de sécurité 30 pour éviter la formation de vapeur dans le fluide primaire. On vdfc que cette marge est relativement étroite si l'on tient compte des perturbations que peuvent produire dans le système des défauts dr uniformité tant de la température que du débit d'entrée. Ainsi, il est hautement désirable que les fractions d'eau pénétrant dans les 35 divers passages de circulation en parallèle qui traversent le cœur du réacteur soient toutes sensiblement à la même température. Il est aussi hautement désirable que les débits dans les divers canaux de refroidissement du coeur soient aussi sensiblement égaux. Grâce à l'agencement de distribution décrit, les irrégularités affectant 40 ordinairement dans l'ensemble de l'installation, tant la tempéra 69 12958 6 2006916 ture que le débit de l'eau à l'admission ne se traduisent normalement que par une faible possibilité de production de vapeur d'eau au sein du réacteur. Dans certaines installations, il peut arriver que certaines 5 parties du coeur de réacteur aient une plus grande capacité de production de chaleur que d'autres. En général, ce dégagement excédentaire de chaleur-par les éléments du réacteur est concentré dans la partie centrale du coeur. Il peut apparaître au bout d'un certain temps de fonctionnement du réacteur lorsqu'on a remplacé cer-10 tains des élémerts combustibles du coeur et que les divers éléments combustibles ont donc des degrés de réactivlté différents. Dans ce cas, on peut compenser les irrégularités du taux de chauffage en modifiant le mode de répartition des perforations dans l'un et/ou l'autre des déflecteurs, en coupole renversée 31 et plat 33» Pour 15 l'agencement représenté, on prévoit une réactivité sensiblement uniforme sur toute la section du coeur et c'est pourquoi les perforations des déflecteurs sont équidistantes. On peut toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, donner à ces perforations des espacements variables pour compenser des variations du taux de ré-20 activité entre les diverses parties du coeur du réacteur. 69 12958 7 2006916 REVEMDICAITIOMS 1. Réacteur nucléaire à eau sous pression comportant une enceinte sous pression verticale, un élément annulaire situé dans 1* enceinte et formant avec elle un passage annulaire servant de conduit de circulation d'eau s'écoulant vers le coeur de réacteur si-5 tué à l'intérieur dudit élément annulaire, ledit passage conduisant à une chambre située sous le eoeur et qui communique avec l' extrémité inférieure de celui-ci, ledit réacteur étant caractérisé par des moyens pour imprimer un mouvement tourbillonnaire à l'eau qui pénètre et circule à travers ladite chambre. 10 2. Mode de réalisation du dispositif suivant la revendication 1, consistant en ion réacteur nucléaire à eau sous pression du genre comportant des parois qui forment une enceinte sous pression verticale à section circulaire comportant des organes de fermeture d'extrémité supérieur et inférieur, un bouclier à section circulal-15 re entourant le coeur et radialement espacé vers l'intérieur de la dite enceinte pour/former avec elle un passage annulaire, le bouclier étant attaché à l'enceinte dans la partie supérieure de celle-ci et allant vers le bas jusqu'à un niveau situé au-dessus de 1' organe de fermeture inférieur, un coeur de réacteur situé dans la 20 partie basse du bouclier et formant avec lui une chambre sous-ja-f oente,des embouts situés dans la partie supérieure de l'enceinte et traversant sa paroi ainsi que le bouclier, au-dessus du coeur, pour constituer des sorties d'eau à partir du réacteur, le réacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens propres à 25 diriger un débit réparti d'admission d'eau vers l'extrémité inférieure du coeur afin de lui faire traverser celui-ci de bas en haut, des moyens d'admission disposés radialement sur la paroi de l'enceinte sous pression au-dessus du coeur et.qui débouchent dans 1' espace annulaire, des déflecteurs destinés à diriger de haut en bas 30 l'eau admise dans celui-ci, des aubes interposées sur le trajet emprunté par celle-ci pour lui imprimer un mouvement tourbillonnaire à la traversée de la chambre et un élément perforé interposé entre la chambre et l'extrémité inférieure du coeur. 3. Réacteur à eau sous pression selon la revendication 1, ca-35 ractérisé en ce que les embouts et les moyens d'entrée sont angu- lairement espacés autour de l'enceinte sous pression et situés sensiblement au même niveau. 4. Réacteur à eau sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de fermeture inférieur est an dome 69 12958 8 2006916 renversé et en ce que les aubes sont fixées à la face intérieure de celui-ci. 5. Réacteur à eau sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déflecteurs sont à section en U renversé 5 et sont fixés au bouclier, chacun en face d'un des moyens d'admission. 6. Réacteur à eau sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément perforé est en forme de coupole renversée fixée par sa périphérie à la partie inférieure du bouclier 10 et située à distance du coeur. 7. Réacteur à eau sous pression selon la revendication 5* oa-ractérisé en ce qu'une plaque perforée est interposée entre l'extrémité inférieure du coeur et la coupole renversée. 8. Réacteur à eau sous pression selon la revendication 5* °a-15 ractérisé en ce que la coupole renversée présente des perforations sensiblement équidistantes ayant toutes sensiblement la même superficie. 9» Réacteur à eau sous pression selon la revendication 6, caractérisé en ce que les perforations de la plaque perforée ont tou-20 tes sensiblement la même superficie. 10. Réacteur nucléaire à eau sous pression, tel que décrit au présent mémoire, en référence aux dessins annexés.