Brevet FR2147778A1 — publié le 19730311

L'invention concerne les réacteurs nucléaires modérés à l'eau lourde et refroidis à l'eau bouillante (eau ordinaire déminéralisée en général) Dans les réacteurs connus de ce type, on cherche à maintenir le modérateur à température faible (par exemple 600 à 80au) pour obtenir la meilleure efficacité de modération neutronique. Le combustible refroidi par circulation d'eau ordinaire bouillante est alors contenu dans des tubes calorifugés traversant une cuve calandre qui contient l'eau lourde froide, placée à l'extérieur des tubes. Ces tubes calorifugés sont habituellement constitués d'un "tube de force" interne, chaud et résistant à la pression, et d'un tube de calandre externe, froid et de faible résistance, l'espace annulaire étant occupé par un film de gaz à basse pression. Cette disposition présente, outre une certaine complexité, divers inconvénients tels que risque de rupture explosives en chaîne si les tubes de force sont très fragilisés par l'irradiation, proportion élevée de chaleur dissipée dans le modérateur (de l'ordre de 7% du total), absorption neutronique des tubes de force qui doivent être relativement épais pour résister a la pression, investissement important d'eau lourde étant donné l'existence d'échangeurs de chaleur destinés à la refroidir. On connatt également des réacteurs nucléaires modérés à ileau lourde et refroidis par circulation d'un gaz sous pression (gaz carbonique par exemple) dont la pression est supportée par un caisson qui enferme le coeur du réacteur et les échangeurs de chaleur. L'eau lourde est contenue dans une cuve calandre traversée par des tubes qui contiennent le combustible et sont parcourus par le réfrigérant. Ces tubes sont calorifugés pour limiter les transferts de chaleur du réfrigérant du modérateur, mais n'ont pas à résister à une différence de pression élevée. Un circuit auxiliaire est prévu pour maintenir à des valeurs sensiblement égales la pression du réfrigérant et celle du modérateur quelles que soient les variations de température de l'un et de l'autre.Ce circuit constitue une installation complexe, importante et coûteuse. L'invention vise à fournir un réacteur nucléaire modéré à l'eau lourde et refroidi à l'eau bouillante répondant mieux que les réacteurs antérieurs aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il autorise une construction légère de 1 ensemble des composants placés dans un caisson de résistance à la pression. Dans ce but, l'invention propose un réacteur du type ci-dessus défini-qui comprend, en combinaison, un caisson de résistance à la pression interne, (pression du réfrigérant3, une cuve calandre contenue dans le caisson et occupée par de l'veau lourde, et des tubes verticaux de calandre, minces et conducteurs de la chaleur, qui traversent la cuve, contiennent le combustible nucléaire et sont parcourus par une circulation forcée d'eau bouillante. Cette disposition permet, au prix du renoncement aux bénéfices de réactivité du modérateur lié à son maintien à basse température, d'écarter les inconvénients exposés plus haut et de bénéficier de l'utilisation de techniques de construction mises au point pour les réacteurs à eau naturelle bouillante à caisson à béton précontraint (revêtement de calorifugeage des parois, couvercle supérieur de fermeture, vannes de vapeur, pompe ou éjecteur de circulation, etc...).Sous une forme abrégée, on peut dire que ce résultat est atteint en recherchant un équilibre thermique entre le réfrigérant et le modérateur, équilibre thermique qui se traduit par l'équilibre de pression recherchée, du fait que les lois de variation des pressions de vapeur sont très voisines pour l'eau légère et l'eau lourde: une telle solution découle d'une conception entièrement différente de celle des réacteurs eau lourde-gaz carbonique évoqués plus haut. Le montage en caisson de pression ne pose pas de problème lorsqu'on utilise le béton précontraint. Toutefois, il devient difficile de construire et surtout de déplacer un couvercle supérieur amovible de caisson en béton précontraint lorsque le diamètre du coeur atteint ou dépasse 7 mètres. L'invention propose également une disposition particulière, tenant compte de cette limitation, suivant laquelle une dalle calorifugée percée d'un orifice au-dessus de chaque tube est placée à i -.tOrieur du caisson, au-dessus des orifices de sortie de vapeur du caisson. Cette dalle - qui peut être de faible résistance à la pression étant donné qu'elle est soumise en service a des pressions du même ordre sur des deux faces est munie a'dessus de chaque tube d'un bouchon calorifugé et elle costitue le fond d'une piscine à parois non calorifugées, accessible par enlèvement d'un bouchon de fermeture c'2 orifice de diamètre modéré ménagé dans le fond supérieur du caisson. i:vention sera mieux comprise à la lecture de la description lui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins ui l'accompagnent, dans lesquels: - Ld figure 1 montre le réacteur en coupe suivant un plan vertical passant par son axe, les organes étant illustrés dans la disposition qu'ils occupent lors du fonctionnement; - a figure 2, similaire à la figure 1, montre les organes dans la position qu'ils occupent lors du rechargement. Le réacteur nucléaire illustré en figures 1 et 2 comporte un cuisson en béton précontraint 10 constitué d'un fût vertical, d'un fond inférieur, et d'un fond supérieur. Une dalle horizontale 12 sépare le compartiment délimité par le caisson 10 en une cavité "chaude" inférieure 14 et une cavité "froiie" supérieure 16. La tace inférieure de la dalle 12 et la paroi intérieure du caisson 10 dans toute la zone qui délimite la cavité 14 sont revêtues d'un calorifuge 17. La cavité 14 contient le loc coeur 18 du réacteur et la totalité du circuit d'eau lourde de modération, sauf une ou plusieurs boucles constituées de canalisations de petit diamètre. Seule a été illustrée sur la figure 1 une conduite 19 d'amenée d'eau lourde purifiez depuis un circuit de régénération. La cavité inférieure 14 comporte une ou plusieurs sorties 20 do vapeur d'eau ordinaire vers un circuit d'utilisation et untel ou plusieurs conduites 22 de retour d'eau con densée depuis des pompes alimentaires. Pour plus de clarté, le circuit parcouru par l'eau ordinaire est indiqué sur la figure 1 par des flèches en trait plein. Le bloc coeur 18 repose sur le fond inférieur du caisson JO par une virole 24 qui communique avec un sommier 26 de forme évasée, destiné à répartir entre les assemblages combustibles du coeur l'eau ordinaire relativement froide revenant du circuit d'utilisation. Le bloc coeur 18 comprend une cuve calandre 28 reposant sur le sommier, traversée par des tubes de calandre verticaux 30 dont deux seulement sont représentés pour plus de clarté. Ces tubes contiennent les assemblages de combustible nucléaire.D'autres tubes 32, traversant également la calandre 28, reçoivent des barres de commande 34 contenant un absorbant neutronique, commandées par des tiges 36 qui traversent le fond inférieur du caisson et aboutissent à des actionneurs (non représentés) qui peuvent être de l'un des types couramment utilisés dans les réacteurs à eau bouillante. Les tubes de calandre 30 et 32 sont métalliques, à paroi mince et bons conducteurs de la chaleur de façon que la température de la masse d'eau bouillante 38 qui occupe la calandre 28 entre ces tubes soit du même ordre que la température moyenne du réfrigérant dans les tubes. Chaque tube 30 est surmonté d'un séparateur tubulaire eau vapeur 40 dont un seul est représenté, pouvant être d'un type classique à vortex. Le séparateur tubulaire 40 représenté est porté et guidé par la partie supérieure du tube calandre 30 correspondant et il s'engage dans un orifice 42de la dalle 12 fermée par un bouchon 44 L'assemblage de combustible peut alors être suspendu au séparateur. D'autres dispositions sont toutefois possibles: en particulier le séparateur 40 peut être suspendu au bouchon 44 de fermeture étanche de l'orifice correspondant ménagé dans la dalle 12. L'une ou l'autre des solutions permet de réserver le débattement angulaire nécessaire pour compenser les dilatations radiales différentielles de la dalle 12 et de la calandre 28. La partie externe du sommier 26 dans le sens radial déborde de la cuve calandre 28. Des pompes 46, dont une seule est représentée sur la figure 1, reposent sur cette partie radialement externe du sommier, de forme annulaire, et envoient dans le sommier de l'eau prélevée dans la masse 48 alimentée par les séparateurs 40 et la conduite 22 de retour depuis le circuit d'utilisation Chacune de ces pompes 46 est reliée par un arbre 50 à un moteur d'entrainement 52 placé dans la cavité supérieure 16. Dans la cavité inférieure 14 (cavité chaude), est encore disposé un récipient annulaire 54 qui plonge dans la masse d'eau à température relativement basse, provenant du circuit d'utilisation et des séparateurs 40. Ce récipient 54, rempli partiellement d'eau lourde, communique avec l'intérieur de la calandre par des tubes déversoirs d'alimentation 56 qui limitent la montée du niveau de la surface libre dans la calandre 28 et par des moyens de relevage ou de renvoi d'eau lourde dans la calandre.Dans le mode de réalisation illustré en figure i, ces moyens de relevage sont constitués par des trompes 58, indiquées de façon très schématique, disposées verticalement, dont l'admission plonge dans la masse d'eau lourde occupant partiellement le récipient 54 qui joue un rôle de condenseur et dont le refoulement s'ouvre dans la calandre 28 La canalisation 19, qui pénètre dans la calandre par la cheminée 60 munie d'un opercule, fournit le fluide moteur. On voit qu!en cas d'arrêt de l'alimentation de la trompe 58 en eau lourde motrice la calandre tend à se vider vers le récipient 54 étouffant la réaction neutronique en channe dans le réacteur. On peut ainsi,par commande de la trompe ou des trompes 58, compléter l'action des barres de contrôle et éventuellement celle d'autres moyens de sécurité, introduisant par exemple un poison neutronique dans le modérateur. Le réacteur comporte évidemment encore les divers équipements de régulation et de sécurité habituels, ainsi qu'une cheminée (non représentée) analogue à la cheminée 60, par laquelle s'évacuent les gaz de radiolyse provenant de l'eau lourde. Par ailleurs, dans la calandre 28 peuvent être disposées des baffles séparant l'eau lourde en plusieurs fractions, des moyens de relevage pouvant permettre de régler à des niveaux différents la surface libre dans les diverses fractions pour agir sur la répartition spatiale de la puissance neutronique fournie. La cavité supérieure 16 est complètement remplie d'eau à température faible et à la pression de l'eau réfri- gérante lors du fonctionnement du réacteur. La dalle 12 et les bouchons 44 doivent évidemment assurer une étanchéité suffisante pour qu'll n'y alt pas arrosage de la vapeur qui se dégage dans la cavité 14. La cavité 16 communique avec ltexterieur par un puits 62 ménagé dans le fond supérieur du caisson, dont le diamètre ne représente qu'une fraction de celui de la chambre 16. En fonctionnement ce puits est fermé par un couvercle 64. Dans le compartiment 16 est disposée une passerelle mobile 66 accessible par le puits 62 et sur laquelle peut être déposée une machine de chargement 68 introduite par le puits.A la base du compartiment 16 s'ouvre un tunnel 70 fermé par un opercule 72 lors du fonctionnement du réacteur. Ce tunnel fait communiquer le compartiment 16 avec une piscine 74 de stockage des combustibles irradiés et de réception d'un wagonnet de transport 7F. Le fonctionnement du réacteur ressort de la description qui précède: l'eau ordinaire inDectee dans le sommier monte dans les tubes 30 et 32 en bouillant partiel 3ment. La vapeur se sépare de l'eau dans les séparateurs 40 et s'échappe vers les sorties l tandis que le liquide revient vers les pompes 46. Un débit d'eau lourde bouillante se déverse dans le récipient condenseur 54 par les tubes déversoirs 56 et un débit équivalent d'eau lourde est renvoyé par les éjecteurs 58. L'équilibre approximatif des pressions d'eau ordinaire (constituant le réfrigérantj et d'eau lourde est automatiquement assuré de la manière suivante: dans le coeur l'eau lourde reçoit une énergie de radiation qui doit finalement être absorbée par l'eau légère. Les transferts thermiques entre les deux fluides par les parois de tubes assurent une part de l'échange, mais l'eau lourde bout cependant dans la calandre 28 et sa vapeur s'échappe par les tubes déversoirs 56 en même temps que l'eau lourde en excès vers -e récipient condenseur 54 Ce condenseur étant environne par l'eau ordinaire relativement froide alimentant le sorr.rlser 26, les echanges thermlques en sont considérablement augmentés. Il est possible d'ajuster l'intensité de ces échanges par des moyens statiques, tel qu'un isolement plus ou moins efficace du condenseur à l'aide de baffles (non représentées). Lorsqu'il est nécessaire d'lntervenir sur le réacteur préalablement mis à l'arrêt, par exemple pour manipuler le combustible, on laisse la température de la cavité 14 décroître, puis on la remplit complètement d'eau ordinaire tout en vidant partiellement la cavité supérieure 16. En même temps, on laisse de l'air s'introduire à la partie supérieure de cette cavité 16. Le puits 62 est alors ouvert et on descend la machine de chargement 68. Des ouvriers descendent également sur la passerelle 66, à partir de laquelle ils ouvrent l'opercule 72 du tunnel 70. La machine 68 soulève le bouchon 44 d'un puits 42, puis l'ensemble du séparateur 42 et de l'assemblage de combustible correspondant usqu'à ce que celui-ci dépasse légèrement le niveau supérieur de la dalle 12.On retient alors cet assemblage en position a l'aide d'un dispositif quelconque de type connu (non représenté) et on le désaccouple du séparateur 40. Le séparateur est stocké latéralement sur un ratelier 80 prévu à cet effet, puis l'assemblage de combustible 82 est repris par la machine 68 et disposé dans un ratelier de stockage jusqu'à désactivation partielle. Des assemblages de combustible neufs sont amenés depuis la piscine 74 par le wagonnet 76 muni d'un plateau permettant de faire passer les assemblages de combustible qu'il porte de la position horizontale à la position verticale. Une fois en position verticale, l'assemblage neuf peut être repris par la machine k8 et introduit dans le tube calandre où il doit se loger. Une manoeuvre inverse permet d'évacuer un assemblage de combustible usagé 82 vers la piscine 74. Il va sans dire que l'invention ne se limite pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple. De nombreuses variantes sont possibles. En particulier le système de manutention décrit peut être remplacé par un dispositif très différent. Par exemple, lorsque le caisson ne présente pas un diamètre excessif, il peut être prévu un couvercle de grand diamètre s'ouvrant dans une piscine qui surmonte le caisson. La passerelle 66 et la machine 68 peuvent être remplacées par une installation de manutention à bras déplorable I1 va sans dire que la portée du présent brevet s'étend à de telles variantes, ainsi plus généralement qu'à toutes celles restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1 ) Réacteur nucléaire modéré à l'eau lourde et refroidi à l'eau bouillante, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison, un caisson de résistance à la pression de l'eau de refroidissement, une cuve calandre contenue dans le caisson et occupée par de l'eau lourde, et des tubes verticaux de calandre, minces et conducteurs de la chaleur, qui traversent la cuve et contiennent le combustible nucléaire refroidi par circulation forcée d'eau bouillante dans les tubes. 20) Réacteur suivant la revendication l, caractérisé par des déversoirs tubulaires verticaux qui relient la partie supérieure de la calandre à un récipient refroidi placé à un niveau inférieur et par des moyens de relèvement de l'eau lourde du récipient vers la calandre, permettant de régler le niveau du modérateur. 3C) Réacteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit récipient est au moins partiellement entouré d'eau circulant vers le coeur. 40) Réacteur suivant la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que les moyens de relèvement comprennent des trompes alimentées par un circuit d'épuration d'eau lourde. 50) Réacteur suivant la revendication 2,3 ou 4, caractérisé en ce que ledit récipient présente une forme annulaire et entoure un espace central occupé par de 1 'eau de refroidissement. 6C) Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un séparateur eau-vapeur est disposé au-dessus de chaque tube, chaque séparateur étant individuellement enlevable en le soulevant verticalement. 70) Réacteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par une dalle calorifugée placée au-dessus des orifices de sortie de vapeur du caisson et percée au-dessus de chaque tube d'un orifice muni d'un bouchon calorifugé, ladite dalle présentant une faible résistance aux forces de pression et constituant le fond d'une piscine, à parois non calorifugées, accessible par ouverture d'un orifice à la partie supérieure du caisson. 80) Réacteur suivant les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que chaque séparateur est porté par un bouchon calorifugé correspondant. 90) Réacteur suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite piscine contient les moteurs d'entraInement de pompes de circulation de l'eau ordinaire placées dans le caisson au-dessous de la dalle. bOO) Réacteur suivant la revendication 7, 8 ou 9, caractérisé par un canal obturable ménagé dans la paroi latérale du caisson et reliant la piscine et un bassin extérieur de stockage de combustible nucléaire.