Brevet FR2186708A1 — publié le 19740111

L'augmentation des dimensions et des puissances des réacteurs nucléaires ainsi que la nécessité de les rapprocher -voire de les inclure dans des zones urbaines- donnent une importance nouvelle aux considérations fondamentales de sûreté et de protection de l'environnement. Aussi improbables quten soient les causes, les réacteurs dont les cuves sont soumises à de très fortes pressions intérieures encourent le risque d'une rupture explosive. Dans les installations existantes, les conséquences d'une telle rupture seraient catastrophiques : les éclats résultants seraient animés d'une telle force qu'ils pourraient causer de graves dommages alentour et détruire l'enceinte de confinement. De plus, le système de refroidissement de secours du coeur du réacteur n'est pas conçu pour faire face à une situation aussi désastreuse où les éléments combustibles seraient éventuellement dénoyés avec libération consécutive d'une grande quantité de produits de fission, Enfin, les éléments combustibles et les barres de contre subiraient, le cas échéant, des déplacements importants et brutaux par chute, basculement, envol, de nature à mettre en cause la non-criticité du coeur après l'accident. On a déjà envisagé de se prémunir contre les conséquences d'une rupture en entourant la cuve d'une seconde cuve résistante. En fait, cette idée paratt inapplicable pour de nombreuses raisons. Tout d'abord, la cuve de départ doit rester relativement acdessible en fonctionnement ; il est nécessaire qu'elle puisse être ouverte de manière simple et rapide à intervalles détermines. Ensuite, la nouvelle cuve de sécurité ne peut raisonnablement se concevoir, en pratique, que si elle est proche de la première pour pouvoir limiter les effets de l'accélération des éclats, et également pour mieux résister à la pression. Encore faut-il être en mesure de résoudre les problèmes technologiques des pénétrations successives au travers des parois cylindriques et des fonds des deux cuves embottées. Enfin, une solution ne sera valable que si elle n'aliène pas l'économie du système en investissements, en délais de constructions, en arrêts prolongés d'exploitation imputables aux exigences de maintenance et de surveillance en service. On a également envisagé certains dispositifs qui, tout en maintenant un accès assez facile à la cuve, évitent, en cas d'éclatement de celle-ci ou de ses composants annexes, les dommages par éclats à l'entourage par l'ancrage d'une structure rigide dans le béton qui entoure le réacteur. Cette structure forme un couvercle suffisamment résistant pour arrêter l'envol de missiles résultant d'une rupture de cuve ; car en effet, les dispositifs anti-missiles actuellement prévus par certainesiégislations ne sont pas calculés pour résister à une rupture de cuve. Cette solution est cependant incomplète pour deux raisons majeures.Tout d'abord, afin de pouvoir éviter la destruction du fût bétonné qui entoure le réacteur (écran biologique) il devient nécessaire de placer celui-ci au plus près de la cuve afin de limiter les effets de l'accélération des missiles ou fragments de cuve. Ceci condamnera toutes possibilités d'examen sur ltextérieur de la cuve et sur l'isolement thermique situé dans l'intervalle séparant la cuve du béton. Ensuite, une rupture circonférentielle de la virole provoquera la propulsion vers le bas de toute la partie de cuve comprise en dessous de la ligne de rupture et une partie des éléments intérieurs accompagnera la cuve dans sa chute. I1 s'ensuivra également la rupture par cisaillement des diverses tubulures pénétrant latéralement dans la cuve. La présente invention a principalement pour objets - de prévenir les mouvements importants du coeur du réacteur (éléments combustibles et barres de contrôle) consécutifs à une rupture de cuve - de maintenir l'intégrité du système actuel de refroidissement de secours du coeur du réacteur en éliminant les risques de rupture par cisaillement des tubulures correspondantes sur la cuve - de limiter à quelques centimètres au plus les mouvements d'ensemble possibles de la cuve (basculement, chute, envol ...) ou des fragments de la cuve ; - d'assurer une protection suffisante contre les chocs des missiles en dépit des forces et des accélérations énormes mises en jeu ; - de prévenir les conséquences rocheuses d'un accident, même localisé, affectant une boucle du circuit primaire de l'installation.En effet, en cas de rupture d'une tubulure primaire, certains phénomènes transitoires peuvent causer, dans la cuve, une tendance au basculement, accompagnée d'un effort de soulèvement extrêmement élevé - de ménager, ce faisant, en fonctionnement comme à l'arrêt, un espace suffisant pour la surveillance de la cuve et des tubulures du circuit primaire ainsi que des multiples pénétrations destinées aux instrumentations diverses qui sont placées sur le fond du réacteur ; - de ne pas ralentir sensiblement les opérations indispensables d'ouverture et de fermeture du réacteur à intervalles réguliers. L'invention envisage donc de réaliser un dispositif de sécurité qui, tout en maintenant des facilités variées sur toute la surface extérieure de la cuve, limite en pratique à quelques centimètres tout déplacement de la cuve ou de fragments de celle-ci. Selon un mode de réalisation, ce dispositif de sécurité comporte deux structures métalliques extreAmement rigides situées l'une au-dessus, l'autre en-dessous de la cuve de réacteur. Ces deux structures rigides sont reliées entre elles par des tendons de très haute résistance d'une force unitaire pouvant dépasser 20.000 tonnes pour prendre un exemple. Ces tendons sont verticaux, Ils sont agencés pour pouvoir s'ouvrir rapidement en désolidarisant ainsi la structure supérieure de la structure inférieure en vue de permettre le déplacement de la première pour ltouverture du réacteur. Ces tendons ne sont pas soumis à un effort important pendant la marche du réacteur ; par contre, ils supporteront totalement les efforts axiaux qui résulteraient d'une rupture complète de la cuve. Avantageusement, le dispositif de sécurité est remarquable également par la présence d'organes résistants, mobiles, venant prendre appui sur les fonds et couvercles de la cuve et qui sont solidaires des structures rigides. Selon un autre aspect de ltin- vention, des pièces de blocage viennent s'insérer entre l'écran biologique en béton et les parois latérales de la cuve afin d'éviter le basculement de celle-ci et d'empocher l'accélération d'éventuels fragments qui viendraient détruire le béton. Ces pièces de blocage sont mobiles afin de libérer au moment opportun un espace convenable entre la cuve et le béton pour l'utilisation d'appareil- lage de contre et de surveillance sur la paroi extérieure de la cuve et sur les tubulures. D'autres agencements annexes sont avantageusement prévus pour faciliter la mise en oeuvre de ces dispositions, en particulier le renforcement du fût de protection en béton par des cerces de précontrainte, un portique de déplacement de la structure métallique résistante supérieure, un montage télescopique pour les pièces de blocage, l'utilisation de feuillards d'acier à haute résistance pour les tendons. Les objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront, par ailleurs de la description que l'on va en donner ci-après, portant sur des modes de réalisation choisis à titre d'exemple et représentés sur les dessins annexés. Sur ces dessins la figure 1 représente encoure verticale une vue d'ensemble d'une installation nucléaire de génération d'énergie, munie d'un dispositif de sécurité suivant l'invention ; la figure 2 en représente une autre coupe verticale, suivant la ligne II-II deo figure 1 ; la figure 3 représente,à plus grande échelle, une partie de cette installation, dans une vue correspondant au meAme plan de coupe verticale que celui de la figure 1 la figure-4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3 ; les figures 5 et 6 sont des schémas de montage de tirants ou tendions, faisant partie du dispositif de sécurité la figure 7 représente en coupe verticale une autre installation nucléaire aménagée suivant l'invention. Les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes numéros d'indice sur toutes les figures. Selon l'exemple choisi et représenté sur les figures 1 à 6, une enceinte de confinement 1, munie d'un pont roulant 2 à la naissance de sa toiture en d8me 3, abrite une installation nucléaire de génération d'énergie, comportant un réacteur 4 refroidi par eau pressurisée. La cuve 5, à l'intérieur de laquelle est logé le réacteur, présente, selon une disposition connue, une virole cylindrique 6 à axe verticaux, obturée par un fond bombé 7, en d8me renversé, et fermée à la partie supérieure par un couvercle amovible 8, bombé vers le haut. Dans l'exemple représenté, et selonfaes dispositions non limistatives, la cuve 5 abrite également des échangeurs de chaleur, non représentés. La commande des barres de contr8le s'y fait latéralement, par des organes schématiquement représentés et désignés par l'indice 9, et les tubulures 10 de connexion aux pompes 11, associées à la boucle de circuit primaire, sont, elles aussi, disposées latéralement. La cuve 5 est entourée d'un épais mur cylindrique 12, en béton, formant écran biologique, reposant sur le radier 13 et ren forcé par des cerces précontraintes 14, de type connu. La chambre cylindrique délimitée par le mur 12 est ouverte vers le haut, et la margelle de ce mur sert de support à deux murs 15 verticaux et parallèles. Les murs 15 qui débordent de part et d'autre sur les limites extérieures du mur 12, portent sur leurs faces supérieures, situées au meAme niveau, deux rails respectifs 16 qui forment voie de roulement pour un portique ou pont roulant 17 dont la course de déplacement lui permet de desservir la cuve 5, ainsi qu'une région 18 formant aire de déchargement et située à la suite et à c8té de l'en- ceinte en béton-12. Des structures rigides 19 et 20, en forme de grilles, sont situées l'une au-dessus et l'autre en-dessous de la cuve 5 de réacteur. La grille supérieure 19 repose directement sur le couvercle amovible 8. Quant à la grille inférieure 20 elle repose sur le radier 13 et se trouve en contact avec le fond 7, ou à une faible distance de celui-ci, de l'ordre d'un ou plusieurs centimètres, tandis que la cuve 5 repose en suspension sur des supports de type connu, non représentés, formés en encorbellement sur la surface intérieure du mur 12. La grille inférieure 20 présente en plan un profil d'aspect rectangulaire (figure 3) avec deux côtés parallèles rectilignes 21, et deux côtés crénelés 22. Chaque cEté 22 porte en saillie trois têtes d'accrochage 23, en forme de tambours ou pitons à axe horizontal. La grille supérieure 19, semblablement aménagée, est garnie de six textes d'accrochage 24, respectivement situées à l'aplomb des têtes 23. Comme indiqué sur les figures 5 et 6, deux têtes d'accrochage 23, 24 situées à l'aplomb l'une del'autre, sont mutuellement reliées par un tirant 25, ou tendon, consistant en plusieurs feuillards en tale, formant couches superposées, au nombre de quatre dans la représentation symbolique de ces figures. Les feuillards, repliés en demi-tour sur la face inférieure semi-circulaire de la tête inférieure 23, remontent vers le haut sous forme de deux brins parallèles qui se rabattent ensuite sur la face semi-circulaire supérieure de la tête d'accrochage supérieure 24.Ainsi qu'il ressort de la figure 6, le rabattement des parties terminales des deux brins du tirant s'effectue de telle sorte que, dans la partie de tirant à huit couches, qui entoure la face supérieure arrondie de la texte 24, les quatre couches provenant de l'un des deux brins alternent avec celles de l'autre brin. Ceci a pour effet d'augmenter considérablement la surface de frottement entre les deux brins et de réaliser entre eux une épissure capable de résister à la limite de la force en traction des brins, au -prix d'un faible effort de serrage, exercé sur les huit couches superposées, par des boulons 26 ancrés dans la tête 24,.ou de toute autre manière convenable.La liaison ainsi réalisée est facile à ddfaire, car elle ne nécessite que le desserrage des brins superposés. Ainsi reliés par six tirants, les deux grilles 19 et 20 sont capables de résister aux efforts tendant à les séparer l'une de l'autre, Jusqu'à concurrence de la résistance des tendons, qui peut facilement, en pratique > s'élever, pour chacun d'eux, à une ou plusieurs dizaines de milliars de tonnes. Pour procéder aux opérations d'entretien, de visite, ou de démontage nécessitant l'enlèvement de la grille supérieure 19 et, éventuellement, l'ouverture de la cuve, il suffit de retirer les organes de serrage 26 pour défaire la liaison entre brins de tirants. On soulève ensuite la grille 19 au moyen du pont roulant 17, on la dépose en 18 et l'accès à la cuve devient alors aussi facile que dans les installations existantes. La remise en état de sécurité ne nécessite que la repose de la grille, le rabattement des brins de tirants sur les tartes d'accrochage supérieures, et le serrage par boulons 26. En pratique, les feuillards pourront avantageusement être en acier à haute limite élastique, du genre couramment employé en précontrainte, ee qui n'implique d'ailleurs pas nécessairement la mise en précontrainte des tirants. Selon les applications, ceux-ci pourront avoir une légère tension pour "enlever le mou", ou une précontrainte partielle ou totale. Leur r81e en cas de rupture accidentelle sera souligné ci-après, une fois complétée la description des aménagements de sécurité représentés sur les dessins. Ces aménagements comprennent, comme autres éléments, des corps de blocage, ou de remplissage, situés dans l'espace annulaire entre le mur en béton 12 et la virole 6 de la cuve de réacteur 5. Ces corps 27 (figures 3 et 4) sont montés à coulissement vertical sur des tiges 28 qui reposent sur le radier 13. Chaque corps 27 présente en plan la forme d'un segment d'anneau circulaire. délimitée par une face circulaire intérieure 29, proche de la face extérieure de la virole 6, une face circulaire extérieure 30, proche d'une couche d'isolant thermique 31 dont est revebtue la face intérieure du mur en béton 12, et deux faces planes radiales 32, proches des faces radiales 32 des corps voisins 27.L'espace annulaire entre les éléments 6 et 12 est donc complètement rempli, à certains intervalles près, de l'ordre d'un ou de quelques centimetres. Les alésages verticaux pratiqués dans les corps 27 pour leur permettre de recevoir les tiges 28. sont des alésages borgnes qui constituent autant de chambres de vérins hydrauliques et qui sont alimentés en fluide sous pression, provenant d'une source non représentée, pour permettre d'abaisser les corps 27, à partir de la position qutils occupent sur la figure 3, aux fins d'inspection et d'entretien des faces de paroi ainsi redevenues accessibles, et de les remettre ensuite en position de blocage entre ces faces, inspectées ou remises en état. Dans le cadre de l'invention, onaura intérêt à choisir l'iso- lant thermique 31, aussi bien pour sa résistance à l'écrasement, qui sera de préférence élevée, qu'en fonction de ses caractéristiques d'isolation accompagnées d'une faible déformation globale à l'écrasement. I1 pourra consister, par exemple, en un matériau réfractaire dense, ou bien eAtre composé de corps creux en feuilles métalliques réflectrices, dans lesquels on aura fait le vide pour en augmenter le pouvoir isolant. L'ensemble de la cuve de réacteur 5 est donc entouré d'éléments résistants 19, 20, 27, les éléments 19 et 27 étant facile ment démontables et pouvant être aussi rapprochés de sa face extérieure qu'on le juge nécessaire. I1 s'ensuit qu'en cas de rupture de la cuve ces éléments sont bien adaptés à arrêter sur place les fragments qui en résultent, avant que ceux-ci n'aient atteint la pleine vitesse que les forces mises en jeu pourraient leur communiquer en l'absence d'obstacle. Ceci réduit considérablement l'effet de choc des fragments, les forces d'éclatement auxquelles il convient de résister devenant ainsi principalement des forces statiques. Les forces d'éclatement agissant en direction axiale sont reportées sur les grilles 19, 20 et absorbées par les tirants 25. Quant aux corps de blocage latéraux 27, ils transmettent au mur en béton 12 les forces d'éclatement radiales, par l'intermédiaire de l'isolant 31, et empêchent ainsi les déplacements latéraux de la cuve ou de ses fragments. Le dispositif de sécurité selon l'invention est capables au surplus, d'atténuer les conséquences d'un accident sur une boucle du circuit primaire. En effet, en cas de rupture d'une tubulure primaire, certains phénomènes transitoires peuvent causer un déplacement axial de la cuve de plusieurs centimètres ; la cuve tend à basculer et à se soulever avec des efforts qui sont de l'ordre d'un millier de tonnes. La présence des corps de blocage 27 empêche effectivement le basculement ; quant aux déplacements axiaux, il est possible de les empêcher en ancrant la grille inférieure 20 dans le radier en béton, et en donnant aux tirants une précontrainte de 1000 tonnes environ. Bien entendu, les dispositions décrites et représentées cidessus pourront faire l'objet de diverses variantes et modifications de détail, tant dans leur construction que dans leurs applications, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. En particulier, les éléments de blocage 19, 20, 27 de la cuve de réacteur pourront comporter des organes intermédiaires de transmission des efforts disposés entre eux et les faces correspondantes de la cuve et agencés, le cas échéant, pour pouvoir facile ment être retirés. C'est ainsi que, d'après la variante de la figure 7, une installation nucléaire de génération d'énergie, munie d'échangeurs 33 placés à l'extérieur de la cuve de réacteur 5, comporte, entre le couvercle supérieur 8 de la cuve et la grille supérieure 19, un organe intermédiaire 34 qui assure la transmission des efforts éventuels entre le couvercle et la grille, et qui abrite les barres de contrôle du réacteur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de sécurité pour installation nucléaire, caractérisé par un élément amoviblement disposé en regard et à pro ximité d'une partie de la face extérieure de la cuve abritant le réacteur, ou en contact avec ladite partie, et capable de s'opposer aux déplacements de eelle-ci ou d'en arreAter les fragments, notamment en cas de rupture de la cuve ou d'une tubulure dans la boucle du circuit de fluide primaire. 2. Dispositif suivant la revendication 1, comportant, audessus et en-dessous de la cuve de réacteur, deux structures mu tuellement reliées par tirants et capables d'empebeher ou ou de limi- ter les déplacements axiaux de celle-ci, la structure supérieure formant élément amovible du type précité. 3. Dispositif suivant la revendication 2, dont un tirant est formé d'une bande souple, enroulée sur une tête d'accrochage de la structure inférieure et formant, à partir de celle-ci, deux brins remontants dont les extrémités sont rabattues sur une tête d'accrochage de la structure supérieure, superposées l'une à l'autre, et serrées contre celle-ci. 4. Dispositif suivant la revendication 3, dont la bande est composée de plusieurs couches rabattues une à la fois sur la tête d'accrochage supérieure, les extrémités des couches, dont est composé l'un des deux brins, alternant avec celles de l'autre brin. 5. Dispositif suivant une quelconque des revendications 1 à 4, comportant un organe intermédiaire de transmission d'effortsplacé entre un dit élément et la face de cuve correspondante. 6. Dispositif suivant la revendication 5, dont l'organe intermédiaire est amovible. 7. Dispositif suivant la revendication 5 ou 6 dont l'organe intermédiaire, placé entre le couvercle de la cuve et un dit élément amovible, renferme des barres de contrale du réacteur. 8. Dispositif suivant unequelconque des revendications 2 à 7, dont la structure inférieure est ancrée au sol. 9. Dispositif suivant une quelconque des revendications 2 à 8 dans laquelle les tirants sont précontraints. 10. Dispositif suivant une quelconque des revendications 1 à 9 comportant, au-dessus de la cuve, un portique ou pont roulant permettant de soulever et de déplacer un dit élément amovible. 11. Dispositif suivant une quelconque des revendications I à 10 comportant des corps amovibles disposés entre la surface latérale de la cuve et la surface intérieure d'un mur en béton dont elle est entourée. 12. Dispositif suivant la revendication Il, dont un corps amovible, monté à coulissement vertical sur une tige ancrée au sol et formant avec celle-ci un vérin, est adapté à se déplacer verticalement par commande à fluide sous pression. 13. Dispositif suivant la revendication 11 ou 12 dans lequel la surface intérieure du mur en béton est revêtue d'un isolant thermique résistant à l1écrasement, par exemple matériauréfrac- taire dense ou isolement thermique ayant une faible déformation par écrasement notamment corps creux sous vide, formé de feuilles métalliques réflectrices. 14. Dispositif suivant une quelconque des revendications 11 à 13 > dont le mur en béton est renforcé par cerces précontraintes.