Brevet FR2077444A1 — publié le 19711029

La présente invention concerne les réacteurs nucléairesà circuitsréfrigéranb intégrés,et plus précisément parmi ceuxci, les réacteurs dans lesquels le coeur combustible est refroidi par circulation d'un liquide, et notamment les réacteurs à neutrons rapides refroidis par un metal liquide, tel que le sodium. Dans les réacteurs de ce type à circuits intégrés, les pompes et les échangeurs assurant la circulation et le refroidissement du liquide réfrigérant sont immergés dans celui-ci, à l'intérieur d'une cuve dite principale qui contient elle-meme une cuve dite primaire renfermant le coeur combustible. Dans les réacteurs de ce type, le liquide contenu dans la cuve principale peut être à des températures très différentes suivant les endroits : il est plus froid à la sortie des échangeurs et plus chaud à la sortie du coeur combustible. Ces différences de température créent au voisinage de la cuve des gradients thermiques qui posent de graves problèmes de résistance mécanique des matériaux Par suite d'impératifs propres à l'emploi d'un réfrigérant liquide notamment, il est en général exclu de pouvoir faire appel, pour résoudre ces problèmes, à des solutions analogues à celles qui ont été adoptées avec succès dans le cas des réacteurs à réfrigérant gazeux : disposition du coeur au-dessus des échangeurs et circulation descendante du réfrigérant dans le coeur. La présente invention apporte précisément une solution aux problèmes posés par les différences importantes entre les températures du liquide réfrigérant à la sortie du coeur et à la sortie des échangeurs, dans le cas habituel où le liquide traverse le coeur dans le sens ascendant et où le ou les échangeurs sont disposés latéralement par rapport au coeur dans la cuve principale. Elle permet en particulier de refroidir la partie supérieure de cette cuve. La présente invention propose un réacteur nucléaire à circuits réfrigérants intégrés, réacteur qui comporte une cuve principale renfermant une masse de liquide réfrigérant, constitué notamment d'un métal liquide, et immergés dans ladite masse, une cuve primaire contenant un coeur combustible et au moins un circuit de réfrigérant comportant une pompe de circulation dudit liquide réfrigérant au travers dudit coeur dans le sens ascendant et au travers d'un échangeur de refroidissement dudit liquide dans le sens descendant, ledit échangeur étant disposé latéralement par rapport au coeur, et en ce qu'il comporte des moyens pour prélever du réfrigérant froid à la sortie de ltéchangeur et pour le renvoyer vers la partie supérieure de la cuve principale, en le faisant circuler sur au moins une partie de son trajet au voisinage des parois de la cuve principale. Selon une caractéristique secondaire,le réacteur comporte des baffles, et notamment un baffle annulaire au voisinage de la paroi interne de la cuve principale, disposés de manière à assurer une circulation du liquide réfrigérant à sa température froide au voisinage des parois de la cuve principale. Dans ce cas, le renvoi vers la partie supérieure de la cuve principale porte sur la quesi-totalité du réfrigérant froid. La circulation au voi- sinage des parois de la cuve peut s'effectuer soit dans le sens ascendant, soit dans le sens descendant, avant reprise par la pompe de circulation. Dans un autre mode de réalisation de l'inventionsoU seule une fraction du réfrigérant froid sert à refroidir la partie supérieure de la cuve, le réacteur comporte au moins un conduit vertical de prélèvement d'une fraction du réfrigérant froid sous pression se trouvant dans un distributeur à l'entrée du coeur. Ce conduit peut conduire ladite fraction directement au niveau sû- périeur de la masse de réfrigérant. I1 peut également, en variante, envoyer à ce niveau un mélange de ce réfrigérant sous pression avec du réfrigérant froid à plus basse pression aspiré dans la cuve principale par une trompe prévue sur ledit conduit. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le toit de la cuve principale comporte au moins une virole annulaire longeant les parois de la cuve primaire, à l'extérieur et/ou à l'intérieur de celle-ci dans la couverture de gaz inerte, de manière à constituer un chicanage s'opposant à la libre circulation du gaz inerte. De préférence, la circulation du liquide réfrigérant chaud entre la cuve primaire, en aval du coeur, et l'échangeur de refroidissement s'effectue par une conduite fermée baignant dans la masse de réfrigérant de la cuve principale, celui-ci étant froid, c'est-à-dire à la température de sortie de l'échangeur. Cette disposition permet de limiter la surface du toit portée à la température la plus chaude du réacteur : cette surface est en effet réduite à celle qui se trouve-juste au-dessus de la cuve primaire et qui est délimitée pratiquement par la virole annulaire. La température du reste du toit est pratiquement celle du réfrigérant à sa température froide, c'est-à-dire à la sortie de l'échangeur. Pour réduire encore la surface du toit portée à haute température, il est avantageux de donner à la cuve primaire une forme analogue à celle d'une bouteille, avec un goulot rétréci à ltextrémité supérieure, dans la couverture de gaz inerte. La surface du toit au-dessus du réfrigérant chaud peut ainsi être réduit à la surface strictement nécessaire pour permettre l'accès au coeur combustible. On décrit ci-après, à titre d'exemple, un mode de réalisation particulier du réacteur selon l'invention,avEc plu- sieurs variantes. Cette description, donnée à titre illustratif, ne saurait avoir aucun caractère limitatif vis-à-vis de I'invention Elle se réfère aux figures 1 à 4 jointes - La figure 7 montre un réacteur selon l'invention, en coupe verticale partielle, dans une variante où le renvoi du réfrigérant froid vers la partie supérieure du réacteur, a lieu dans le sens ascendant dans un espace annulaire au contact dcs parois de la cuve principale. - La figure 2 illustre une variante de réalisation du réacteur précédent, selon laquelle la circulation du réfrigérant froid, au voisinage des parois de la cuve, s'effectue dans le sens descendant. - La figure 3 concerne une autre variante où le réacteur comporte un conduit de prélèvement de réfrigérant froid dans un distributeur à l'entrée du coeur. - La figure 4 montre une variante de réalisation du réacteur de la figure 3, permettant de maintenir une couche de réfrigérant froid au voisinage du toit de la cuve principale. Lc réacteur selon l'invention, conformément au mode de réalisation particulier décrit, et notamment à la variante de la figure î, est un réacteur à neutrons rapides refroidi par circulation d'un métal liquide, et plus particulièrement de sodium liquide. La circulation du métal liquide s'effectu au travers du cour 1 du réacteur dans le sens ascendant. Elle est assurée par des pompes 2. Le métal liquide, qui s'échauffe en traversant le coeur, est refroi di dans des échangeurs 3 avant d t être repris par les pompes 2 ; ce refroidissement s'effectue par échange avec du métal liquide circulant dans un circuit secondaire à l'extérieur du réacteur. Le réacteur décrit est du type à circuits intégrés.Il comporte plusieurs pompes 2 et plusieurs échangeurs 3 répartis autour d'une cuve primaire 4 contenant le coeur 1 et disposés latéralement par rapport à celle-ci. Ces pompes et ces échangeurs sont immergés en même temps que la cuve primaire 4 dans une masse de métal liquide réfrigérant contenue dans une cuve principale 5. La cuve principale 5 est fermée à sa partie supérieure par un toit 6. La masse de métal liquide présente un niveau libre qui est surmonté par une couverture de gaz inerte 7 en contact avec le toit. A son extrémité supérieure la cuve primaire 4 est ouverte dans cette couverture de gaz inerte, constituée par exemple d'argon. La cuve primaire 4 repose sur un sommier intermédiaire 3 dans la cuve principale. L'entrée du métal liquide réfrigérant dans le coeur combustible s'effectue au niveau de ce sommier, par l'intermédiaire de la conduite 9 reliée au refoulement d'une pompe 2 et débouchant dans un distributeur 10. A la sortie du coeur le métal liquide se déverse dans la cuve primaire 4 ; il atteint dans celle-ci un niveau supérieur à celui qui est observé dans la cuve principale, du fait de la perte de charge intervenant dans le coeur. Des conduites 12, piquées latéralement sur la cuve primaire et elles-mêmes immergées dans le métal liquide, assurent ensuite la circulation du métal liquide chaud jusqu'à l'entrée des échangeurs 3. Le métal liquide entre dans l'échangeur à l'extré- mité haute de celui-ci et il en sort refroidi à l'extrémité basse pour se répartir dans la masse de liquide de la cuve principale. La dalle 11 de la cuve principale comporte des bouchons permettant l'accès aux différents éléments du réacteur. Au-dessus de la cuve primaire un bouchon tournant 14 permet d t atteindre 1 coeur combustible au moyen d'une machine de manutention 15 schématiquement illustrée en traits mixtes sur la figure IDes bouchons 16 et 17, de plus petites dimensions, sont prévus respectivement au-dessus des pompes 2 et des échangeurs 3. Limitant l'extrémité supeicure de la cuve principal, on trouve successivement le toit métallique qui assure l'étanchéité, un ca lorifuge et le béton dc la dalle 11 assurant la protection biologique. De meme, les parois de la cuve principale sont dou blécs extérieurement d'un calorifuge et d'une enveloppe de béton. Au-dessus de la cuve primaire 4, le toit comporte des prolongements métalliques qui descendent verticelement dans la couverture de gaz inerte en longeant les parois de la cuve primaire. Ces prolongements forment deux viroles annulaires 22 et 23, respectivement à l'intérieur et à l'extérieur des parois de la cuve primaire qui elles-memes ont une hauteur suffisante pour arriver au voisinage de ltenveloppe du toit. Les viroles 22 et 23 forment ainsi avec ces parois un chicanage qui s'oppose à la libre circulation du gaz inerte de la couverture. Par suite, elles permettent de maintenir froid le gaz inerte au-dessus du métal liquide contenu dans la cuve principale, à ltextérieur de la cuve primaire, en évitant son mélange avec le gaz inerte chauffé par le métal liquide chaud au-dessus de la cuve primaire.Tout mélange se trouve de plus entravé par les niveaux relatifs du gaz inerte à l'intérieur et à l'extérieur de la cuve primaire, 1 niveau le plus chaud se trouvant le plus haut. Dans le cas particulier des figures I et 2, le toit6 comporte également des prolongements en forme de virole annulaire 24 au-dessus de chaque échangeur 3. En effet, l'enveloppe 25 prévue autour de l'échangeur au niveau de l'entrée du liquide refrigérant chaud, est ouverte dans ltetmosphère de gaz inerte. La virole annulaire 24 permet alors de constituer un chicanage avec l'enveloppe 25, elle-mème prolongée jusqu'à proximité du toit. Il apparaît ainsi que seule la partie du toit 6 audessus de la cuve primaire, à l'intérieur des viroles annulaires 22 et 23,se trouve à la température la plus chaude du métal liquide. Cette partie est d'ailleurs constituée exclusivement par le bouchon tournant 14 permettant l'accès au cour combustible. En effet, dans la réalisation décrite, on a réduit encore la surface du toit porté à haute température en prévoyant une réduction de la section de la cuve primaire à son extrémité supérieure, dans la couverture de gaz inerte. La cuve présente ainsi la forme d'une bouteille, avec un goulot rétréci, limité à la surface strictement nécessaire pour permettre l'accès au coeur. Dans la réalisation de la figure 1, le réacteur décrit comporte par ailleurs, dans la cuve principal 5 un ensemble de baffles qui dirigent la circulation du métal liquide dans cette cuve. Il comporte en particulier un baffle annulaire 26 au voisinage de la paroi interne de la cuve principale. On détr- mine ainsi, au contact de cette paroi un espace annulaire 28 ouvert à ses extrémités inférieure et supérieure.Un baffle horizontal 27 divise transversalement la masse de métal liquide de la cuve principale. il est disposé juste au-dessus de la sortie du métal liquide hors des échangeurs 3. il s'oppose donc à la circulation directe du métal liquide refroidi vers la surface de la masse de réfrigérant et l'oblige à passer dans ltespacE annulaire 28 au-voisånage des parois de la cuve principale, dans la sens ascendant. Les parois de le cuve 5 sont ainsi maintenus en permanence à la température froide du réfrigérant. Enfin, chaque pompe 2 est entourée d'une enveloppe 29 ouverte à ses extrémités, de sorte que le métal liquide est aspiré par la pompe à partir de la zone médiane de la masse de réfrigérant. La figure 2 montre une variante de réalisation du réacteur où la circulation du métal liquide au voisinage des parois de la cuve principale est assurée, à l'inverse, dans le sens descendant. Un baffle annulaire 30 analogue au baffle 26 de la réalisation précédente est alors lié à un baffle horizontal 31 disposé sous chaque échangeur 3 pour obliger le métal liquide refroidi sortant de cet échangeur à circuler vers le haut de la masse de métal liquide pour redescendre dans espace annulaire 28, le long des parois d la cuve 5. En outre, dans la réalisation de la figure 2, le réacteur est équipé d'un autre baffle annulaire 32 doublant le baffle 30 entre ce dernier et les parois de la cuve. L'espace annulaire qu'il définit avec ces parois, est ouvert sous le sommier 8. On récupère ainsi les fuites de métal liquide froid qui se produisent aux pieds des assemblages constituant le cour 1 à l'arrivée du réfrigérant, et ces fuites sont canalisées le long des parois de la cuve principale pour rejoindrc ensuite le métal liquide provenant des échangeurs. et redescendre avec lui dans espace annulaire entre les baffles 30 et 32. Dans la variante de réalisation de la figure 3, ces baffles sont supprimés et ils sont remplacés, pour assurer la circulation du réfrigérant froid dans la cuve principale, par des conduits 34 disposés verticalement autour de la cuve primaire 4. Par ailleurs, ltenveloppe 25 qui entoure chaque échangeur au niveau de ltentrée du réfrigérant chaud, est fermée à son extrémité supérieure. I1 en résulte que le niveau supérieur du métal liquide n'est jamois à sa température chaude en dehors de la cuve primaire. On évite per eillcurs toute stratification du liquide dans la cuve principale, par couches succussives qui seraient dc plus en plus chaudes du bas vers le haut, grâce à la circulation assurée par les conduits 34. Ceux-ci prélèvent dans le distributeur 10, une fraction du réfrigérant froid rcfoulé par les pompes 2. Ils s'ouvrent à leur cxtrémité supérieure à proximité du niveau supérieur du métal liquides. En outrc, dans le cas particulier de la figure 3, chacun des conduits 34 comporte une trompe 35 qui permet d'aspirer du liquide de la cuve principale, dans la partie inférieure, par le courant de réfrigérant froid à plus haute pression. On augmente ainsi le débit de réfrigérant mis en circulation dans les conduits 34. Ce réfrigérant redescend vers le fond de la cuve principale en longeant les parois de celle-ci. Des conduits 34 de prélèvement de réfrigérant froid, analogues aux précédents, sont également prévus dans la variante de réalisation de la figure 4. Dans cellc-ci, cependant, le réec- teur comporte, en outre, un baffle horizontal 36 dans la partie supérieure dc la cuve principale, au-dessus de l'aspiration des pompes 2 et dc l'entrée du réfrigérant chaud dans les échangeurs 3. Les conduits 34 s'ouvrent dans la cuve principale au-dessus du baffle 36. On maintient ainsi une couche de réfrigérant froid au-dessus du baffle 36, le retour du liquide vers le fond de la cuve principale s'effectuant contre les parois de celle-ci au travers du baffle 36. La pression du liquide à la sortie des conduits 34, peut être suffisante pour remplir complètement la cuve principale à l'extérieur de la cuve primaire, et refroidir llDxtré- mité supérieure de cette dernière, comme illustré sur la figure. Naturellemcnt l'invention n'est nullement limitée aux variantes de réalisation particulières décrites ci-dessus à titre d'exemple. Elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1.- Réacteur nucléaire à circuit réfrigcrent int gre, comportant une cuve principale renfermant une messe de liquide rrigrnt, constitué notamment d'un métal liquide, et, immergés dans~ladite masse, une cuve primaire contenant un coeur combustible et au moins un circuit de réfrigérant comportant une pompe de circulation dudit liquide réfrigérant au travers dudit coeur dans le sens ascendant et au travers d'un échangeur de refroidissement dudit liquide dans le sens descendant, ledit échangeur étant disposé latéralement par rapport au coeur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour prélever du réfrigérant froid à la sortie de l'échangeur et pour le renvoyer vers la partie supérieure de la cuve principale, en le faisant circuler sur au moins une partie de son trajet au voisinage des parois de la cuve principale. 2.- Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des baffles, et notamment un baffle annulaire au voisnage de la paroi interne de la cuve principale, disposés de manière à assure une circulation du liquide réfrigérant à sa température froide au voisinage des parois de la cuve principale. 3. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit vertical de prélèvement d'une fraction du réfrigérant froid dans un distributeur à l'entrée du coeur, ledit conduit s'ouvrant au voisinage du niveau supérieur de la masse de réfrigérant. 4.- Réacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit conduit comporte une trompe d'aspiration de réfrigérant froid à plus basse pression, dans la partie inférieure de ladite masse, en amont de la pompe de circulation. 5.- Réacteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit conduit s'ouvre au-dessus d'un baffle horizontal maintenant une couche de réfrigérant froid au contact du toit de la cuve principale, autour de la cuve primaire et au-dessus du niveau du réfrigérant à l'aspiration de la pompe. 6.- Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la cuve primaire est ouverte à son extrémité supérieure dans une couverture de gaz inerte entre le niveau libre du métal liquide et un toit d'obturation de la cuve principale et d'accès au coeur, caractérisE en ce que ledit toit comporte au moins une virole annulaire longeant les parois de la cuve primcire, à l'ex- térieur et/ou à llintérieur de celle-ci, dans la couverture de gaz inerte, de manière à constituer un chicanage s'opposant à la libre circulation du gaz inerte. 7.- Réacteur selon 11 une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qutil comporte des moyens pour récup - rer les fuites de réfrigérant froid à ventrée du coeur combustible et les renvoyer vers la partie supérieure de la masse de réfrigérant en longeant les parois de la cuve principale. 8.- Réacteur selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cuve primaire présente une forme analogue à celle d'une bouteille, avec un goulot rétréci à l'extrémité supérieure , dans la couverture de gaz inerte. 9.- Réacteur selon llune quelconque des revendications précédentes,cara ctérisé en ce que ledit échangeur comporta, du coté de llentrée du liquide réfrigérant chaud, une enveloppe ouverte dans la couverture de gaz inerte, ledit toit comportant un prolongement annulaire formant chicane avec ladite enveloppe.