Brevet FR2030265A1 — publié le 19701113

La présente invention a trait à un procédé d'extraction de l'hydrogène de l'atmosphère de l'enceinte de sécurité d'un réacteur nucléaire, et plus précisément à un tel procédé par lequel l'hydrogène est extrait par combustion dans un brûleur. 5 Dans l'éventualité fortuite d'une perte accidentelle de réfrigérant dans un réacteur nucléaire de puissance, en particulier d'un réacteur réfrigéré à l'eau, de l'hydrogène peut être dégagé dans l'enceinte de sécurité hermétiquement fermée qui entoure la cuve du réacteur. Ce dégagement d'hydrogène est princi-10 paiement le fait d'une radiolyse, bien que d'autres réactions chimiques puissent également intervenir. De l'hydrogène s'accumule dès lors dans l'enceinte de sécurité et peut atteindre puis dépasser la limite inférieure d'inflammabilité, du fait en particulier qu'après un tel accident l'espace intérieur à l'enceinte 15 de sécurité ne peut être ventilé avant un laps de temps extrêmement long, cela pour empêcher la dispersion de substances radioactives dans l'atmosphère extérieure. Il en résulte qu*à -l'intérieur de l'enceinte de sécurité se trouve créé un risque d'explosion. 20 Ce problème peut être considéré comme déjà résolu par un certain nombre de procédés de l'art antérieure Ils comportent cependant tous des inconvénients. On a proposé de faire arriver dans l'atmosphère de l'enceinte de sécurité des quantités relativement importantes de gaz 25 inertes pour réduire la concentration d'hydrogène dans cette atmosphère et empêcher ainsi la formation d'un mélange explosifo Un tel procédé a l'inconvénient d'aboutir à créer une pression élevée dans l'enceinte, en obligeant à rendre celle-ci relativement coûteuse pour lui permettre de résister à une telle pression. 30 On a également proposé de faire passer les gaz consti tuant 1 ' atmosphère de 1 * enceinte dans une chambre renfermant vin catalyseur provoquant la combinaison dans cette chambre de l'hydrogène et de l'oxygène, de façon à former une forte proportion de vapeur d'eau non explosive, qui peut être condensée à volontéo 35 L'inconvénient de ce procédé est qu'un tel catalyseur est extrêmement sensible à l'empoisonnement, ce qui veut dire qu'il peut devenir inefficace au bout de peu de temps, en raison de modifications chimiques de la composition du catalyseur lui-même. Bien 70 03736 2 2030265 que différentes mesures aient été proposées pour empêcher cet empoisonnement, elles sont en général très difficiles à réaliser en toute sûreté, dans l'environnement chimique complexe de l'atmosphère de l'enceinteo 5 Un autre brevet (brevet des E.U.A. n° 3.307.913 du 7 Mars 1967) décrit l'emploi de ce qui peut être appelé une combustion à flamme libre dans un brûleur, de façon à produire une dépression dans l'espace intérieur à l'enceinte de sécurité. Bien que ce brevet n'ait pas directement trait au problème de l'ex-10 traction de l'hydrogène produit par radiolyse pour éviter la formation d'une atmosphère explosive, le brûleur servant à créer une dépression n'en brûle pas moins, une partie de l'hydrogène se trouvant dans l'enceinte de sécurité. Pour y arriver, le brevet enseigne à conduire des gaz, formant une position de l'atmosphère 15 intérieure, à une chambre de combustion par circulation naturelle et à faire arriver dans cette atmosphère de l'hydrogène à partir d'une source extérieure pour former dans la chambre un milieu combustible. Mais ledit brevet ne prévoit pas de source extérieure d'oxygène, ni de tout autre moyen de faire arriver un excès d'oxy-20 gène dans la chambre de combustion, puisque le but qu'il se propose est de diminuer la pression en réduisant la concentration en oxygène de l'atmosphère intérieure» Suivant ce brevet le brûleur fonctionne dans une atmosphère qui s'appauvrit en oxygène au fur et à mesure que l'opération se poursuit, avec comme conséquence 25 une concentration croissante en hydrogène non brûlé dans les gaz de sortie. En poursuivant l'opération la flamme du brûleur (toujours suivant le même brevet) devient de plus en plus instable et de moins en moins sûre, jusqu'au moment où la concentration en oxygène est à ce point réduite que le risque d'explosion par 30 l'hydrogène est supprimé.» Bien que d'autres brevets tels que par exemple le brevet des E.U.A. 3.155.310 du 3 Novembre 1964 enseignent l'addition d'un excès d'oxygène à un mélange gazeux hydrogéné pour réaliser une combustion plus complète du mélange en vue de produire une- dépression, un envoi continu d'oxygène par 35 une conduite d'admission à un système de combustion, tel que celui du brevet E.U.A. 3.307.913 précité, ne donnerait pas encore de résultats satisfaisants. En particulier ce procédé combiné ne 70 03736 3 2030265 donnerait pas satisfaction du fait qu'il n'empêcherait pas la "stratification" (inhérente au système de circulation naturelle des gaz du dernier brevet cité) empêchant elle-même d'assurer l'extraction sûre de l'hydrogène, et les retours de flamme. La 5 vapeur d'eau sort de la chambre à combustion pour monter au sommet de 1 'espace intérieur à 1'enveloppe de sécurité et oblige 1'atmosphère intérieure hydrogénée à occuper les parties basses dudit espace en formant une superposition des couches gazeuses à partir desquelles le couvrant gazeux entrant dans la chambre 10 de combustion résulte de la circulation naturelle. Mais la stratification des gaz peut aboutir à créer des poches explosives d'hydrogène. D'un autre côté en l'absence d'une admission positive de gaz au brûleur la flamme peut se renverser et sortir du brûleur dans l'atmosphère intérieure par les conduites d'entrée 15 de gaz« Le procédé suivant l'invention d'extraction de l'hydrogène de l'atmosphère de l'enceinte de sécurité d'un réacteur nucléaire, sensiblement au fur et à mesure de sa formation,, consiste à utiliser une chambre de combustion pour brûler directement 20 l'hydrogène dès sa formation. On réalise une atmosphère assurant une combustion stable au moyen d'un envoi d'hydrogène et d'un excès d'oxygène à la chambre à combustion. Un ventilateur fait circuler des gaz constituant une portion de l'atmosphère intérieure à l'enveloppe de sécurité à 25 une vitesse telle que la combustion de l'hydrogène dans les gaz en circulation maintient la concentration d'hydrogène au-dessous de la limite inférieure d'inflammabilité, pour une vitesse connue du dégagement d'hydrogène. Pour entretenir la combustion à cadence convenable, on fait arriver au brâleur un supplément d'hy-30 drogène à partir d'un réservoir ou d'un générateur de ce gaz, extérieur à l'enveloppe de sécurité. Au fur et à mesure que s'épuise l'oxygène de l'enceinte, on fait arriver dans celle-ci de l'oxygène provenant d'une source extérieure à ladite enceinte. En particulier le débit d'hydrogène provenant de la sour-35 ce extérieure est réglé de façon que sa combustion se traduise par une montée en température au-dessus d'au moins 870°C, l'atmosphère intérieure étant astreinte à une circulation forcée à 70 03736 4 2030265 travers la chambre à combustion. Comme cette température est nettement au-dessus de celle à laquelle la réaction hydrogène-air est pratiquement complète, ceci aboutit à une oxydation raisonnablement complète de l'hydrogène se trouvant dans la chambre. 5 Au fur et a mesure des besoins d'oxygène, celui-ci est admis dans 1'atmosphère intérieure à un débit proportionnel à celui d'hydrogène, les proportions étant stoechiométriques. Un dispositif séparé de l'enceinte fait circuler et refroidit les gaz de l'atmosphère intérieure. Le débit de cir-10 culation est pris suffisamment élevé pour que les gaz de ladite atmosphère soient bien mélangés et pour éviter la stratification de l'hydrogène au fur et à mesure de son dégagement. Le dispositif de refroidissement condense l'eau résultant de l'oxydation de l'hydrogène au sein de la chambre à 15 corabustiono L'emploi d'hydrogène comme combustible a l'avantage de ne jamais faire croître le nombre de modes de gas non conden-sables présents dans l'atmosphère intérieure. XI résulte de ce dernier point qu'il n'y a pas de danger de voir croître la pression à l'intérieur de l'enceinte de sécuritéo 20 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des dessins annexés dans lesquels : - la Fig. 1 est une vue schématique d'une enceinte de sécurité suivant l'invention (première forme de réalisation); 25 - la Fig. 2 est une vue analogue à la précédente, mais relative à une seconde forme de réalisation. Le procédé suivant l'invention met en oeuvre différents moyens capables d'assurer, dans l'enceinte de sécurité d'un réacteur nucléaire, la combustion directe de l'hydrogène, au fur et 30 à mesure sensiblement de sa formatiez, de façon à maintenir sa concentration bien au-dessous de la limite inférieure d'infiamma-bilité de l'atmosphère considérée, c'est-à-dire au-dessous d'environ 4% en volumes. On aura une bonne compréhension des caractéristiques du procédé en se référant d'abord à la Fig. 1. Un 35 ventilateur 1, fait circuler les gaz se trouvant dans l'enceinte 2 hermétiquement fermée d'un réacteur nucléaire, en les faisant passer par une chambre de combustion 3 à une vitesse telle que la 70 03736 5 2030265 combustion de l'hydrogène se trouvant dans ce courant gazeux ait pour effet de maintenir la concentration en hydrogène restant dans 1*enceinte 2 au-dessous de la limite inférieure d'inflamma-bilité de l'atmosphère considérée, compte tenu d'une vitesse 5 connue de formation de l'hydrogène. On peut connaître à tout moment les concentrations d'hydrogène et d'oxygène dans l'atmosphère de l'enceinte 2 en extrayant un échantillon du mélange gazeux par la vanne 4 et en procédant à son analyse. Pour pouvoir entretenir la combustion à cadence convenable et stabiliser la 10 flamme dans la chambre de combustion 3, il faut fournir au brûleur 5 se trouvant dans cette chambre un supplément d'hydrogène provenant d'un réservoir 6 d'hydrogène gazeux ou bien d'un générateur d'hydrogène, qu'il est plus commode de disposer à l'extérieur de l'enceinte 2. Il est également souhaitable de fournir 15 de 1'oxygène au fur et à mesure que celui renfermé dans 1'enceinte 2 s'épuise par sa consommation dans la chambre 3. A cette fin il est indiqué de disposer d'un réservoir 7 d'oxygène gazeux, qu'il est plus commode de placer à l'extérieur de l'enceinte 2, l'admission d'oxygène pouvant se faire directement dans l'atmos-20 phère de l'enceinte 2. La flamme peut être allumée au moyen d'un dispositif à étincelle et veilleuse, courant en technique de brûleurs. La vitesse d'alimentation en hydrogène peut être réglée en fixant un capteur de température 8, par exemple tin thermo-cou-25 pie, à l'intérieur de la chambre de combustion 3. Le signal engendré par le capteur 8 est transmis à un comparateur 9 de type classique qui à son tour commande une vanne à débit variable 10 interposée sur la conduite d'alimentation en hydrogène. Le comparateur 9 a pour effet de régler la combustion dans la chambre 3 30 de façon à maintenir une température telle que signalée par le capteur 8 de référence d'environ 870°C. Cette température est bien au-dessus de celle (environ 718°C) à laquelle la réaction hydrogène-air est pratiquement complète. Il en résulte que l'hydrogène du courant gazeux produit par le ventilateur est constam-35 ment consommé par oxydation du fait du maintien de l'état de la flamme par la source extérieure d'hydrogène. En cas de besoin d'oxygène l'admission de celui-ci est réglée proportionnellement 70 03736 6 2030265 à celle d'hydrogène, en proportions stoechiométriques. Pour plus de commodité ceci est réalisé en interposant un débi.mètre 12 de type classique sur la conduite d'adduction d'hydrogène et m débitmètre 14, analogue au précédent, sur la conduite d'ad-5 mission d'oxygène. Le débit d'hydrogène signalé par le débit-mètre 12 est utilisé par un transmetteur 16 pour régler un transmetteur 18, analogue au précédent, le--quel à son tour commande une vanne à débit variable 20, interposée sur la conduite d'admission d'oxygène, le tout d'une manière en elle-même de pratique 10 courante. Les débits d'hydrogène et d'oxygène sont bien entendu fonctions du débit de gaz arrivant par la conduite 11, lui-même dépendant du calibre du ventilateur 1. Un dispositif séparé 22, de structure bien connue, fait circuler et refroidit les gaz renfermés par l'enceinte de sécuri-15 té. Son débit de circulation doit être suffisamment élevé pour maintenir les gaz de l'enceinte bien mélangés et pour empêcher toutewstratificationwde l'hydrogène au fur et à mesure de sa formation. Le dispositif 22 condense l'eau formée par 1 * oxydation 20 de l'hydrogène dans la chambre de combustion 3. Les flèches 23 indiquent le sens général du courant gazeux. On observera que l'emploi d'hydrogène comme gaz combustible dans le brûleur 5 a 1'avantage de ne pas faire croître le nombre de moles de gaz non condensable dans l'enceinte. En fait comme c'est l'air de l'en-25 ceinte qui est utilisé comme oxydant, tant que l'on n'admet pas d'oxygène à partir du réservoir 7, il peut arriver que la pression dans l'enceinte tombe au-dessous de celle de l'atmosphère extérieure. Pour éviter la création de conditions locales indési-30 rables dans la région où des gaz très chauds sortent de la chambre 3 dans l'atmosphère de l'enceinte, on peut refroidir ces gaz au moyen d'une pulvérisation d'eau, d'un mélange rapide, d'une dilution par l'air de l'enceinte, ou par tous autres moyens adéquats. 35 Comme on l'a déjà indiqué, on utilise la forme de réa lisation de la Fig. 1, pour brûler l'hydrogène au fur et à mesure sensiblement de sa formation dans l'enceinte 20 On a 70 03736 7 2030265 représenté à la Fig. 2 une autre forme de réalisation -les mêmes numéros repères désignant des éléments ha^mologues d'une structure à 1'autre - modifiée de façon à pouvoir être allumée et utilisée pour réduire la concentration en hydrogène de l'atmos-5 phère de l'enceinte 2, quand elle est au-dessus de la limite inférieure d'inf1ammabilité, déjà mentionnée. Dans cette forme de réalisation, le ventilateur 1 fait circuler les gaz provenant de l'enceinte 2 à travers un coupe-flamme 24, qui peut être comme celui représenté du type à rideau d'eau, mais pourrait aussi 10 être métallique, à la manière bien connue de l'homme de l'art. Les gaz allant du coupe-flamme 24 à la chambre de combustion 3 doivent avoir une pression suffisante pour pénétrer dans la chambre 3 à une vitesse supérieure à celle de propagation de la flamme de combustion de l'hydrogène, et éviter ainsi tout retour 15 de flamme. Le brûleur 5 de la chambre 3 est de préférence de configuration simple, par exemple sous forme de V, de façon à rester pratiquement non affecté par le courant gazeux y arrivant, il peut être en matériau céramique ou refroidi à l'eau, pour ne pas être endommagé par la flamme. Les gaz venant de la chambre 3 20 sortent par un second coupe-flamme 26, de structure analogue à celle du précédent, avant de pénétrer dans l'enceinte 2. Une fois que la concentration en hydrogène dans l'atmosphère de l'enceinte a été réduite à une valeur qui ne permet pas d'entretenir me flamme stable, on peut comme dans la précédente forme de réalisa-25 tion faire arriver de l'hydrogène à partir d'une source extérieure 6. On peut aussi faire arriver de l'oxygène à partir d'une source 8. Si l'on utilise des coupe-flamme 24, 26 du type à rideau d'eau l'eau qui en provient peut être drainée vers un puisard 30, de préférence de manière que 1m extrémités des drains 30 32, 34 aboutissent au-dessous de la surface libre du liquide dans le puisard. Les coupe-flamme 24, 26 peuvent être alimentés en eau à partir du puisard 30, au moyen d'un échangeur de chaleur 36 et d'une pompe 38 interposés dans une conduite 40o Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de 35 réalisation représentés et décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. C'est ainsi que, pour faire circuler les gaz de l'atmosphère de l'enceinte on peut utiliser un dispositif autre qu'un ventilateur, par exemple avantageusement une trompe à eau. 70 03736 8 2030265 REVENDICATIONS lo- Procédé d'extraction de l'hydrogène de l'atmosphère de l'enceinte de sécurité d'un réacteur nucléaire, caractérisé par le fait qu'on fait circuler les gaz de ladite atmosphère à tra-5 vers une chambre de combustion dotée d'un brûleur fonctionnant à l'hydrogène et par le fait qu'on admet de l'oxygène dans ladite atmosphère, au fur et à mesure que la concentration en oxygène de celle-ci décroît,, 2o«* Procédé selon la revendication 1, caractérisé par 10 le fait qu'on maintient dans la chambre de combustion une vitesse de circulation de gaz d'une valeur sensiblement constante et prédéterminée. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moyen d'un dispositif séparé on fait circuler les 15 gaz de ladite atmosphère de façon à éviter toute stratification d'hydrogène dans celle-ci et on les refroidit. 4.- Procédé selon la revendication 1,2 ou 3, caractérisé par le fait qu'on règle le débit d'hydrogène arrivant au brûleur de façon que dans la chambre de combustion la température 20 des gaz brûlés soit d'au moins 718°C0