Brevet FR2099666A1 — publié le 19720317

La présente invention concerne des réacteurs nucléaires. Selon l'invention, un réacteur nucléaire comporte une enceinte sous pression, et à l'intérieur de cette dernière un coeur, plusieurs échangeurs de chaleur et plusieurs circulateurs du fluide 5 de refroidissement reliés pour faire circuler le fluide de refroidissement dans le coeur, puis, à travers les côtés primaires des échangeurs de chaleur, le coeur étant placé de manière asymétrique dans l'enceinte et les éehangeurs de chaleur et les circulateurs étant disposés dans l'espace restant à l'intérieur de l'enceinte, 10 le coeur et les échangeurs étant supportés par une base à laquelle ils sont assujettis et qui empêche que des forces thermiques asymétriques engendrées par suite de la disposition asymétrique des composants provoquent un mouvement relatif entre eux. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, 15 l'enceinte sous pression contient une masse relativement froide d'un agent de refroidissement liquide dans laquelle le coeur du réacteur, les échangeurs de chaleur et les circulateurs du fluide de refroidissement sont immergés et dans laquelle les circulateurs sont disposés de manière à aspirer l'agent de refroidissement de 20 la masse froide et les côtés primaires des échangeurs de chaleur sont agencés pour refouler l'agent de refroidissement refroidi dans la masse froide. Avantageusement, le côté primaire de chaque échangeur de chaleur est disposé de manière à décharger l'agent de refroidisse-25 ment refroidi dans une zone de mélange dans laquelle est également. déchargé le fluide de refroidissement refroidi provenant du côté primaire d'un autre au moins des échangeurs de chaleur, la zone de mélange se déchargeant dans la masse froide. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, la 30 partie supérieure du coeur du réacteur est aussi entourée de préférence d'un "barrage à l'intérieur duquel l'agent de refroidissement chaud provenant du coeur du réacteur est retenu pour former une masse chaude, séparée de la masse froide, et les échangeurs de chaleur sont reliés de façon que leurs côtés primaires soient 35 alimentés par la masse chaude en fluide de refroidissement chaud. Dans ce cas, il est également préférable d'utiliser une pompe pour engendrer une plus forte pression de gaz à l'intérieur du barrage et au-dessus de la masse chaude pour abaisser le niveau de la 71 27731 2 2099666 surface de la masse chaude au-dessous de celui de la masse froide; et il est encore préférable que la pompe et l'excès de pression qu'elle engendre soient commandés par un détecteur sensible à des écarts du niveau de la surface ,de la masse froide par rapport 5 à une hauteur prédéterminée pour augmenter ou diminuer l'excès de pression de manière à faire varier le niveau de la surface de la masse chaude afin de maintenir le niveau de la surface de la masse froide sensiblement constant à ladite hauteur prédéterminée. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 10 ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif,mais nullement limitatif, des formes de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : - la figure 1 est une coupe schématique d'un réacteur 15 nucléaire selon l'invention ; la figure 2 est une coupe schématique horizontale du réacteur représenté sur la figure 1 ; - la figure 3 est une coupe partielle suivant la ligne III-III de la figure 2; 20 - la figure 4 est analogue à la figure 3,mais représen te une variante ; - la figure 5 est une coupe schématique d'une autre forme de réalisation d'un réacteur nucléaire selon l'invention; et 25 - la figure 6 est une coupe horizontale du réacteur re présenté sur la figure 5. En se référant aux figures 1 à 3, on a représenté un réacteur nucléaire selon l'invention qui comporte une enceinte sous pression 10 en béton précontraint à l'intérieur de laquelle se 30 trouvent un revêtement en acier 12 et une membrane de revêtement 14 (figure 3). A. l'intérieur du revêtement 12 se trouve un coeur 16 qui est contenu dans un écran 18 par exemple en acier ou en graphite. Il convient de noter que l'écran 18 comporte une partie de base 18* et s'étend ainsi sous le coeur ainsi qu'autour de ses 35 côtés. Le couvercle supérieur 19 de l'écran est conçu de manière à céder progressivement en cas de pression transitoire suffisa-ment élevée dans le coeur pour rompre 1'écran 18 et pour compenser ainsi tout augmentation transitoire de la pression s'exerçant sur le revêtement 12. 71 27731 3 2099666 A l'intérieur du revêtement 12 se trouvent également trois échangeurs de chaleur 20 et deux, niches cylindriques 22 de stockage des cartouches de combustible. Pour utiliser au maximum l'espace intérieur du revêtement 12, le«coeur 16 est décalé (comme on le voit sur la figure 2) de l'axe central du revêtement et de 1' enceinte sous pression, le coeur, les échangeurs de chaleur et les niches sont plongés dans une réserve ou masse relativement froide du fluide de refroidissement 24 qui est du sodium liquide. Des conduits 26 et 28 relient chacun des trois échangeurs 20 par l'intermédiaire d'un mélangeur 30 à chacune des deux pompes 32 de circulation du fluide de refroidissement pour former un circuit de refroidissement primaire avec le coeur du réacteur, les pompes 32 sont disposées au-dessus des échangeurs de chaleur 20. Bien qu' habituellement il ne soit pas nécessaire d'enlever les échangeurs de chaleur de l'enceinte sous pression du réacteur, les pompes (et en particulier leurs pièces rotatives) exigent un examen et un entretien assez fréquent, la disposition ci-dessus rend les pompes facilement accessibles de la partie supérieure de l'enceinte sous pression à des fins d'examen et d'entretien. Comme on l'a décrit plus haut, il est évident que l'enceinte sous pression proprement dite constitue un réservoir pour le fluide de refroidissement,mais que, si on le désire, on peut utiliser un réservoir séparé dans lequel se déchargent les échangeurs de chaleur et dans lequel les circulateurs prélèvent le fluide de refroidissement de façon que le coeur, les échangeurs de chaleur et les circulateurs ne soient pas plongés dans la masse froide. Chaque échangeur de chaleur 20 comporte un circuit de refroidissement secondaire (dont une partie 34 seulement est représentée) qui utilise de nouveau du sodium liquide comme fluide de refroidissement. Les circuits secondaires 34 peuvent comporter par exemple des générateurs de vapeur (non représentés) qui sont chauffés par le sodium circulant dans le circuit de refroidissement secondaire. La présence des mélangeurs 30 est destinée à éviter une défaillance de.l'un des .circuits de refroidissement^secondaire 34. Si une telle défaillance devait se produire, les mélangeurs 30 garantiraient le refroidissement.efficace du fluide ramené dan.j la masse froide 24 et par .suite dans, le coeur par l'intermédiaire des pompes 32 en provenance de 1'échangeur de,chaleur 71 27731 4 2099666 défectueux en le mettant en contact avec le sodium sortant des autres échangeurs de chaleur restant en fonctionnement. Un barrage cylindrique 36 placé au-dessus du coeur permet au fluide de refroidissement se trouvant au-dessus de ce dernier * 5 et constituant une masse chaude évacuée du coeur d'être maintenu à un niveau inférieur à celui de la masse froide 24. L'espace situé au-dessus du fluide de refroidissement à l'intérieur du barrage est rempli d'un gaz inerte tel que l'argon sous une pression suffisante pour abaisser le niveau du fluide de refroidissement 10 retenu à l'intérieur du barrage, et le niveau plus bas du fluide de refroidissement situé au-dessus du coeur permet d'obtenir un volume relativement grand 38 qui peut être rempli par le gaz. Ce volume de gaz, en plus du couvercle supérieur 19 conçu spécialement et décrit ci-dessus, est destiné, grâce à sa compressibilité, 15 à amortir l'enceinte sous pression 10 en cas de brusque relâchement de la pression à partir d'uii composant, par exemple le coeur, situé à l'intérieur de l'enceinte 10. La pression en excès du gaz contenu dans le volume 38 est engendrée par une pompe (non représentée) et de préférence cette pompe et l'excès de pression qu'elle engen-20 dre, sont commandés par un détecteur sensible aux écarts du niveau de la surface de la masse froide 24 par rapport à une hauteur prédéterminée dans l'enceinte sous pression. Ainsi, une chute du niveau de la masse froide 24 peut être compensée en augmentant la pression en excès régnant dans le volume 38 de manière à refou-25 1er le fluide de refroidissement de la masse chaude à un plus grand débit et à augmenter le volume du fluide de refroidissement contenu dans la masse froide 24 et rétablir son niveau à la hauteur initiale. D'une façon analogue, une élévation du niveau de la surface de la masse 24 peut être corrigée en réduisant automatiquement la 30 pression en excès régnant dans le volume 38 et en permettant ainsi à une plus grande quantité du fluide de refroidissement de rester dans la masse chaude. De cette manière, le niveau de la surface de la masse froide 24, dans laquelle le fluide de refroidissement est encore naturellement à une température élevée , peut être 35 maintenu à une hauteur sensiblement constante. L'enceinte sous pression est inévitablement soumise à des contraintes thermiques qui sont très différentes dans les régions situées directement au-dessus et au-dessoi^s de la surface de la masse froide 24 , mais 71 27731 5 2099666 cette discontinuité thermique peut être facilement compènsée en en tenant compte dans la construction de l'enceinte sous pression, si son emplacement est constant et n'est pas sujet à une variation comme cela se produirait si la surface de la masse froide 24 pou-5 vait monter et descendre pendant le fonctionnement du réacteur. En se référant en particulier à la figure 3, le revêtement 12 est protégé du sodium liquide par un calorifugeage 40 résistant à la chaleur et est soutenu par une couche 42 d'un matériau conducteur de la chaleur tel que du béton hautement conducteur, par 10 exemple un béton préparé avec un ciment à forte teneur en alumine. Cette couche ne joue aucun rôle de soutien, c'est-à-dire qu'elle ne constitue pas un élément de support de charge, le-béton 42 est retenu par la membrane 14 dans la surface radialement externe présente des conduits ou tubes 44 dans lesquels un gaz ou liquide 15 est pompé à des fins de refroidissement, la membrane 14 et les conduits 44 sont soutenus par l'enceinte sous pression en béton 10 qui est circonférentiellement précontrainte par des câbles 46. Des éléments élastiques tels que des ressorts peuvent être introït duits entre certains des divers composants/ des diverses couches . 20 décrits ci-dessus pour permettre un mouvement thermique relatif. Comme on l'a décrit plus haut, lorsque le fluide de refroidissement primaire du réacteur est du sodium liquide, il est préférable,pour des raisons de sécurité^que le fluide de refroidissement pompé dans les conduits ou tubes 44 né soit pas de l'eau mais 25 de l'air. Bien qu'un refroidissement /^iir soit généralement moins efficace qu'un refroidissement par eau, on a constaté qu'avec la disposition décrite ci-dessus de l'isolation thermique 40 entre le revêtement 12 et la source de chaleur et du matériau relativement conducteur contenu entre le revêtement 12 et les conduits ou tubes 30 de refroidissement 40, un refroidissement par air peut être suffi-sament efficace pour offrir une protection convenable à l'enceinte sous pression 10 même lorsque le réacteur est un réacteur à neutrons rapides fonctionnant aux "températures élevées utilisées avec un tel type de réacteur. 35 En se référant maintenant à la figuré 4, sur laquelle les mêmes pièces sont désignées par lés mêmes numéros de référence qùe sur les "figurés î à 3,*on a représenté un type de revêtement de l'enceinte" sous pression différent dé celui représenté? sur la 7127731 6 2099666 figure 3jen ce sens qu'une couche de béton hautement conducteur 42A est utilisée à des fins de support de charge ainsi que pour ses propriétés thermiques. En outre, la membrane 14 est séparée d'une enceinte sous pression 10A par des entretoises 48 soumises 5 à une compression ou autre élément d'écartement tels que des éléments annulaires. L'enceinte sous pression 10A comporte elle-même un certain nombre d'anneaux en béton précontraint qui sont calés les uns sur les autres. Des tirants 50,dont un seulement est représenté, maintiennent les anneaux ensemble et en relation 10 étanche à la pression. La membrane 14 est refroidie par un gaz ou un liquide passant entre elle et l'enceinte 10A de manière à réduire au minimum la transmission de chaleur vers cette dernière. En se référant maintenant aux figures 1 à 4 , on voit que tous les composants principaux situés à l'intérieur du revêtement 15 12 sont supportés par dessous, leur poids étant réparti sur le calorifugeage disposé sur le fond de l'enceinte sous pression par un système de poutres 50 qui constitue avec la partie de base 18' du bouclier 18, une structure de support à laquelle sont assujettis le coeur et les échangeurs de chaleur 20. 20 A cause de la disposition asymétrique du coeur du réac teur et des échangeurs de chaleur à l'intérieur de l'enceinte sous pression la canalisation qui les relie aux circulateurs du fluide de refroidissement est soumise à des contraintes thermiques qui sont apposées elles-mêmes d'une manière asymétrique, et la 25 structure de base sert à empêcher un mouvement relatif des éléments ancrés qui pourrait être provoqué par ces forces. En utilisant le calorifugeage du fond (qui est analogue à celui représenté sur la figure 3 ou 4) pour transférer le poids des composants à l'enceinte sous pression, il est inutile de traverser le calo-30 rifugeage avec des entretoises de support ou autres éléments; la présence de telles entretoises transmettrait, en raison de leur conductivité, des contraintes thermiques/au fonïa^èe£'enceinte 10. La partie de base 18' de l'écran 18 est utile étant donné qu'elle protège du coeur du réacteur le calorifugeage se trouvant 35 au-dessous d'elle. En outre, en cas de défaillance provoquant un grave surchauffage du coeur et une fusion du combustible qu'il contient, cette partie de base 18' de l'écran offrirait un certain degré de protection en cas d'échappement du combustible fondu du coeur. 71 27731 7 2099666 Finalement en se référant aux figures 5 et 6, sur lesquelles les pièces analogues sont désignées par les mêmes numéros de référence que sur les figures 1 à 4, on a représenté une autre forme de réalisation de la présente invention. Cette forme de 5 réalisation est très analogue à celle des figures 1 et 2. Toutefois elle comporte quatre échangeurs de chaleur 20 et les pompes 32 du fluide de refroidissement sont disposées radialement par rapport aux échangeurs de chaleur au lieu de se trouver au-dessus d'eux, naturellement l'invention n'est pas limitée aux formes 10 de réalisation décrites et représentées, et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention. 71 27731 8 2099666 REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire comportant une enceinte sous pression et dans cette dernière un coeur, plusieurs échangeurs de chaleur et plusieurs circulateurs reliés pour faire circuler le flui- 5 de de refroidissement à travers le coeur,puis à travers les côtés primaires des échangeurs de chaleur,réacteur caractérisé en ce que le coeur est placé de manière asymétrique dans l'enceinte et les échangeurs de chaleur et les circulateurs sont disposés dans l'espace restant de l'enceinte, le coeur et les échangeurs de cha-1 0 leur étant supportés par dessous par une structure de base à laquelle ils sont ancrés et qui empêche que des forces thermiques asymétriques dues à la disposition asymétrique.des composants provoquent un mouvement relatif entre eux. 2. Réacteur nucléaire selon la revendication 1 caractéri--15 sé en ce que les sorties des côtés primaires des échangeurs de chaleur se déchargent dans un réservoir séparé du fluide de refroidissement auquel sont reliées les entrées des circulateurs du fluide de refroidissement. 3. Réacteur nucléaire selon la revendication 1 caracté-20 risé en ce que l'enceinte sous pression contient une masse relativement froide d'un liquide de refroidissement dans lequel le coeur du réacteur les échangeurs de chaleur et les circulateurs sont immergés et en ce que lesdits circulateurs sont disposés de manière à prélever le fluide de refroidissement dans la masse froide 25 et en ce que les côtés primaires des échangeurs de chaleur sont agencés pour déverser le fluide de refroidissement refroidi dans la masse froide. 4. Réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le côté primaire de chaque échangeur de chaleur 30 déverse le fluide de refroidissement refroidi dans une zone de mélange dans laquelle est également déversé le fluide de refroidissement refroidi provenant du côté primaire d'un autre au moins des échangeurs de chaleur, ladite zone de mélange alimentant la masse froide. 35 5. Réacteur nucléaire selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que la partie supérieure du coeur du réacteur est entourée par un barrage à l'intérieur duquel est déversé le fluide de refroidissement chaud provenant du coeur du réacteur 71 27731 ^ 2099666 pour former une masse chaude séparée de la masse froide, et les échangeurs de chaleur sont reliés de façon que leurs côtés primaires soient alimentés par la masse chaude en fluide de refroidissement chaud. 6. Réacteur nucléaire selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe pour engendrer une pression de gaz en excès à l'intérieur du barrage et au-dessus, de la masse chaude de manière à abaisser le niveau de la surface de la masse chaude au dessous de celui de la masse froide. 7. Réacteur nucléaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pompe et l'excès de pression qu'elle engendre sont commandés par un détecteur sensible à des.écarts du niveau de la surface de la masse froide par rapport à une hauteur prédéterminée afin d'augmenter ou de diminuer cet excès de pression pour faire varier le niveau de la surface de la masse chaude et maintenir le niveau de la surface de la masse froide sensiblement constant à ladite hauteur prédéterminée. 8. Réacteur nucléaire.selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte sous pression est en béton et comporte intérieurement un revêtement en acier qui est lui-même recouvert intérieurement d'une couche d'un calorifugeage, le revêtement et le béton de l'enceinte étant séparés par une couche de matériau ayant une conductibilité thermique relativement grande et des conduits étant disposés entre cette dernière couche et le béton de l'enceinte, pour y faire circuler un fluide de refroidissement gazeux/îïquide afin de protéger le béton de l'enceinte d'un chauffage excessif. .-T. 9. Réacteur nucléaire selon la revendication 8, caractérisé. en ce que ledit matériau de conductibilité relativement grande est un béton conducteur det la chaleur tel qu,'un béton préparé avec un ciment à haute teneur en alumine. • , , -, 10.; Réacteur.nucléaire selon.la revendication .8 ou 9, caractérisé en ce que la canalisation du, fluide, de refroidissement comporte des conduits montés sur une membrane .placée"entre le béton de l'enceinte sous pression.et-la couche de matériau ayant une conductibilité thermique, relativement, grande • 11Réacteur, nucléaire selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la couche de. matériau à conduçtibilité 71 27731 10 2099666 thermique relativement grande est espacé par des entretoises ou autres éléments d'écartement du béton de l'enceinte de manière à laisser un espace qui constitue un conduit pour le fluide de refroidissement. 5 12. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des reven dications précédentes, caractérisé en ce que la structure de base supporte ou comporte un écran de base sur lequel repose le coeur du réacteur et qui offre une protection contre les radiations au-dessous du coeur du réacteur.