Brevet FR2099672A1 — publié le 19720317

La présente invention concerne les enceintes sous pression et de façon plus particulière, quoique non exclusivement, les enceintes sous pression destinées à abriter les réacteurs nucléaires à refroidissement par métal liquide. 5 Selon l'invention, une telle enceinte sous pression est caractérisée en ce qu'elle comprend une structure extérieure en béton entourant une cavité munie d'une enveloppe et destinée à contenir un liquide chaud agressif du point de vue chimique,avec, entre cette structure et cette enveloppe une chemise de refroidis-10 sement et, entre cette chemise et l'enveloppe,une couche de matière de conductivité thermique élevée qui sert à faciliter le transfert de chaleur entre l'enveloppe et la chemise ; cette couche de matière et la chemise servent, dans des conditions de fonctionnement normales-, à maintenir à la fois la température de l'enveloppe entre 15 des limites étroitement contrôlées et la température maximale de la structure extérieure en béton à une valeur acceptable,1'enveloppe servant à prévenir toute fuite de liquide hors de Jfca cavité et la chemise de refroidissement constituant, une barrière imperméable supplémentaire. Par " chaud on entend des températures dépassant 20 environ 100°C. Dans le cas d'un réacteur nucléaire à refroidissement par métal liquide, la cavité mentionnée ci-dessus reçoit un bain de sodium liquide qui atteint des températures de l'ordre de 400°C en fonctionnement normal et elle reeoit également lës parties du réacteur qui doivent travailler dans ce bain. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre non limitatif ; la Fig.l représente line vue en élévation d'une enceinte sous pression conforme à l'invention destinée à abriter un réacteur 30 nucléaire à refroidissement par métal liquide, en coupe suivant la ligne I-I de la Fig. 2. ... la Fig. 2 représente une vue en plan de 1'enceinte de la Fig.l, les quatre quartiers de cette figure,repérés par les flèches A,B,C et D, correspondant respectivement à line vue de dessus (sui-35 vant la direction de la flèche A de la Fig.l) et à des vues en plan en coupe prises suivant les lignes B-B,C-C et D-D de la Fig.l. la Fig. 3 représente une vue en coupe d'un détail de la paroi de l'enceinte des Fig. 1 et 2, à une plus grande échelle que celle de ces figures. 40 la Fig. 4 est un diagramme associé à la Fig. 3 et illustrant 71 27903 2 2099672 la distribution des températures et des contraintes à travers les parois de l'enceinte principale pendant le fonctionnement d'un réacteur logé dans l'enceinte (conditions normales de fonctionnement à pleine puissance ). 5 L'enceinte particulière représentée par ees figures est destinée à abriter un réacteur surrégénérateur rapide à refroidissement par métal liquide, ce dernier étant du' sodium. Dans un tel réacteur, sous des conditions maximales de fonctionnement en régime permanent, la température du réfrigérant que constitue le sodium 10 est de l'ordre de 400°G. Elle tombe à environ 200°C pendant qu'on complète le remplissage. On maintient au-dessus de ce réfrigérant liquide un matelas de gaz sous "une pression nominale d'approxima-tivement 1,4 kg/em -, Il existe en outre une pression maximale d'en- O viron 1,75 kg/em qui est due à la hauteur de charge du sodium à 15 l'intérieur du bain.Outre ces facteurs, la conception d'une enceinte sous pression destinée à abriter un réacteur à refroidissement par sodium doit tenir compte de deux conditions possibles d'accident,à savoir : 1 - un accident de percée par combustion, dit "SPERT", qui 20 se produit lorsque du combustible fondu tombe sur le plancher de la cavité où est logé le réacteur et entraîne une percée car combustion: 2 - un accident de la totalité du coeur dans lequel le coeur explose dans son ensemble, le réacteur passant touÇefola à l'arrêt de façon permanente. 25 II est nécessaire que, lorsque" apparaissent les conditions de l'un ou l'autre de ces accidents, il ne se produise aucun échappement inacceptable de matière radioactive liquide ou solide, bien que certains produits de fission gazeux puissent se dégager hors de l'enceinte dans laquelle est logé le réacteur. 30 Un accident de percée par combustion conduit à un passage de combustible fondu dans le bain de sodium, une certaine quantité pouvant se déposer sur le plancher de l'enceinte. S'il se trouve en un point une masse suffisante, la température de l'amas fondu s'élève rapidement et 11 traverse en la brûlant toute matière avec 35 laquelle II est en contact. L'enceinte doit donc être construite de façon que, dans le cas d'une perçée par combustion en n'importe quel point du socle, autraa organe vital ne soit endommagé ou qu'il n'y ait aucune réduction importante de la résistance mécanique de la structure. En outre, l'épaisseur du socle et,la nature des fon-40 dations doivent être telles que le combustible fondu ait le maxi 71 27903 3 2099672 mum de chances de brûler en suivant un trajet dirigé vers le bas sans endommager de façon inacceptable la structure ou sans provoquer une fuite Incontrôlée de sodium susceptible de découvrir le coeur du réacteur. Une profondeur suffisante s'avère nécessaire 5 pour qu'un bouchon refroidi de sodium solide puisse se former au-dessus de l'amas de combustible fondu et ainsi obturer la fuite. Dans le cas d'un accident de la totalité du coeur.,il est nécessaire qu'une enveloppe,prévue dans l'enceinte de protection-et décrite ci-dessous demeure intacte et que l'ensemble de la struc-10 ture de l'enceinte présente une marge convenable contre l'écrasemert L'enceinte représentée présente une forme générale cylindrique dont l'axe du cylindre est vertical et elle comprend un bloc extérieur monolithique en béton précontraint 1 autour duquel sont ménagés- des gorges ou canaux 2 destinés à recevoir des cables de 15 précontrainte non représentés. On peut donc soumettre le bloc 1 à des contraintes en enroulant sous tension des cables dans les gorges ou canaux 2. On peut en variante utiliser, à la place des cables de précontrainte enroulés dans les canaux, des tendeurs droits ou courbes qui ne sont pas représentés. Outre cette précon-20 trainte sur le pourtour du cylindre, on peut prévoir une précon-trainte verticale à l'aide de tirants tendeurs sensiblement verticaux Le bloc 1 délimite une cavité 4 destinée à contenir le bain de sodium. Dans l'exemple dessiné, la cavité 4 présente un diamètre d'environ 15,25 m et une hauteur d'environ 18,25 m. L'é-25 paisseur totale de la paroi cylindrique 5 qui entoure la cavité est d'environ 3,35 m et celle du socle ou semelle 6 situé en dessous de la cavité est d'environ 4,55 ni, le chapeau 7 situé au-dessus de la cavité présentant une épaisseur d'environ 3^65 m. La cavité 4 est entourée par une enveloppe intérieure 8 qui 30 porte sur sa face Intérieure une couche d'isolation 9. Cette couche, qui n'est pas représentée en détail, est dans un mode de réalisation particulier constituée par des tôles ondulées métalliques disposées circonférentiellement et intercalées avec d'autres tôles métalliques ondulées disposées circonférentiellement dont les crêtes s'appuient 35 sur celles des premières tôles pour constituer des ouvertures verticales dont chacune est délimitée par une partie d'une tôle et par une partie d'une autre, ces parties s'étendant chacune entre des crêtes adjacentes. Les tôles sont soudées ou fixées ensemble de tout autre manière là ou elles s'appuient les une sur les autres de fa-40 çon que les ouvertures constituent des poches de stagnation des gaz. 71 27903 4 2099672 La couche d'isolation 9 est constituée d'éléments qui sont soudés ou fixé» ensemble de toute autre façon de manière que l'ensemble de la couche offre une résistance maximale au passage du sodium, la dilatation thermique qui se produit lorsque cette couche 9 est 5 au contact du sodium à des températures de l'ordre de 400° C se trouvant absorbée par le fléchissement des ondulations. Pour prévenir l'apparition de courants de convection dans le gaz emprisonné dans les poches de la couche d'isolation, on peut garnir ces poches sans tassage à l'àïde d'une matière de remplissage conve-10 nable, par exemple d'alumine ou de silice fondue. L'enveloppe 8 est réalisée en métal, par exemple en acier doux, et elle est portée par une couche 10 d'un béton spécial qui n'est pas du béton de construction et dont la composition est telle qu'il présente une eonductivité thermique qui est d'environ le 15 double de celle d'un béton normal de construction. Afin de donner à cette «Bûche 10 une conductivité thermique élevée, on peut soit utiliser une charge de grenaillage, de tôles découpées, de copeaux, etc... en acier ou bien utiliser dans la formation du béton des additions de matières minérales naturelles présentant une conductivité thermique élevée telles que l'hématite. Cette couche IS de béton spécial est séparée du béton de construction extérieur du bloc 1 par une chemise de refroidissement constituée par une enveloppe métallique extérieure -11, par exemple en acier doux, dont la partie cylindrique verticale porte sur sa face extérieure un réseau de conduits 12 d'air de refroidissement. Ces conduits sont constitués par des cannelures de métal ondulé à section rectangulaire fixées sur l'enveloppe 11. Des tiges d'ancrage 13 noyés dans le béton de constructions extérieur traversent l'enveloppe extérieure 11 et la couche 10 de béton spécial et sont fixées sur 1 Enveloppe intérieure 8.Dans une variante de réalisation, non représentée, les tiges 1J sont remplacées par des tirants reliant les enveloppes "à et le fourreau 11. Dans l'exemple dessiné, l'épaisseur de la couche d'isolation 9 est d'environ 12,f^m, celle de l'enveloppe Intérieure 8 d'environ 2,5 cm, celle de la éouche 10 de béton spécial d'environ 30,5 cm et celle de l'enveloppe extérieure 11 d'environ 9,5 mm et les cannelures métalliques font 10x10 cm. L'épaisseur de béton de construction extérieur est d'environ 2,9 cm. Le fond de l'enveloppe extérieure 11 porte sur sa faee" infé-^0 rieure deux séries de conduits de refroidissement 14 et 15. Les 71 27903 5 2099672 conduits 14 sont constitués par des cannelures d'une tôle de métal ondulé fixée sur la chemise 11 de la façon décrite plus haut. Les conduits 15 sont constitués soit par des cannelures fixées sur une tôle elle même fixée sur les cannelures constituant les conduits 5 14, soit par des tubes de section carrée fixés sur ces cannelures constituant les conduits 14. Les deux séries de conduits sont disposées l'une par rapport à l'autre de façon que ces conduits fassent entre eux un angle droit. Il est prévu un équipement de régulation. de là radioactivité (non représenté)" pour contrôler les extrémités de sortie des séries de conduits 14 et 15 et il est également prévu des vannes ( non représentées non plus ) pour isoler certains des conduits 14 et 15'un par un ou des groupes de ceux-ci. Il est bien évident que, bien que cela ne soit pas repré-!5 senté, le chapeau 7 est muni des organes nécessaires au remplissage et aux autres servitudes de l'installation. \ ■ Ainsi qu'il a déjà été Indiqué, sous des conditions maximales de fonctionnement en régime permanent pour un ^réacteur logé dans 1'enbelnte particulière décrite, le sodium servant de ré f ri -20 gérant se trouve à une température de l'ordre de: 400 ° C. La structure de la couche d'isolation 9 est telle que, à travers cèlle-ci, là température tombe à environ '200° -G ( voir Figure 4 ) et on fait passer de l'air à travers les conduits 12 de: façon que, dans ces conditions, la couche de béton spécial 10 adjacente à l'enveloppe 25 8 soit soumise à un gradient thermique très raldè avèc une chute de température de 200° C à l'endroit de la chemise intérieure" 8 à 50° C à l'endroit dé la chemise extérieure 11, sur une épaisseur de 30;5 cm. Cette température de 50° "C tombe à 20° C (température ambiante ) à travers l'épaisseur du béton.de construction exté-30 rieur. ' • Ainsi qu'il a déjà été indiqué; pendant 'qu'on compte le remplissage, la température du sodium servant de réfrigérant tombe à environ 200° C et il faut remarquer qu'tïne chute * correspondante dans la température de la-chemise intérieure 8'soumettrait 35 celle-ci à des contraintes thermiques considérables. En outré, des variations dans la charge du réacteur pendant son fonction-nelent normal donnent lieu a des fluctuations dans la température du sodium, ce qui tend également à appliquer des contraintes thermiques à la chemise 8. En vue de réduire au minimum les contraintes ^0 thermiques, appliquées à cette chemise 8, on règle la température 71 27903 6 2099672 de l'air qui traverse les conduits 12 de façon à maintenir aussi constante que possible la température de la chemise. Ainsi, lorsque le réacteur entre pour la première fois en service, on souffle de l'air chaud à travers les conduits 12 jusqu'à ce qu'on 5 atteigne un régime de température permanent'à travers l'ensemble, puis on règle encore le système de refroidissement pendant qu'on élève la température du sodium jusqu'à sa valeur de service. On traite ensuite les fluctuations qui apparaissent dans la température du sodium du fait de variations dans la charge du réacteur 10 en réglant la quantité d'air de refroidissement qu'on souffle à travers les conduits. Lorsqu'on complète le remplissage, on élève la température de l'air qui traverse les conduits 12 de façon à réduire la chute totale de température entre la chemise Intérieure 8 et la chemise extérieure 11. Des températures que l'on obtient 15 sont à titre d'exemple, de I5O0 C à l'endroit de la chemise intérieure 8 et de 80° C à 1'endroit de la chemise extérieure 11. Le gradient de température à travers le béton de construction extérieur s'accroît de façon correspondante, la température maximale dans ce béton s'élevant à 80°C. 20 Toutefois des températures de l'ordre de 50° C à 80° C sont des valeurs acceptables pour du béton de construction classique. Si un arrêt complet s'avère nécessaire et si le sodium doit être vidangé pour permettre l'accès au réacteur, il faut refroidir l'enceinte en suivant un mode opératoire soigneusement contrôlé 25 correspondant à celui adopté pour la mise en service. . Les conditions de température maximales normales en; cours de fonctionnement conduisent à dès contrainte de traction nominales - v-, . qui, à l'endroit de la surface extérieure de l'enceinte , correspondait appxmmativemait àmaHmgemoit de '400.10 . La précontrainte appliquée 30 par les cables enroulés dans les canaux 2 est telle qu'elle permet de réduire à zéro ces contraintes.- On a mentionné plus haut des conditions possibles, d'appa-* rition d'un accident. Si, dans l'ènceinte ici considérée, du sodium se met à fuir eh traversant la couche d'isolation $ et l'en-35 veloppe intérieure 8, il arrive alors au contact de la couche de béton spécial 10. Ce béton est tel que le sodium ne réagit pas avec lui, mais tend à le traverser par perméabilité. Cependant, étant donné que la chemise extérieure 11 est maintenue à une température inférieure à celle dé laquelle le sodium se solidifie, 40 toute masse de sodium qui traverse par perméabilité la couche de 71 27903 7 2099672 béton 10 se solidifiera en venant au contact de l'enveloppe 11, obturant ainsi la fuite. Ainsi qu'il a été décrit précédemment, dans un accident de percée par combustion, il peut se déverser du combustible 5 fondu dans le bain de sodium et une partie peut en venir se déposer sous la forme d'amas sur la surface du fond de la cavité 4 où il va traverser en brûlant les enveloppes et éventuellement pénétrer profondément à travers la structure et dans les fondations situées en dessous. Afin de réduire au minimum les effets 10 d'un tel accident, on réalise la semelle qui sert de base 6 avec une épaissèur largement dimensionnée afin de pouvoir y loger sans difficulté les conduits et collecteurs de refroidissement et y prévoir un accès du personnel à des fins d'inspection et d'eîltre-tien, en présentant une épaisseur supplémentaire de béton à tra-15 vers laquelle la matière fondue doit brûler avant de s'échapper de la structure de l'enceinte principale.En outre, la semelle est montée sur une autre épaisseur de béton économique ou un lit de particules de quartz, destiné à servir de réservoir dans lequel l'énergie thermique du combustible fondu peut se dissiper. 20 La faible dimension des conduits élémentaires de refroidis sement limite l'échappement de quantités excessives de sodium.De plus, l'existence de deux; séries de conduits perpendiculaires entre elles réduit au minimum l'effet d'une percée par combustion sur le refroidissement de la semelle et prôeure un moyen direct 25 d'identifier l'emplacement de la percée en utilisant l'équipement de régularisation mentionné plus haut. On peut utiliser les vannes également mentionnées plus haut pour isoler et fermer les conduits affectés par l'accident une fois que l'emplacement de la partie endommagée a été localisé. 30 On peut ainsi choisir les vanfiès- à fermer de façon que seule une faible partie du refroidissement soit supprimée tandis que ce refroidissement peut sè poursuivre sur tout le reste de l'étendue de la semelle. Cette poursuite du refroidissement assure un maintien de l'enveloppe extérieure 11 à une température inférieure 35 à la température de solidification du sodium et cela conduit le système à devenir autoétanche avant que ne survienne une perte excessive de sodium hors de la cavité à travers le trou de percée par combustion. L'existence d'un accès du personnel aux collecteurs d'air principaux permet de pouvoir remettre en état après un ac-40 cident tous les conduits qui ont été bloqués. L'ensemble des cables 71 27903 8 2099672 de précontrainte enroulés permet de ne prévoir absolument aucun tendeur de précontrainte dans la semelle, ce qui exclue toute possibilité d'endommagement de l'ensemble de précontrainte par une percée de combustion. Il faut également noter que l'on peut ainsi associer un appareillage de détection aux conduits 12. Quelle que soit la probabilité pour que se produise un accident de la totalité du coeur, l'enceinte est concue pour supporter les effets d'une seul accident de ce genre seulement pendant sa durée de service, sa structure étant prévue pour supporter O une pression résiduelle dite pseudo-statique de 24,5 kg/cm . On suppose que, du fait de son inertie, la structure peut résister à l'impulsion élevée et transitoire de pression qui précède ce régime de pression. Pour supporter les conditions d'un tel accident, on prévoit une précontrainte suffisante pour obtenir un facteur de charge contre l'écrasement d'approximativement 1,5. Le renforcement de liaison ou les tendeurs de précontrainte 3 sont tels qu'ils contrôlent et répartissent la fissuration du béton et assurent un maintien de la largeur des fissures à l'intérieur de limites acceptables pour les enveloppes. Dans certaines zones, dans lesqueUss apparaissent des contraintes locales plus élevées du fait des discontinuités de la structure ( par exemple aux coins de l'enceinte ou aux endroits où pénètrent les raccords ), on prévoit un renforcement supplémentaire pour assurer un contrôle régulier de la largeur des fissures. Bien que l'enceinte sous pression, telle qu'elle vient d'être décrite, soit destinée à abriter un réacteur à refroidissement par métal liquide, on peut utiliser une telle enceinte pour contenir des liquides chauds chimiquement agressifs autres que du sodium liquide. On remarquera que, dans tous les cas, la couche d'isolation 9 doit être en une matière compatible avec des liquides à contenir et qu'on peut prévoir une couche d'isolation constituée d'une façon différente de celle décrite. En outre, on peut remplacer la couche 10 de béton spécial par toute autre matière thermoconductrice convenable. Une enceinte qui n'est pas destinée à abriter un réacteur n'a évidemment pas besoin d'être construite de façon à pouvoir ^0 résister à un accident de la totalité du coeur. 71 27903 9 2099672 REVENDICATIONS 1 - Enceinte sous pression caractérisée en ce qu'elle comprend une structure extérieure en béton (5) entourant une cavité (4) munie d'une enveloppe et destinée à contenir un liquide chaud agressif du point de vue chimique -, avec, entre cette 5 structure (5) et cette.enveloppe (8), une chemise de refroidissement (11-12- 11-14-15) et, entre cette chemise et l'enveloppe une couche de matière de conductivité thermique élevée (10) qui sert à faciliter le transfert de chaleur entre l'enveloppe et la chemise, cette couche de matière et cette chemise servant dans des 10 conditions de fonctionnement normales, à maintenir à la fois la température de la chemise entre des limites étroitement contrôlées et la température maximale de la structure extérieure en béton à une valeur acceptable, la chemise servant à prévenir toute fuite de liquide hors de la cavité et l'enveloppe de refroidissement 15 constituant une barrière Imperméable supplémentaire. 2 - Enceinte sous pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matière de conductivité thermique élevée (10) est constituée d'un béton spécial qui n'est pas du béton de construction et dont la composition est telle qu'il pré- 20 sente une conductivité thermique de l'ordre du double de celle du béton-de la structure extérieure (5). 3 - Enceinte sous pression selon la revendication 2, caractérisée en ce que le béton spécial présente une charge de grenaillage, de tôles découpées ou de copeaux d'acier. 25 4 - Eîrcrôinte sous pression selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'on utilise dans la préparation du béton spécial des additions de matières minérales naturelles présentant une conductivité thermique élevée. 5 - Enceinte sous pression selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ia chemise de refroidissement (11-12, 11-14-15) comporte une série de conduits (12 ou 14 ou 15) à travers lesquels peut passer un fluide de refroidissement. 6 - Enceinte sous pression selon la revendication 5, 35 caractérisée en ce que des vannes sont associées aux conduits (14, 15) de la partie de base (11-14-15) de la chemise de refroidissement, ee qui permet d'isoler certains des conduits ou groupes de ■ conduits du reste des conduits. 7 - Enceinte sous pression selon l'une quelconque des 71 27903 10 2099672 revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la partie de base (11-14-15) de la chemise de refroidissement comprend deux séries de conduits (14,15) disposées transversalement l'une par rapport à l'autre.