Brevet FR2070029A1 — publié le 19710910

i 2070029 La présente invention concerne un réacteur nucléaire dont le coeur est logé dans un caisson métallique à l'épreuve de la pression. C'est ainsi qu'on connaît par exemple des réacteurs 5 à eau sous pression, lourde ou légère, des réacteurs à eau bouillante et d'autres types. Le caisson à l'épreuve de la pression est alors en général entouré par un écran de protection en béton formant lui aussi caisson et, le plus souvent, par un bouclier thermique 10 spécial, sous forme de blindage en acier. Ceci est onéreux au point de vue construction et ce notamment pour les réacteurs nucléaires à grande puissance. On a donc trouvé d'autres modes de construction. C'est ainsi qu'on a proposé de réaliser les caissons en béton, 15 plus précisément à parois épaisses en béton précontraint. En général, ces constructions en béton précontraint sont même faites de plusieurs coques, l'une qui absorbe spécialement les rayonnements et les flux thermiques en étant déchargée de la pression, l'autre qui, externe et épaisse, sert à reprendre les pressions 20 (demande de brevet allemand publiée n° I.lè5.3ô2). Cela est aussi onéreux et implique des difficultés d'ordre statique, d'autant que le calcul statique de l'état de contraintes de ces ensembles porteurs épais en béton soulève des problèmes considérables. Il risque surtout de s'y produire des 25 détériorations du béton (déshydratations), causées par la température, le rayonnement ou les deux à la fois : il faut alors refroidir à grand frais, refroidissement par lequel on ne récupère qu'une chaleur médiocre, si bien qu'on ne peut pas alimenter avec l'agent refroidisseur, le plus souvent constitué par de l'eau, les centra-30 les pour y produire de l'énergie. L'invention a notamment pour but d'obvier à ces inconvénients, par un réacteur nucléaire dont le caisson à l'épreuve de la pression et l'écran sont groupés en un seul ensemble peu sensible aux températures, sans qu'il faille s'y préoccuper 35 de problèmes statiques importants. Selon l'invention, dans un réacteur nucléaire dont le coeur est logé dans un caisson métallique à l'épreuve de la pression et qui comporte un écran, le caisson est en fonte précontrainte et son épaisseur est en même temps déterminée pour ^0 qu'il fasse écran. ' 69 45373 2 2070029 Ce caisson possède bien sûr les ouvertures habituelles, par exemple nécessaires, selon le type du réacteur, par exemple pour amener et évacuer l'eau sous pression et introduire les éléments combustibles ou les barres de réglage. 5 Par l'expression "épaisseur déterminée en même temps pour qu'il fasse écran", on veut dire ici que la protection a lieu essentiellement dans la paroi du caisson, raison pour laquelle les caissons conformes à l'invention sont appelés caissons protecteurs. On peut néanmoins utiliser un matériau protec-10 teur additionnel, en prévoyant par exemple de surcroît une enveloppe d'eau ou bien en disposant un simple enveloppement de béton. La précontrainte est choisie de façon que les éléments en fonte n'aient pas à reprendre des contraintes critiques 15 de traction ou de flexion-traction quand ils sont soumis aux pressions d'exploitation ou bien en cas d'incident grave. On peut alors utiliser sans autre difficulté les règles et les ressources de la technique du béton précontraint pour produire les précontraintes de compression sur le caisson protecteur selon 20 l'invention, notamment en ce qui concerne la conception, la disposition et le montage des éléments de précontrainte. S'il s'agit d'un réacteur nucléaire assez petit, on peut couler d'une seule pièce le caisson protecteur. En général et plus précisément quand il s'agit d'un réacteur nucléaire 25 à grande puissance, le caisson protecteur résulte de l'assemblage d'éléments préfabriqués en fonte. La forme de ce caisson est en principe alors quelconque et peut être en plan par exemple carrée, rectangulaire ou bien ovale, mais de préférence circulaire pour des raisons statiques. 30 Dans tous les cas, il convient de réaliser les éléments préfabriqués en fonte sous forme de plaque de base, de partie supérieure, et de secteurs, anneaux ou secteurs et anneaux cylindriques. On peut encore construire ces éléments par assemblage de blocs plus petits. 35 A cet égard et dans un mode de réalisation préfé rentiel, la plaque de base et la. partie supérieure au moins résultent de l'assemblage de blocs constitutifs par exemple en forme de secteurs. Ces blocs peuvent être creux e^leurs vides peuvent recevoir des matières protectrices. 40 D'après une autre particularité, avantageuse au 69 45373 2070029 point de vue de la fabrication, la dalle de base et la partie supérieure du caisson sont en béton armé, alors que sa partie cylindrique est formée de la manière décrite par assemblage de secteurs ou d'anneaux cylindriques. Il est toujours approprié 5 pour le caisson de présenter alors, au moins dans la zone des joints des éléments préfabriqués en fonte, un revêtement d'étan-chéité, des moyens d'étanchéité dans ces joints ou les deux à la fois, que l'on réalise convenablement résistants à la pression. Pour des raisons statiques principalement, mais aussi 10 pour des motifs de protection, il est avantageux d'emboîter les uns dans les autres les éléments préfabriqués en fonte à leurs joints par solidarité de forme; ils peuvent pour cela offrir des conformations d'assemblage sous forme de saillies, de rainures et de langues et autres éléments analogues. 15 On peut diversement précontraindre le caisson pro tecteur en fonte. C'est ainsi que les éléments préfabriqués en fonte peuvent présenter des conduits destinés à recevoir les éléments tendeurs de précontrainte sous forme de moyens de traction. Il 20 est toutefois approprié, pour des raisons techniques de serrage, de mettre au. surplus sur l'enveloppe du caisson des éléments externes de précontrainte. Leur mise en tension est simple notamment lorsque ce sont des anneaux en acier fretté. Leur frettage n'offre 25 aucune difficulté quand ils se composent de secteurs assemblés et que la précontrainte est appliquée sous forme de tension de retrait d'un ou plusieurs joints de soudure répartis sur leur pourtour, dans ces anneaux en acier. Il est alors préférable d'utiliser des joints en V. 30 Selon une autre particularité, on compose d'abord le caisson d'éléments de précontrainte non tendus à partir des éléments préfabriqués et on en réalise ensuite la précontrainte par pression interne, à la manière d'un gonflage. Il est enfin possible de commencer par refroidir 35 le caisson en le remplissant d'un liquide réfrigérant, puis d'y poser des éléments annulaires de précontrainte; après élimination du liquide réfrigérant, par exemple par évaporation, la dilatation thermique du caisson se reporte sur les anneaux et provoque la précontrainte. 40 II n'est pas nécessaire de refroidir spécialement 69 45373 4 2070029 le caisson protecteur dans les réacteurs nucléaires envisagés selon l'invention. Il est même très avantageux de supprimer, dans la forme d'exécution décrite en dernier lieu, le refroidissement particulier du caisson, car les dilatations thermiques 5 des éléments en fonte et donc du caisson n'augmentent au total que la précontrainte de compression. On peut aussi en tirer parti pour produire la précontrainte. Bien entendu, on peut toutefois refroidir aussi le caisson protecteur des réacteurs envisagés. A cet effet, le 10 caisson présente opportunément des conduits ou des chambres, le cas échéant à tubes incorporés par coulée, permettant de recevoir, isolément ou en combinaison, un agent refroidisseur, un modérateur ou un réflecteur, pour réduire au minimum dans le réacteur, grâce à ce ou ces agents, les pertes par diffusion de neutrons 15 thermiques. A cela contribue aussi le fait qu'on utilise, pour le caisson et ses éléments préfabriqués, une fonte à teneur en carbone aussi élevée que possible, par exemple supérieure à 3$. Les avantages qu'implique l'invention résident surtout dans le fait que, avec ce réacteur, un seul caisson suf-20 fit à reprendre les pressions et.à faire écran, les problèmes statiques et aussi thermiques de la configuration des caissons pour réacteurs nucléaires étant par là simultanément très réduits. On profite en même temps du fait qu'on peut couler 25 sans grande difficulté en fonte à composition quelconque des caissons ou éléments en fonte à conformation décrite, si la paroi en a été prise convenablement épaisse, par nécessités non seulement de statique, mais aussi de protection. La fonte elle-même peut alors, comme déjà mentionné, avoir les composi-30 tions les plus diverses. Si l'on opère avec refroidissement, on peut réaliser celui-ci par évaporation et récupérer sans difficulté la chaleur produite. On peut bien sûr construire également le caisson envisagé en fonte à graphite sphéroïdal. La teneur en carbone doit toujours cependant être 35 choisie aussi haute que possible. La figure 1 représente en coupe verticale un nucléaire/ reacteur/conforme a l'invention. La figure la en montre un détail à plus grande échelle. 40 La figure 2 en représente en coupe horizontale un 69 45373 5 2070029 détail agrandi. La figure 3 est une vue en plan du réacteur. £ja figure 4 est une coupe verticale de sa partie supérieure représentée figure 3. 5 Le réacteur nucléaire qu'indiquent les figures comporte un caisson métallique 1 à l'épreuve de la pression qui en reçoit le coeur 2, seulement suggéré sur la figure 1. Le caisson 1 est en fonte précontrainte et son épaisseur est déterminée pour qu'il fasse simultanément écran de protection. Il 10 n'y a donc pas de carapace protectrice spéciale qui entourerait ce caisson à l'épreuve de la pression. Dans cet exemple et d'après un mode de réalisation préféré, le caisson protecteur 1 est composé par assemblage d'éléments préfabriqués en fonte 3*4,5. La forme de ce caisson 15 est quelconque en elle-même et, dans cet exemple, elle est cylindrique. Les éléments préfabriqués en fonte sont exécutés en tant que dalle de base 4, partie supérieure 5 secteurs cylindriques 3. Mais on peut aussi utiliser des anneaux cylin-20 driques. La figure 1 permet de se rendre' compte aisément qu'on peut construire aussi la dalle 4 et la partie supérieure 5 en béton armé. Il convient toutefois aussi de précontraindre alors ces éÊmënts en béton armé. Le caisson protecteur 1 possède, au moins dans la 25 région des joints 6 des éléments préfabriqués en fonte, un revêtement d'étanchéité 7 et éventuellement des moyens d'étan-chéité additionnels dans lésdits joints. D'autre part, les éléments préfabriqués 3 s'emboîtent par solidarité de forme aux joints, des saillies 8 et retraits 9 étant pour cela prévus 30 sur eux à titre de conformations d'assemblage 8,9- Pour assurer la précontrainte, les éléments préfabriqués 3*4,5 présentent d'abord dans cet exemple des conduits 10 qui reçoivent des moyens de traction 11 servant à la précontrainte. Il peut s'agir là d'aciers et câbles de précontrainte, 35 ou bien d'autres moyens de traction. Le détail agrandi de la figure la montre que, dans le caisson conforme à l'invention, la précontrainte peut, aussi s'effectuer par enroulement de fils métalliques 20 de précontrainte assez minces,dont la tension s'ajoute de façon connue 40 par spires et par couches. 69 45373 6 2070029 Il est en outre représent^&ans l'exemple de la figure 1, de façon toutefois non limitative, que des éléments de précontrainte sous forme d'anneaux en acier frettés 12 sont disposés sur l'enveloppe cylindrique du caisson 1. Ces anneaux résultent pour leur part de l'assemblage de secteurs élémentaires 13 ; la précontrainte est appliquée en tant que tension de retrait d'un ou plusieurs joints de soudage 14, de préférence en V, répartis sur le pourtour des anneaux. Pour le soudage, on procède alors en soudant simultanément tous les joints 14 de l'intérieur vers l'extérieur, si bien que,après refroidissement des joints soudés, il apparaît des tensions de retrait qui provoquent la précontrainte recherchée. Cela suffit en particulier quand il s'agit d'un réacteur nucléaire dont le caisson protecteur doit supporter de fortes températures. Celles-ci provoquent en effet manifestement des dilatations thermiques dont il résulte une augmentation des forces de précontrainte. Le caisson protecteur 1 possède de plus dans cet exemple des conduits 15 ou chambres 16 qui reçoivent un agent réfrigérant, un modérateur ou bien une matière réflectrice. On peut ainsi réduire au minimum, avec le réacteur envisagé, les pertes en neutrons thermiques. A ceci contribue en outre le fait que les éléments préfabriqués 3,4,5 sont en fonte à teneur en carbone aussi haute que possible. Différents modes de réalisation sont indiqués sur la figure 2 : on voit ainsi à droite que les éléments en fonte 3 peuvent y présenter sur leur face interne des rainures pour loger des tubes de refroidissement qui y seront mis en place par coulée pour conduire la chaleur. La figure 3 fait apparaître sur l'exemple de la partie supérieure 5 que les éléments décrits en fonte peuvent aussi être constitués par mise en tension de blocs élémentaires 17 assemblés. Les aciers de précontrainte s'étendent selon les lignes 18. Les blocs peuvent être creux et être remplis par une matière protectrice 19. L'épaisseur de la paroi des blocs creux 17 est adaptée aux contraintes et elle est plus forte en haut dans cet exemple. Dans un mode de réalisation très intéressant, la précontrainte est réalisée à l'aide d'éléments de mise en tension 12 posés de l'extérieur sur l'enveloppe cylindrique du 69 45373 ^ 2070029 caisson. Ces éléments peuvent se monter de manière très simple. 69 45373 8 2070029 -REVENDICATIONS- 1. Réacteur nucléaire dont le coeur est situé dans un caisson métallique à l'épreuve de la pression et qui comporte un écran protecteur, caractérisé par le fait que le caisson 1 à l'épreuve de la pression est en fonte précontrainte et que son épaisseur est en même temps déterminée pour qu'il fasse écran. 2. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le caisson protecteur 1 se compose d'éléments en fonte 3,4,5 préfabriqués et précontraints. 3. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments préfabriqués en fonte constituent une dalle de base 4, une partie supérieure 5 et des secteurs 3, anneaux, ou à la fois secteurs et anneaux, cylindriques . 4. Réacteur nucléaire selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la dalle de base 4 et la partie supérieure 5 du caisson au moins résultent de l'assemblage de blocs élémentaires constituants 17, par exemple en forme de secteurs. 5. Réacteur nucléaire selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les blocs 17 sont creux et peuvent être remplis d'une matière protectrice. 6. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le caisson protecteur 1 présente,au moins dans la zone des joints 6 des éléments préfabriqués en fonte, un revêtement d'étanchéité 7 résistant à la pression, des moyens d'étanchéité situés dans les joints ou à la fois ce revêtement et ces moyens. 7. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que les éléments préfabriqués en fonte 3,4,5 présentent des conformations d'assemblage 8,9 qui s'emboîtent par solidarité de forme aux joints 6. 8. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 7> caractérisé par le fait que les éléments préfabriqués en fonte 3,4,5 présentent des conduits 10 qui reçoivent les moyens de traction 11 qui assurent la précontrainte. 9 2070029 9. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par l'application externe d'éléments de- précontrainte externes 12 sur l'enveloppe cylindrique du caisson protecteur 1. 5 10. Réacteur nucléaire selon la revendication S, caractérisé par le fait que les éléments externes de précontrainte sont des anneaux en acier frettés 12. 11. Réacteur nucléaire selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les anneaux en acier de précontrain- 10 te 12 se composent de secteurs élémentaires 13 assemblés et par le fait que la précontrainte s'applique de préférence comme tension de retrait d'un ou plusieurs joints de soudure 14, de préférence en V, répartis sur le pourtour desdits anneaux. 12. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le caisson protecteur 1 présente des conduits 15 ou chambres 16 qui reçoivent, isolément ou en combinaison, un agent réfrigérant, un modérateur et une matière réflectrice.