Brevet FR2038062A1 — publié le 19710108

Les dispositifs de sécurité destinés à commander l'arrêt rapide d'un réacteur nucléaire comprennent un poison d'absorption de la réactivité et des moyens d'introduction brusque de ce poison dans le coeur du réacteur nucléaire dès que la nécessité s'en fait 5 sentir. Ce poison nucléaire peut être placé à l'intérieur d'éléments solides en forme dé barres ou dissous dans un liquide. Il est introduit dans des canaux ménagés à cet effet dans l'e réacteur. Parmi les différents types de dispositifs de sécurité à poison liquide actuellement- envisagés ou réalisés : 10 - certains sont constitués par un tube, traversant le coeur du réacteur de part en part, dans lequel le poison liquide est introduit à l'une des extrémités tandis qu'un gaz ;peu - absor-.. bant qui occupe ce tube pendant le fonctionnement normal du réacteur, est évacué par l'autre extrémité, l'a circulation se faisant 15 de préférence de bas en haut; - d'autres sont constitués par un tube fermé à l'une de ses extrémités, introduit par le dessous du coeur du réacteur, muni d'une évacuation du gaz de couverture à sa partie 'inf érieure «ou éventuellement à sa partie supérieure. Le tube est alors relié à 20 un réservoir de poison et rempli selon le principe des vases communicants, par l'intermédiaire d'une vanne. Quel que soit le mode de réalisation, toute fuite en un point du dispositif situé au dessous, du niveau, du coeur. - provoque l'échappement de ce poison vers l'extérieur du coeur du réacteur, 25 et la vidange d'un ou plusieurs tubes de sécurité, ce qui entraîne la divergence du réacteur. La présente inven tion -â pour ..but de remédier à cet inconvénient en réalisant un dispositif de sécurité à poison liquide qui présente une sûreté absolue en cas de .fui>tes puisque 'qùel"que 30 soit le point endommagé le poison liquide ne peut s'échapper que dans le coeur même du réacteur. Cette invention a pour objet un dispositif de sécurité qui comporte un tube en forme de doigt de gant fixé à la partie inférieure d'un réservoir de poison liquide, un conduit d'amenée 35 et d'évacuation d'un gaz neutre et peu absorbant de remplissage de ce tube traversant axialement le réservoir et ouvrant d'une part à la partie supérieure du doigt de gant, au niveau du fond du réservoir, et d'autre part dans ledit réservoir au dessus du liquide. 69 07829 2 2038062 un système de retenue dudit liquide dans le réservoir et de commande de sa chute brusque dans le tube, une canalisation de vidange du liquide reliant la partie inférieure du doigt de gant à la partie supérieure du réservoir de liquide. 5 L'ensemble du dispositif, c'est—à—dire le. tube en forme de doigt de gant et le réservoir, forme ainsi un tout qui est monté à l'intérieur d'un canal vertical du coeur du réacteur, de préférence de manière amovible de façon à pouvoir être remplacé si nécessaire.' 10 Pendant le fonctionnement normal du réacteur, le tube est l'empli de gaz tandis que «.le liquide est. retenu dans le réservoir.. La simple -libération du liquide permet sa chute instantanée, dans le tube du fait même des positions relatives du réservoir et du tube^ De plus en cas-.de fuitë en un point quelconque 15 du réservoir ou du "tube, le poison liquide s'échappe vers le bas en direction du coeur du réacteur et ne peut par suite provoquer qu'un empoisonnement de .celui—ci. Divers autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description ci-dessous de '20 modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés î ; - La Figure 1 montre en coupe longitudinale un dispositif de sécurité placé dans un canal vertical d'un réacteur nucléaire. 25 - La Figure 2 représente, également en coupe longitu dinale, une variante de, réalisation de. ce dispositif. . .- La Figure 3 représente, également en coupe longitudinale, une variante du ■dispositif .fixé sur la cuve du réacteur. Le dispositif de sécurité représenté sur les figures 30 .1 et 2 est maintenu à l'extérieur du coeur du réacteur dans un puit;s vertical 1 -qui,-par l'intermédiaire. d!un ..manchon 5, est •fixé sur un orifice de la cuve 2 contenant le .modérateur, de ■ préférence: un modérateur liquide tel que l',eau lourde. Ce puits 1 est étroitement fixé ,de façon ..étanche sur 35 une dalle 3 de protection biologique--disposée, au dessus de la cuve à une certaine distance de celle-ci. ..... »•. A 1,'intérieur du puits 1. le digpsotif comporte un PAO ORIGINAL 69 07829 3 2038062 réservoir 4, destiné à contenir le poison liquide et fermé par un bouchon 6 qui peut être massif ou rempli d'un matériau de protection biologique 7. Ce réservoir est prolongé à l'intérieur de la cuve 2 par un tube 8 fermé à sa partie inférieure à la manière d'un doigt de gant et guidé sur le "fond de ladite cuve 2 dans un entonnoir tO. Le tube 8 est coaxial au réservoir mais a une section nettement plus faible. Il est rendu solidaire d'un embout 9 de prolongement du réservoir. Lrensemble du réservoir 4 est traversé axialement par un conduit 12 ouvrant en 13 à la partie supérieure du tube 8 au droit du fond du réservoir. Ce t-ube supporte à l'intérieur du réservoir 4 une jupe cylindrique 14 de grand diamètre placée autour d"'un c0ne renversé 16 de prolongement interna de l'embout 9» formant avec la jupe 14 un siphon 15 de séparation du tube B d'avec le réservoir 4 et de retenue du poison liquide dans le réservoir. A l'extérieur du réservoir, le conduit 12>est relié par l'intermédiaire d'un système de six vennes 22 couplées deux à deux en diagonale et commandées en deux sur trois suivant un procédé classique ainsi que d'un compresseur 24 à un conduit 26 de retour à travers le bouchon 6 jusqu'à la partie supérieure 27 du réservoir 4. L'intérieur du tube fl est en communication avec la partie supérieure du réservoir 27 par les conduits 12 et 26 et les vannes 22 ou le compresseur 24. Celui-ci- débite•sur une canalisation de by-pass 36 portant un diaphragme 40 et une vanne 38 dont le réglage permet de maintenir une différence de pression convenable entre le tube B et le réservoir 4> de manière que la pression soit équilibrée dans le réservoir, par le' siphon 15. ~ Pendant le-fonctionnement normal du réacteur, le doigt de gant- 8 est rempli d'un gaz qui doit être peu absorbant pou£ les neutrons, ne doit pas avoir tendance à s'activer et doit être chimiquement neutre^ de l'hélium par exemple. La pression de ce gaz est réglée par le compresseur 24. Par ailleurs le réservoir 4 est lui rempli d'un poison liquide, par exemple de lJeau borée, en quantité suffisante pour'remplir la 'totalité du doigt de gant 8. • Pour que le siphon;15 retienne le liquide dans le réservoir 4, il est nécessaire que la pression à l'intérieur du 69 07829 4 2038062 tube 8 équilibre celle du liquide dans le réservoir . Il suffit donc d'une chute de pression dans le doigt B pour permettre au liquide de s'échapper par le siphon 15 et de remplir ledit tube » 5 La forme du siphon permet l'introduction du liquide selon une couronne correspondant au pourtour du tube 8 et délimitant un passage axial de refoulement du gaz vers le conduit 12. Des ailettes 42 sont d'ailleurs de préférence montées autour du tube 12 dans 1 'embout 9 pour donner au liquide un mouvement tO tourbillonnaire et faciliter la formation au centre du tube B d'un passage de retour du gaz et d'évacuation de celui-ci vers le haut par le conduit 12, qui eét prolongé par un tube 33 sur une certaine longueur à l'intérieur du tube 8 . Ce prolongement de tube 33 peut, soit être percé d'un certain nombre de trous de 15 petit diamètre sait être réalisé au moyen de treillage conformé en tube . Il gêne l'arrivée du liquide vers le centre du tube 8 tout en laissant passer le gaz . Les vannes 22 sont alors ouvertes et ce .•gaz retourne par le conduit 26 dans le réservoir 4 qu'il remplit .. -2j^ Au droit du bouchon 6, le tube 12 comporte un élargis sement 18 à l'intérieur duquel est montée une olive 20 destinée à éviter le passage direct des rayonnements du coeur vers le toit du réacteur . La chute du liquide se fait par gravité et remplit le 25 tube 8 i Le siphon étant placé à la partie inférieure du réservoir 4 se trouve à proximité de la paroi supérieure de la cuve 2 et le liquide est introduit dans le .coeur du réacteur dès sa sortie du réservoir; son action est immédiate ,■ Tous les dispositifs de sécurité sont de préférence commandés par un même sys— 30 tème . La partie inférieure du tube 8 est par ailleurs percée d'un orifice et munie d'un tube de vidange 28 fixé sur sa paroi extérieure puis entre la paroi du réservoir 4 et le puits 1 et relié à l'extérieur du coeur du réacteur à une pompe 30 et à un 35 conduit 32 de retour dans le'réservoir, une vanne 34 étant interposée sur cé conduit , Lorsque le réacteur doit à nouveau être mis en route, le poison liquide contenu dans le doigt d,e gant 8 est évacué par 69 07829 5 2038062 ce tube de vidange. 28 commandé par la pompe 30 après ouverture de la vanne 34. Ce -liquide est renvoyé par ladite pompe 30 dans la canalisation 32 à l'intérieur du réservoir 4. La pompe 30 est placée à une altitude compatible avec lar hauteur maximale d'aspiration. Pendant cette, vidange, le compresseur 24 est mis en marche ainsi .que lapompe-30^ Jq vanne 38 étant ouverte au maximum puis cette vanne'est fermée en fonction, du temps suivant une loi définie en fonction du débit de. la pompe. La pression- dans la -barre doit- être suffisante, pour que, dans tous. les .cas de fonctionnement normal ou accidentel, le poison soit à une pression supérieure à celle du- modérateur. „ . -. Le réservoir.4 est :fixé de manière amovible par exemple par des vis 44 sur le puits 1. Il peut donc facilement être démonté en même temps que. le, doigt de ge;nt 8 pour permettre le remplacement ou la réparation du dispositif. L'étanchéité de cette fixation est assurée, par-?des joints serrés entre le réservoir et le puits 1 qui sont ainsi facilement accessibles. Selon une variante- de réalisation représentée sur la figuré 2 le siphon 15 de retenue du liquide est remplacé par une soupape formée par une olive 46 .fixée sur le conduit 12 qui s'appuie sur un siège 45. Le conduit est mobile et guidé à l'intérieur du réservoir 4 par des entretoises- 48. L'olive se . déplace à 1'intérieur-d'un logement 50-délimité par deux saillies coniques solidaires de-la paroi de la partie intérieure du réservoir 4, juste .au dessus de 1 ' entrée ïdu tube 8 en forme de doigt de gant. . - -• . ■ Le déplacement de l'olive4-6 est commandé-par exemple par un piston 52 dont la tige est solidaire du conduit axial 12 et"qui de séplëce'dans uri cylindre 54 sous l'action de la pression d'un fluide provenant d'une première canalisation 56 et refoulé dans une seconde canalisation 50-, -un ressort 60 repoussent ledit piston vers sa position basse c'est-à-dire vers la position d'ouverturede lrdlive46 tandis qu'une membrane 62-recouvre le piston et ferme de manière-étanche les' deux chambres du vérin -54. A la jonction entre le conduit 12 et' la tige du piston, au dessus du bouchon 6 dans le mode de réalisation de la figure 2, 69 07829 6 2038062 des orifices 64 mettent en communication ledit conduit 12 avec une chambre cylindrique 66 fixée sur le bouchon 6 entre celui-ci et le vérin 54. Cette chambre 66 communique avec la partie supérieure 27 du réservoir 4 d'une part par un conduit 68 et un compresseur 70 et de l'autre par un conduit 72 portant une vanne 74. ... • • Ce dispositif fonctionne d'une manière analogue à celui de laf figure 1. Pendant le fonctionnement normal du réacteur le doigt de gant 8 est rempli d'un gaz neutre tandis que la -soupape 46 est serrée-sur son siège par la pression du fluide agissant sur la membrane 62 e.t le piston 52 contre le ressort 60. L'arrêt du réacteur c'est-à-dire la pénétration du poison -liquide dans le tube 8 est commandé par la chute de la pression.du fluide dans le cylindre .54. La soupape 46 s'écarte de son siàge sous • 1'action à la fois du poids du liquide contenu dans le réservoir 4, de s-on propre poids et du ressort 60. Son -ouverture est donc extrêmement rapide et la chute du liquide quasi-instantanée. - Ce liquide tombe dans le doigt 8.avec une distribution en couronne guidée par les ailettes 42 dont le rôle est de mettre l'eau en rotation au cours de sa chute tandis, que le gaz est - refoulé par le conduit axial 12, et,.-- à travers les ouvertures 64, par -le conduit 72 dont la vanne 74 a été ouverte, jusque dans le réservoir 4»Ftaur favoriser la séparation.entre le liquide qui entre et le gaz qui remonte, on pourra comme il a été dit précédemment prolonger* le tube 12 à l'intérieur du-, tube 8. On pourra également provoquer la rotation de- l'eau au .cours de sa chute :en plaçant des ailettes directrices à l'intérieur du réservoir. 4. . Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, 1-e conduit -de vidange du liquide est fixé à la partie inférieure du tube 8 et à 1'extérieur, de. celui—ci et du réservoir mais il pénètre-dans ledit réservoir 4 au dessous du bouchon 6 et forme - à l'intérieur- dudit réservoir un coude 76. La vidange du tube 8 se fait donc essentiellement par refoulement du liquide sous .1'effet de là pression du gaz envoyé par le compresseur 70 à travers les orifices 64 dans le conduit 12, la vanne 74 étant fermée. . * -• Bien entendu ce dispositif pourrait comporter un tube de 69 07829 7 2038062 vidange semblable au tube 28 de la figure 1 débouchant à l'extérieur du réservoir et prolongé par un tube 32 muni d'une pompe 30 de retour dans ce dernier. Dans ce cas les ouvertures 64 du conduit 12 seraient percées au dessous du bouchon 6 dans l'espace 5 27 de la partie supérieure du réservoir 4. Le gaz refoulé par la pénétration du liquide remplirait ainsi directement le réservoir. Le dispositif de la' figure 2 comme celui de la figure 1 est monté de manière amovible sur le puits 1 fixé sur la cuve du réacteur et peut être remplacé aisément. 10 Dans certains cas cependant il peut être préférable de fixer directement le réservoir de poison liquide sur la paroi de la cuve du réacteur. Le dispositif n'est plus amovible mais présente l'avantage d'éviter des liaisons mécaniques directes, entre la cuve et les parois de protection (alignements précis} 15 et le poids du bouchon n'est plus transmis à la cuve. Un exemple de réalisation de ce type est représenté sur la figure 3. Il est constitué de manière semblable au dispositif des figures 1 et 2 et comporte un réservoir BO supportant un tube B de traversée du coeur du réacteur à la partie inférieure de ce réservoir, un 20 siphon 15-de retenue du liquide pendant le fonctionnement normal du réacteur et des circuits de gaz et de vidangé du'liquide. L'embout 9 de support du tube 8 est prolongé latéralement par une bride 81 soudée sur la virole de la cuve. Le puits 1 peut ainsi être supprimé et par suite les organes d'étanchéité entre ce 25 puits et le réservoir. L'efficacité de ce dispositif de sécurité est donc la même que celle des autres modes de réalisation .bien que son encombrement soit moindre. • La figure 3 montre également une autre variante de 30 réalisation du dispositif. Sur cette figure le tube de vidange 90 est placé dans l'axe de l'ensemble formé par le conduit 12 et le tube 8 c'est-à-dire dans l'axe même du dispositif -qu'il traverse dans sa totalité. Il est en effet ouvert'à la partie inférieure du tube B, sort au dessus du réservoir 2 et est, corn-35 me dans le cas de la figure 1, relié au réservoir 80 par l'inter médiaire d'une pompe 30 et d'une vanne 34 (non représentées) et d'une canalisation 86. Au dessus du siphon 15, le conduit 12 s'élargit pour 69 07829 8 2038062 former une chambre 88 qui est reliée à un tube 86 de retour du gaz à la partie supérieure du réservoir 8D par l'intermédiaire d'un compresseur 24 et d'un système de vannes 22 analogues à ceux de la figure 1 (non représentés) . Dans ce mode de réalisation, 5 comme dans celui de la figure 1, c'est la différence de pression entre la partie supérieure du réservoir 80 et le tube 8 qui permet au siphon 84 de retenir le liquide à l'intérieur du réservoir 80 . Une chute de pression dans le doigt 8 provoque immédiatement le déversement dudit liquide dans le coeur du réacteur . 1.0 La vidange s'opère dans ce cas de la même manière qu'avec un tube de vidange extérieur grâce à l'action de la pompe 30 et de la pression exercée par le gaz renvoyé par le conduit 92 dans le réservoir 80 . Dans ce dispositif comme dans les précédents, aucun 15 risque de vidange intempestif du dispositif de .sécurité à l'extérieur du coeur du réacteur ne subsiste S'il se produit une fuite sur le réservoir ou dans le tube B, le liquide ne peut se déverser qu'en direction du coeur . La sécurité est donc assurée dans tous les cas . 20 De plus le liquide peut être précipité à l'intérieur du tube à tous moments même pendant la vidange puisqu'il suffit d'une réduction de la pression du gaz pour provoquer le retour du liquide dans le tube 8 . Ceci apporte une sécurité pratiquement absolue . 25 La commande par siphon supprime toute nécessité d'or ganes mécaniques qui risquent d'être endommagés par la radioacti— yité et il permet une vidange plus facile de la barre par siphon-nage . Toutefois le fonctionnement du dispositif à "soupape est plus simple . Il pst. donc possible de disposer d'un dispositif 30 de sécurité adapté à différents types de réacteurs . tin dispositif de commande par soupape peut même être adopté lorsque le tube 8 est fixé à la cuve . Bien entendu diverses autres modifications pourraient être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être dé— 35 crits, sans sortir du cadre de l'invention, notamment pour faciliter le montage de ce dispositif dans les divers types de réacteurs nucléaires . 69 07829 2038062 REVENDICATIONS 1°) Dispositif de sécurité à poison liquide pour réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comporte un tube en forme de doigt de gant fixé en dessous d'un réservoir de poison liqui-5 de, un conduit d'amenée et d'évacuation d'un gaz neutre et peu absorbant de remplissage du tube traversant axialement le réservoir et communiquant d'une part avec la partie supérieure du doigt de gant, au niveau du fùnd du réservoir, et d'autre part avec ledit réservoir au dessus du liquide, un système de retenue 10 dudit liquide dans le réservoir et de commande de la chute brusque de ce liquide dans le tube et un conduit de vidange du liquide reliant la partie inférieure du doigt de gant à la partie supérieure du réservoir dë liquide . 2°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé 15 en ce que le système de retenue du liquide dans le réservoir comporte un siphon formé entre l'extrémité supérieure du tube et la base du réservoir et des moyens de maintien d'une différence de pression d'équilibrage entre la partie supérieure du réservoir et le tube, la chute de pression dans le tube provoquant la chute 20 immédiate du liquidé dans ledit tube . ' " 3°) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de retenue comporte à la partie inférieure du réservoir une soupape portée par le conduit axial de gaz et commandée depuis l'extérieur du réservoir . 25 4°) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le réservoir est. solidaire du tube en forme de doigt de gant et fixé de manière amovible'dans un puits du réacteur . 5°) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, 30 caractérisé en ce que' le réservoir est solidaire de la cuve du réacteur . 6°) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube de vidange du dispositif est fixé à l'extérieur du tube en forme de doigt de gant et du réservoir 35 de liquide parallèlement à ceux-ci . 7°) Dispositif suivant là revendication 6, caractérisé en ce que le tube de vidange traverse la paroi" latérale du réservoir et pénètre à la partie supérieure de celui-ci . 69 07829 2038062 8°) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe placée sur le circuit de vidange du tube en forme de doigt de gant Y 9°) -, Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5, 5 caractérisé en ce que le tube de vidange est monté dans l'axe du tube et du réservoir à l'intérieur du conduit de gaz et traverse la totalité du dispositif . 10°) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte à l'extérieur du réservoir un système de 10 réglage de la pression, entré le conduit axial de gaz et un conduit de communication avec la partie supérieure du réservoir traversant le" bouchon de celui-ci . 11°) Dispositif suivant l'une deà revendications là 10, caractérisé en ce qu'il comporte des ailettes de guidage de 15 llécoulement tubulaire du liquide dans le tube ou dans le réservoir entre la paroi dé ceux-ci et le conduit de gaz . 12°) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le tube de vidange extérieur eët prolongé par un tube de retour traversant le bouchon de fermeture du réservoir .