Brevet FR2177700A1 — publié le 19731109

L'invention due à Anatoly Matveevich BUKRINSKY, Lazar Isaakovich TURETSKY, Viktor Nikolaevich MIRONOV, Julian Vulfovich RZHEZNIKOV, Boris Mikhailovich STOLYAROV, Dmitry Alexeevich KHLESTKIN, Anatoly Grigorievich GRYZLOV, Viktor Faizievich GAZIZOV, Genrikh Vladimirovich MATSKEVICH, concerne le domaine de l'énergétique atomique, et en particulier les moyens de limitation des suites d'une avarie lors des fuites de l'agent caloporteur du circuit primaire dans les centrales électriques atomiques y compris la rupture de la tuyauterie principale de ce circuit. Dans la pratique mondiale, on connais des moyens permettant de limiter les avaries de ce type en les localisant aux limites d'une enveloppe de protection étanche à l'intérieur de laquelle l'excédent de pression, par rapport à la pression at mosphérique, est réduit par l'intermédiaire de l'agent frigorigène par la condensation des vapeurs se formant au cours de l'ébullition de l'agent caloporteur s'échappant de l'enveloppe, et dans certains cas également par éjection, au moment initial de l'avarie, d'un mélange air-vapeur faiblement actif dans le milieu ambiant. Cependant, dans les limites de l'enveloppe, il continue alors à régner un excédent de pression, dont la conservation réduit la fiabilité de la protection du milieu ambiant contre la pollution radioactive, étant donné que l'enveloppe de protection ne peut être absolument étanche.Pour que le niveau de la radioactivité dans la région environnante de la centrale électrique atomique ne soit pas supérieure à la valeur admise, le degré d'étanchéité du local du circuit primaire doit être très élevé ; à cet effets il est nécessaire d'engager des investissements considérables. L'équipement situé sous l'enveloppe doit en outre satisfaire à des conditions sévères ; en outre, il doit conserver son aptitude au fonctionnement en présence d'un milieu humide et d'une pression élevée. Un tel système rend impossible l'entretien de l'équipement sans l'arrêt du réacteur. On connaît également des moyens prévoyant le maintien constant, dans le local du circuit primaire, d'une pression inférieure à la pression atmosphérique en aspirant l'air pollué du local par l'intermédiaire de filtres avec éjection subséquente de ce dernier vers l'atmosphère par le tube de ventilation. Un tel procédé nécessite des dépenses de puissance impor tantes par les ventilateurs d'aspiration et des filtres à débit élevé en prévision des avaries, ce qui rend ce procédé pratiquement désavantageux. L'un des buts de l'invention réside dans la mise au point d'un procédé améliorant la fiabilité de protection du milieu ambiant contre la pollution radioactive, tout en réduisant les dépenses nécessitées par l'étanchéisation du local et facilitant. l'exploitation de l'équipement. Un autre but de la présente invention consiste à mettre au point un système de limitation des suites des avaries lors de la mise en oeuvre de ce procédé. Le premier des buts mentionnés est atteint, conformément à l'invention, par le fait que, dans le procédé de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques lors de la fuite de l'agent caloporteur du circuit primaire, l'éjection du mélange air-vapeur à faible radiation s'opère avec orientation, par l'intermédiaire de l'espace libre entre le point de fuite de l'agent caloporteur et le point d'éjection, après quoi on procède à la réduction de la pression dans le local où se produit l'avarie jusqu'à un niveau inférieur à la pression atmosphérique au moment précédant le début de la perte d'étanchéité dans les enveloppes des éléments dégageant les calories, en délivrant l'agent frigorigène avec un débit tenant compte de la quantité d'air se trouvant dans l'espace libre qui sera inévitablement rejeté vers l'atmosphère. Pour atteindre le deuxième but, dans le système de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques lors de fuites de l'agent caloporteur du circuit primaire, doté d'un dispositif à soupapes pour l'échappement du mélange air-vapeur faiblement radioactif et d'un dispositif de condensation, le local à protection étanche est doté d'un espace libre entre le point d'éjection du mélange et l'élément du circuit primaire le plus proche de ce dernier, tandis que le dispositif de condensation est logé dans l'espace libre mentionné, les caractéristiques de débit et géométrique du dispositif de condensation étant alors choisies pour assurer la condensation d'une quantité de vapeur suffisante pour réduire la pression à une valeur inférieure à la pression atmosphérique au moment précédant le début de la perte d'étanchéité des enveloppes des élêraents produisant les calories, en tenant compte de la quan tité d'air, comprise dans l'espace libre, qui sera inévitablement éjectée vers l'atmosphère. I1 est en outre avantageux qu'une partie au moins du dispositif de condensation soit branchée à la ligne de recyclage de la ventilation fonctionnant en permanence pour 1 'épuration et le refroidissement de l'air dans le local du circuit primaire, au cours de 1'exploitation normale ainsi que pendant la période qui suit l'avarie. Ci-dessous est donnée une description plus détaillée du procédé de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques, ainsi que d'un système pour sa mise en oeuvre dans le cas d'une rupture de la tuyauterie principale du circuit primaire. La description est illustrée par un dessin sur lequel est représenté, conformément à l'invention, le schéma de la disposition, dans le local étanche, des éléments essentiels du circuit primaire et du système de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques lors des fuites de l'agent caloporteur de ce circuit. Dans le local 1, limité par la protection étanche 2, sont situés la pile 3, le générateur de vapeur 4, la pompe de circulation 5, les tuyauteries principales 6 et les autres élé- ments du circuit primaire non représentés sur le dessin ; dans ce mee local sont disposés les éléments du système de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques lors des fuites de l'agent caloporteur du circuit primaire s le dispositif à soupape 7 assurant l'éjection du mélange air-vapeur faiblement radioactif pendant la première période de l'avarie, et un dispositif de condensation comportant le condenseur proprement dit 8, la capacité 9 pour le stockage de la réserve d'agent frigorigène et le dispositif 10 qui sert à répartir l'agent frigorigène de la capacité 9 délivré au condenseur 8 et est équipé d'une robinetterie de fermeture il à action rapide. Entre le dispositif à soupapes 7 et l'élément le plus proche du circuit primaire (point 12), on a prévu un espace libre A limité par les sections (I-I) et (11-11). Il est évident que, dans l'espace libre A, il ne doit pas être disposé des éléments du circuit primaire, dont la destruction pourrait provoquer un défaut d'étanchéité, dans les enveloppes des éléments produisant les calories, avec-libération d'une quantité importante de produits radioactifs. D'un autre côté, certains éléments de faible dimension du circuit primaire, dont la rupture ne peut être à l'origine de défauts d'étanchéité des éléments de production des calories (par exemple les éléments avec des tuyauteries d'un diamètre de 100 mm et moins), peuvent le cas échéant être disposés dans l'espace libre, ce qui n'est pas toutefois recommandé. Le système de recyclage de la ventilation 13, généralement installé dans les centrales électriques atomiques et prévu pour le refroidissement et l'épuration de l'air dans les locaux du circuit primaire, comporte, suivant l'exemple considéré, au mDins une partie du condenseur 8, par lequel la-pompe 14 débite d'une façon continue l'agent frigorigène. L'air, refroidi et épuré grâce à son contact avec l'agent frigorigène, est prélevé à la partie de l'espace libre A comprise entre le condenseur 8 et le dispositif à soupapes 7, puis à l'aide du ventilateur 15, il est refoulé, par l'intermédiaire du caisson de distribution 16, aux locaux du circuit primaire où se trouvent les éléments chauds de ce circuit ; le ventilateur 15 peut être disposé aussi bien dans les limites du local 1 qu'au dehors de ce dernier.La pompe 14 assure le recyclage de l'agent frigorigène à la capacité 9 par l'intermédiaire de l'échangeur de température 17 et du filtre 18. Dans la protection 2 est prévue une ouverture située au-dessus de la pile 3 ; pendant le fonctionnement de la pile, cette ouverture est obturée d'une façon étanche par un capuchon 19. Au cours de la recharge du combustible et pendant les autres opérations avec pile au repos, le capuchon 19 est déposé. Lors de la rupture de la tuyauterie principale 6, quand des deux côtés de cette dernière l'agent caloporteur commence à s'écouler au point de rupture, la pression dans le local 1 commence à croitre par suite de la formation de vapeurs au cours de l'ébullition de l'agent caloporteur ; lorsque la pression monte jusqu'à une valeur déterminée, à laquelle est réglé le dispositif à soupapes 7, ce dernier est actionné et laisse au débet s'échapper l'air de l'espace libre A compris entre les sections I-I et II-II, puis le mélange air-vapeur0 La possibilité d'éjection de l'air et du mélange air-vapeur pendant la période initiale de l'avarie, avant la perte d'étan chéité des enveloppes des éléments produisant les calories, découle du fait que l'air du local 1, ainsi que l'agent caloporteur du circuit primaire, au cours de l'exploitation normale, contiennent une quantité relativement faible de produits radioactifs. Ainsi par exemple, l'agent caloporteur contient en général au plus 200 curies de l'élément radioactif 1-131 le plus dangereux qui, à raison de plus de 70 %, détermine la dose d'irradiation dans les cas d'avarie. L'éjection même de la totalité du I-131 i l'atmosphère ambiante ne provoquerait pas un excédent d'irradiation au-dessus des normes d'avarie ; en effet, vers l'environnement, il peut seulement s'échapper 10 X environ de la quantité totale du I-131 renfermée dans le circuit primaire. Or l'on sait que le défaut d'étanchéité des enveloppes des éléments de production des calories, sous lesquels le I-131 s'accumule en une quantité allant de plusieurs centaines de milliers de curies, ne peut se produire, quelle que soit l'importance de l'avarie avec fuite de l'agent caloporteur, plus tôt que 13 à 15 secondes après la rupture de la tuyauterie; pendant ce temps, la plus grande partie de l'agent caloporteur a le temps de s'écouler du circuit primaire, et la vapeur formée par ce dernier peut alors être éjectée vers l'atmosphère en toute sécurité. La montée de la pression dans le local 1 provoque également la mise en action des soupapes 11, et l'agent frigorigène accumulé en grande quantité dans la capacité 9 débouche dans la partie du condenseur 8 prévue pour le fonctionnement dans les conditions d'avarie ; 10 à 12 secondes environ après le début de l'avarie, l'agent frigorigène parvient dans le condenseur en quantité maximale ; à ce moment, le débit de vapeur au local décroît de plusieurs fois en comparaison du débit initial, par suite de la réduction de la pression dans le circuit primaire ; au fur et à mesure de la réduction du débit de vapeur au local 1 et de 1'accroissement du débit de 1 'agent frigorigène par l'intermédiaire du condenseur 8, la pression dans le local 1 commence à tomber ; à un certain moment, quand la pression devient inférieure à la pression de fonctionnement dudispositif à soupape 7, ce dernier se referme et le local 1 est à nouveau rendu étanche. La consommation maximale d'agent frigorigène est choisie à partir de la condition suivant laquelle à la 13ème seconde après le début de l'avarie, quand les soupapes du dispositif 7 sont à nouveau refermées, il sera possible de condenser non seulement la totalité de la vapeur à nouveau amenée au local, mais également une partie considérable de la vapeur remplissant déjà le local ; grâce au fait qu'à ce moment il sera chassé du local 1 vers l'atmosphère au moins l'air qui était compris dans l'espace libre A entre les sections I-I et II-II, il s'établira dans le locallune pression inférieure à la pression atmosphérique (détente). il convient de noter que, dans les cas de la rupture de la tuyauterie à proximité du dispositif à soupapes 7 et en l'absence d'un espace libre A entre ces derniers, le local serait pratiquement vidé de la vapeur seulement et, par suite de la présence de l'air restant dans le local 1, il serait impossible, même avec une consommation illimitée d'agents frigorigènes, d'engendrer à l'intérieur une détente assez sensible pendant la période consécutive à l'avarie, quand le local contient une quantité particulièrement importante de produits radioactifs, Plus la valeur de l'espace libre A est importante, plus intense sera la détente qu'on peut obtenir pendant la période consécutive à l'avarie grâce à la condensation de la vapeur ; cette détente sera ensuite réduite grâce à l'aspiration de l'air atmosphérique par l'intermédiaire des défauts d'étan-' chéité de la protection 2. La détente dans le local 1 devra être maintenue pendant le temps indispensable à l'introduction, à partir du local considéré, de la quantité principale des produits radioactifs les plus dangereux, et en premier lieu du 1-131. Les calculs ont démontré qu'à cet effet, dans la plupart des cas, quelques heures suffisent. Plus la détente initiale est importante, plus considérables seront les défauts d'étanchéité dans la protection 2 du local 1 qui peuvent être admis pendant le temps prescrit, au cours duquel doit être maintenu l'effet de détente dans le local. L'analyse fait apparaître qu'en présence d'un volume de l'espace libre constituant 20 à 30 X du volume du local 1, la détente initiale constitue moins de 0,2 à 0,3 kgf/cm et, dans la protection 2, il peut être alors admis certains défauts d'étanchéité d'un ordre de grandeur deux à trois fois supérieur à celui qu'on admet à l'ordinaire pour les enveloppes à fermeture étanche. L'exposé donné ci-dessus met en évidence les avantages suivants du procéde proposé et du système de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques lors des fuites de l'agent caloporteur dans le circuit primaire. Pendant la durée de la période consécutive à l'avarie, quand le local du circuit primaire contient une quantité particulièrement élevée de produits radioactifs les plus dangereux, en premier lieu de I-131, il est maintenu à l'intérieur une pression inférieure à la pression atmosphérique, ce gr ce à quoi on supprime entièrement l'échappement des produits radioactifs à l'atmosphère ambiante pendant cette partie de la période consécutive à l'avarie. La réduction de la pression dans le local du circuit primaire, par rapport à la pression atmosphérique, est obtenue par des moyens pleinement accessibles et d'une fiabilité suffisante ; des exigences particulières sont imposées à la fiabilité de fermeture des dispositifs à soupapes 7 après leur mise en action ; on obtient cela en choisissant des soupapes simples et fiables du type à masselottes qui, le cas échéant, peuvent être doublées par disposition en série. Les exigences imposées à l'étanchéité de la protection 2 sont déterminées non pas par la valeur admise des fuites de produits radioactifs au cours des avaries, mais par le temps imposé au maintien de la pression dans le local 1 au-dessous de la pression atmosphérique. Cela permet d'admettre des défauts d'étanchéité, dans la protection 2, ayant un ordre de grandeur de deux à trois fois supérieur à celui de l'enveloppe de protection ordinaire ; il en résulte que les dépenses imposées par 1' étanchéisation du local du circuit primaire sont notablement réduites. Une partie de l'équipement de l'installation à pile, par exemple la machine pour la recharge du combustible, la grue principale de la pile etc., se trouve à l'extérieur des locaux devant être étanchéisés ; cela est rendu possible grâce au fait que l'étanchéité de l'assemblage à brides entre le capuchon 19 et la protection 2 ne doit pas être particulièrement stricte il en résulte qu'on peut également prévoir, dans le recouvrement supérieur, des trappes supplémentaires pour l'évacuation des équipements défectueux devant être réparés au dehors des locaux étanches. Les particularités mentionnées ont pour effet de réduire le volume du local étanche du circuit primaire de deux à quatre fois en comparaison du volume de la protection étanche de l'enveloppe ; ce facteur, combiné à la faible pression de calcul pour les locaux étanches, donné une réduction sensible du coût de leur installation. Les éléments du système proposé pour limiter les suites des avaries dans les centrales atomiques, lors des fuites de l'agent caloporteur du circuit primaire, sont utilisés pendant le service normal pour le refroidissement et l'épuration de l'air dans le système de recyclage de la ventilation du local étanche du premier circuit ; cela permet de simplifier ledit système de ventilation en supprimant les appareils échangeurs de chaleur et les filtres, et d'améliorer le degré de préparation du condenseur au service pendant les avaries. - REVENDICATIONS 1. Procédé de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques, plus particulièrement en présence de fuites de l'agent caloporteur du circuit primaire, y compris la rupture de la tuyauterie principale de circuit, prévoyant la réduction de la pression dans le local où se produit l'avarie en débitant un agent frigorigène pour la condensation des vapeurs qui se forment au cours de l'ébullition de l'agent caloporteur, et l'éjection d'un mélange air-vapeur faiblement radioactif vers l'atmosphère ambiante, caractérisé par le fait que l'éjection du mélange air-vapeur à faible radiation s'opère d'une façon orientée par l'intermédiaire de l'espace libre compris entre le point de fuite de l'agent caloporteur et le point d'éjection, après quoi on procède à la réduction de la pression dans le local où s'est produit l'avarie jusqu'à un niveau inférieur à la pression atmosphérique, au moment précédant le début de la perte d'étanchéité des enveloppes des éléments produisant les calories, en débitant l'agent frigorigène avec un débit déterminé en tenant compte de la quantité d'air comprise dans l'espace libre qui sera inévitablement éjectée vers l'atmos phère. 2. Système de limitation des suites des avaries dans les centrales électriques atomiques, plus particulièrement lors des fuites de l'agent caloporteur du circuit primaire, conforme au procédé suivant la revendication 1, comportant une protection étanche des éléments du circuit primaire, un dispositif destiné à la condensation de la vapeur se formant au cours de l'ébulli- tion de 1' agent caloporteur et équipé d'une capacité pour le stockage de la réserve d'agent frigorigène avec dispositif pour sa distribution et dispositif à soupapes pour l'éjection d'un mélange air-vapeur faiblement radioactif, caractérisé par le fait que, dans le local comportant une protection étanche, entre le point d'éjection du mélange et l'élément le plus proche de ce dernier dans le circuit primaire, il est prévu un espace libre, tandis que le dispositif de condensation est disposé dans l'espace libre mentionné, les caractéristiques de débit et géométrique du dispositif de condensation étant choisies d'après les conditions assurant la condensation d'une quantité de vapeur suffisante pour réduire la pre + n au-dessous de la pression atmosphérique, au moment précédant le début de la perte d'étan chiite. des enveloppes des éléments produisant les calories, en tenant compte de la quantité dtair comprise dans espace libre qui sera inévitablement expulsée vers l'atmosphère. 3. Système suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'au moins une partie du dispositif de condensation est branchée sur le système de ventilation à action permanente pour l'épuration et le refroidissement de l'air dans les locaux du circuit primaire pendant le service normal et la période consécutive à l'avarie.