Brevet FR2134074A1 — publié le 19721208

Lorsque dans un réacteur nucléaire, le coeur est plongé dans une cuve contenant le fluide de refroidissement et tout particulièrement, comme c'est le cas dans certains réacteurs à neutrons rapides, lorsque le fluide est un 5 métal liquide surmonté par un gaz inerte, les diverses parties de la cuve sont soumises à des températures extrêmement différentes et le gradient de température en certains points, par exemple entre la cuve et son toit, risque d'être dangereux. 10 La réalisation de ces réacteurs sous forme de réacteurs à échangeurs intégrés dans lesquels les échangeurs de chaleur seraient à proximité du coeur dans la cuve elle-même permettrait d'uniformiser la température des parois de ladite cuve, le seul point chaud restant étant l'espace 15 entre le coeur du réacteur et les échangeurs de chaleur. Toutefois dans les réacteurs à échangeurs intégrés se pose le problême du rechargement des éléments combustibles. Ce rechargement nécessite en effet l'arrêt .complet du réacteur "puis le refroidissement du coeur avant que la 20 manutention des assemblages de combustibles puisse être effectuée. Le réacteur reste alors inutilisé pendant un temps plus ou moins prolongé. • - La présente invention a pour but de remédier â ces inconvénients et de permettre nom seulement- d'aift&Iiorêr 25 la tenue de la cuve par une disposition des échangeurs à proximité du coeur mais aus&i 'de réduire- à--une durée très* ' faible le temps d'arrêt du réacteur pour le rechargement des éléments combustibles. Cette invention a pour objet un réacteur nucléaire 30 à échangeurs intégrés, qui comporte' à 1'intérieur d'une enceinte étanche un certain nombre de coeurs disposés en • . ~ couronne sur une aire support, un dispositif de manutention ' du combustible monté au-dessus de l'un de ces coeurs, un échangeur de chaleur suspendu au-dessus de chacun des 35 autres coeurs, une colonne centrale solidaire de l'aire support des coeurs traversant la totalité de l'enceinte et 70 28939 2 • 2134074 reliée à l'extérieur de celle-ci à un système de commande de son déplacement en rotation autour de son axe propre, entraînant celui des coeurs et les.amenant successivement de leur position de fonctionnement normal, au-dessous d'un 5 échangeur, à la position de rechargement, au-dessous du dispositif de manutention. Les éléments combustibles étant placés dans des canaux verticaux ménagés dans le coeur, le fluide de refroidissement passe directement de ces canaux dans 10 l'échangeur et le seul point chaud du réacteur est l'espace entre le coeur et l'échangeur, espace qui peut être très petit. Par ailleurs, lors d'un rechargement des éléments combustibles, il suffit d'arrêter le réacteur le temps 15 nécessaire à la rotation des coeurs d'une position à l'autre. Le rechargement se fait ensuite pendant que les coeurs placés au-dessous des échangeurs sont en fonctionnement. L'arrêt est donc limité à un temps extrêmement court et le réacteur peut être utilisé avec le maximum de rendement. 20 Selon une.autre caractéristique de 1'invention, le. coeur et les échangeurs étant placés à 1 'intérieur, d'une cuve contenant le liquide de refroidissement, des pompes de circulation de ce,liquide sont montées à l'intérieur de la colonne centrale et des vannes jâe çommande. du débit 25 dudit liquide en direction de chaque çoeur aont placées à la jonction de la colonne et de 1'aire support.. • . Le débit du liquide de refroissement, peut _ainsi être réglé d'u^'î manière différente selon .que le coeur se trouve en fonctionnement au-dessous d.'un échangeur de 3 0 chaleur ou en position.de rechargement. Par ailleurs, aucun joint coulissant ni, tournant n'est nécessaire entre les pompes et les coeurs, ni entre les pompes et les échangeurs, ..ce qui simplif ie de manière importante la réalisation du réacteur. 35 La description ci-dessous d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux : BAD ORIGINAL 70 28939 2134074 dessins annexés, fera d'ailleurs ressortir plus clairement les divers avantages et caractéristiques de l'invention. - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un réacteur nucléaire à échangeurs intégrés, refroidi 5 par un liquide, - la figure 2 est une vue schématique en coupe suivant la ligne I-I de la figure 1. - la figure 3 est une vue de détail du point A de la figure 1. 10 Le réacteur représenté est un réacteur nucléaire refroidi par un liquide remplissant l'enceinte dans laquelle se trouve le coeur et le" circuit primaire de refroidissement, par exemple un réacteur à neutrons rapides comprenant une cuve de métal liquide dans laquelle est 15 placé le coeur, mais il est bien évident que l'invention s'applique également à des réacteurs nucléaires d'autres types. Ce réacteur comporte à l'intérieur d'une enceinte 1 de protection biologique une cuve étanche 2 contenant le 20 liquide réfrigérant et suspendue à une dalle supérieure 4 de fermeture de l'enceinte. Cette cuve 2 est traversée axialement par une colonne 6 centrée dans le fond de la cuve par un pion 8 de centrage et solidaire d'une aire support en forme de couronne 10 sur laquelle sont disposés', 25 à intervalles réguliers, des coeurs 12 de réacteur nucléaire. Ces coeurs sont dans l'exemple de réalisation représenté (fig*2) au nombre de 6 mais il est bien évident que ce nombre n'est donné qu'à titre d'exemple. Ils comportent des canaux verticaux 13 contenant les assemblages de combustibles et parcourus 30 de bas en haut par le liquide réfrigérant provenant de la cuve 2. Chacun de ces coeurs est protégé latéralement par une protection neutronique 14 supportée par 1'aire support sur la majeure partie de sa périphérie. A l'extrémité opposée au pion 8 (Fig.1}, la colonne 6 35 traverse la dalle supérieure 4 et est supportée â l'extérieur de l'enceinte par des patins 16 formant 70 28939 2134074 surface de glissement annulaire et reposant sur une couronne 17 elle-même supportée par des vérins verticaux 18. La colonne est par ailleurs solidaire d'une couronne dentée périphérique 20 qui permet son entraînement en rotation autour de son axe 5 propre. Cette rotation peut être totale et provoquer le déplacement complet de la couronne, mais elle est de préférence limitée à un mouvement de pivotement alternativement dans un sens et dans l'autre c'est-à-dire à 180°. L'étanchéité de la traversée de la colonne 6 est assurée d'une part par des 10 joints à liquide 22 montés coaxialement aux patins 16 et à la couronne 17 et d'autre part par vin soufflet 24 reliant la dalle 4 de support des vérins 18 et ladite couronne 17. Autour de la colonne 6, la dalle supérieure 4 comporte par ailleurs une série d'ouvertures en nombre égal à 15 celui des coeurs 12 fermées chacune par ion bouchon 28,29. L'un de ces bouchons 29 supporte un dispositif de manutention 30 des éléments combustibles de l'un des coeurs 12a, placé juste au-dessous, tandis que les autres bouchons 28 supportent des échangeurs de chaleur 32 suspendus chacun 20 au-dessus de l'un des autres coeurs 12. Au droit de chacun des postes de fonctionnement normal, c'est-à-dire de chaque échangeur, la cuve 2 supporte sur une console aunnulaire 52 \ine protection neutronique 54 de complément de la protection neutronique périphérique 14» 25 Dans chaque échangeur 32 un faisceau de tubes verti caux 34 de passage du fluide primaire de refroidissement est disposé autour de tubes 36 de guidage des barres de contrôle, qui relient le coeur 12 du réacteur, à travers un bouchon amovible 37 de fermeture d'un orifice du bouchon 28 à un 30 dispositif extérieur de commande, non représenté. Des canalisations 38 d'arrivée du fluide secondaire de refroidissement traversent le bouchon 28 et débouchent à la partie supérieure de l'échangeur tandis que des canalisations 40 de sortie de ce même fluide secondaire débouchent à la 35 partie inférieure dudit échangeur, parcourent parallèlement aux tubes 34 la paroi de celui-ci et traversent également le bouchon 28. (Une seule canalisation 38 et 40 a été représentée pour simplifier le dessin). Le fluide secondaire 70 28939 2134074 it % parcourt ainsi l'échangeur 32 de haut en bas -tandis -que-, l'écoulement du fluide primaire se fait de bas en haut, c'est-à-dire du coeur vers la partie supérieure; de la cuve 2. Les échangeurs étant suspendus, par exemple par_ des tirants 5 42, au bouchon 28 sont centrés à leurs parties inférieure et supérieure par des viroles 44 fixées sur la paroi latérale de la cuve 2. L'alignement des tubes de guidage des barres de contrôle dans le coeur et dans l'échangeur ainsi que-des organes de commande du mouvement de ces barres est assuré. • 10 Ces échangeurs sont revêtus extérieurement d'une protection neutronique 35 qui, à leur partie inférieure , est traversée par des canaux 45 de liaison entre les tubes 34 de fluide primaire et les canaux 13 du coeur (fig.3). Ces canaux 45 débouchent dans des évidements élargis en, forme 15 de V, 46 dans lesquels peuvent pénétrer les têtes des - assemblages 48 contenus dans les canaux 13 de combustibles du réacteur. Le liquide de refroldissement .provenant du coeur-, est ainsi.guidé vers les élargissements 46 et les-canaux 45. L'étanchéité entre le coeur ,12 et l'échangeur 32 est obtenue 20 sans.1'intervention d'organes spéciaux ni de systèmes de fixation. • , . . , . .. .Dans certains. cas toutefois il est préférable-et plus sur de.réaliser l'étanchéité par simple emboîtement d'une .virols extérieure, solidaire de l'échangeur, autour du coeur lui-même. 25 Les élargissements 46 ainsi que la saillie de têtes d'assemblage 48 ne sont alors plus nécessaires. L'alignement-des tubes de guidage des b.arres .de contrôle, du coeur et de l ' échangeur est cependant assuré... .. -, La séparation, ou le rapprochement, du coeur „et de 30 l'échangeur peut donc être effectuée par simple -déplacement vertical de l'un de ces organes. Le déplacement vertical-, du coeur par. rapport à.1'échangeur est obtenu au moyen des vérins 18 qui,.commandent la position de. la colonne. ,6 et -par suite de 1 'aire support pivotante 10 par rapport, à la-.. 35 dalle supérieure 4. Lorsque l'abaissement de ces-vérins 18 a dégagé les coeurs 12 des échangeurs 32, un pivotement de la colonne 6 commandé par la couronne 20 permet le -déplacement ..de ces. coeurs -autour de 11 axe de la colonne €, Ils peuvert duc être entraînés de la position 12 au-dessous 40 d'un échangeur 32 qui correspond à leur fonctionnement normal BAD ORIGINAL 70 28939 2134074 jusqu'à la position 12a de rechargement au-dessous du dispositif de manutention 30. Lorsque l'un des coeurs est à cet emplacement, les autres sont en position de fonctionnement et le réacteur peut être utilisé en même temps que le rechargement effectué et éventuellement le coeur 12a maintenu en réserve. Par ailleurs, à l'intérieur de la colonne 6, sont disposées des pompes 56 de commande de la circulation du liquide de refroidissement. Ces pompes sont supportées par une cloison 58 de séparation de la colonne 6 en deux parties. Les orifices d'entrée de ces pompes ouvrent ainsi dans un compartiment supérieur 59 qui comporte une paroi latérale 60 perforée en communication avec la cuve de liquide réfrigérant et par suite avec la sortie des échangeurs de chaleur 32. Les orifices de sortie desdites pompes débouchent eux dans un compartiment inférieur 61 qui est isolé de la cuve de liquide mais est en communication avec l'intérieur de l'aire support c'est-à-dire avec les chambres internes 62 de celles-ci dans lesquelles se trouvent les entrées des canaux de combustible de chaque coeur. Une vanne 63 commande toutefois la communication entre le compartiment 61 et chacune des chambres 62 de l'aire support 10. Ces vannes, qui sont de préférence du type à guillotine, permettent de régler le débit du liquide réfrigérant pénétrant dans chaque coeur et notamment de modifier ce débit selon que le coeur se trouve en dessous d'un échangeur en position de fonctionnement ou est arrêté et placé en position de rechargement. L'étanchéité entre la partie de l'enceinte contenant le réfrigérant à pression élevée sortant des pompes et celle contenant le réfrigérant à faible pression sortant du coeur est assurée par la cloison 58 de la colonne 6. Les températures du réfrigérant dans les deux parties étant voisines, des dilatations thermiques relatives de la cloison et des pompes ne -ont pas à craindre. Aucun joint tournant ou glissant, ni système d'étanchéité particulier n'est utilisé entre la sortie des échangeurs et l'entrée dans les pompes, ni entre la sortie de celles-ci et les entrées dans les différents coeurs. Les seuls points- où une ëtanchéité particulière est nécessaire sont les jonctions entre les coeurs et les échangeurs et cette ëtanchéité est suffisamment assurée par la pénétration des assemblages dans les évidements de la protection neutronique. BAD ORIGINAL 70 28939 7 2134074 Cette étanchêité n'a d'ailleurs pas besoin d'être absolument rigoureuse, la perte de charge de l'échangeur étant faible. On obtient ainsi un réacteur d'une sécurité très grande dans lequel la température de toute l'enceinte étanche est maintenue à des valeurs sensiblement analogues et-le temps d'arrêt nécessaire au rechargement est limité à une durée minimum. Le seul arrêt nécessaire est en effet celui qui est destiné à permettre le refroidissement des coeurs avant la rotation puis cette rotation elle-même. Diverses modifications pourraient bien entendu être apportées au mode de réalisation qui vient d'être décrit, sans sortir du cadre de l'invention» 70 28939 2134074 REVENDICATIONS 1°) Réacteur nucléaire à échangeurs intégrés, qui comporte à l'intérieur d'une enceinte étanche, un certain nombre de coeurs disposés en couronne sur une aire support, un dispositif de manutention du combustible monté au-dessus 5 de l'un de ces coeurs, un échangeur de chaleur suspendu au-dessus de chacun des autres coeurs, une colonne centrale solidaire de l'aire support des coeurs traversant la totalité de l'enceinte et reliée à l'extérieur de celle-ci à un système de commande de son déplacement en rotation autour de son 10 axe propre, entraînant celle des coeurs et les amenant successivement de leur position de fonctionnement normal, au-dessous d'un échangeur, à la position de rechargement, au-dessous du dispositif de manutention. 2°) Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé 15 en ce que la colonne est supportée à l'extrémité de l'enceinte par.des vérins verticaux de commande alternativement de l'écartement des coeurs et des échangeurs avant la rotation de l'aire support ou du rétablissement de l'étanchéité entre lesdits coeurs et échangeurs à la fin de cette rotation. 20 3°) Réacteur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étanchéité entre chaque coeur et chaque échangeur est obtenue par pénétration des têtes des assemblages contenus dans le coeur dans des évidements ménagés dans une protection neutronique solidaire du fond 25 de l'échangeur. 4°) Réacteur suivant l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'échangeur est solidaire d'une virole extérieure d'emboîtement sur le coeur. 5°) Réacteur suivant l'une des revendications 1 I 4/ 30 dans lequel chaque échangeur comporte des tubes verticaux de ciculation du fluide primaire de refroidissement et un circuit de fluide secondaire qui. sont disposés autour de tubes de guidage des barres de contrôle du coeur, et des entrées de fluide secondaire à la partie supérieure dudit échangeur. 35 6°) Réacteur suivant la revendication 5 dans lequel l'échangeur comporte des tubes et des conduits périphériques de sortie du fluide secondaire, parallèles aux tubes de circulation du fluide primaire et ouvrant dans le fond de l'échangeur. 70 28939 2134074 7°) Réacteur suivant l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le coeur et les échangeurs étant placés dans une cuve contenant an liquide de refroidissement, des pompes de circulation de ce liquide sont montées à 5 l'intérieur de la colonne centrale et des vannes de commande du débit dudit liquide en direction de chaque coeur sont placées à la jonction de la colonne et de l'aire support. 8°) Réacteur suivant la revendication 7, dans 10 lequel une cloison de support des pompes sépare la colonne centrale en deux parties, un compartiment en communication avec les sorties des pompes et les coeurs, par l'intermédiaire des vannes, et l'autre en communication avec la sortie des échangeurs et les entrées des pompes. 15 9°) Réacteur suivant la revendication 8, dans lequel la paroi de la colonne est perforée à sa partie supérieure au-dessus de la cloison. 10°) Réacteur suivant l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la paroi de la cuve supporte un élément dé 20 protection biologique au droit de chaque échangeur. 11°) Réacteur suivant l'une des revendications là 10, dans lequel les échangeurs, les barres de contrôle et le dispositif de manutention sont supportés par des bouchons amovibles;"