Brevet FR2166201A1 — publié le 19730810

La présente invention concerne un mécanisme d'arrêt rapide d'un réacteur nucléaire. On sait que la sécurité de fonctionnement des réacteurs nucléaires est actuellement de la plus grande importance. Le principal danger en ce qui concerne la sécurité nucléaire est la possibilité d'un emballement de la réaction nucléaire et l'augmentation de la puissance à un niveau très.élevé en un temps extremement court, et que des parties du réacteur fondent ou m8me/se vaporisent, ce qui pourrait être la cause d'une contamination de l'environnement du réacteur. MeAme si le réacteur est placé et réalisé de manière à ne pas provoquer d'accident de personne , il est absolument indispensable que le réacteur soit équipé de dispositifs de sécurité qui réduisent pratiquement les risques d'accident à zéro.Ceci slap- plique tout particulièrement aux réacteurs de puissance qui constituent les centrales électriques qui sont en concurrence avec d'autres formes de centrales électriques. La fréquence des accidents peut etre un facteur déterminant quant à la possibilité d'une telle concurrence en raison du prix très élevé de préparation d'un réacteur en cas d'accident grave. A cause de ces considérations, le Commissariat à 1'E- nergie Atomique a exigé l'incorporation de deux mécanismes d'arrêt indépendants dans tous les réacteurs. Jusqu'à présent, cette réglementation a été interprétée comme signifiant un premier dispositif de sécurité "infaillible" capable de réaliser un arrêt d'urgence ou rapide et un second mécanisme d'arrêt de secours ou auxiliaire capable d'effectuer un arrêt réglé ou lent du réacteur.Normalement, le dispositif de sécurité "infaillible!' comporte plusieurs barreaux d'un matériau ayant une grande section efficace d'absorption des neutrons qui peuvent être rapidement introduits dans le coeur du réacteur en cas d'événement prescrit tel que la défaillance d'un circuit électrique, l'interruption de la circulation du fluide de refroidissement ou une augmentation de la puissance au-dessus de celle pour laquelle le réacteur est conçu. Les barreaux capturent ainsi les neutrons émis au cours de la réaction nu eléaireet effectuant un arrêt.Les mécanismes auxiliaires offectuent une compensation chimique qui peut compléter l'ac tion des barreaux de commande mécaniques "inaillibles" et effectuer ésalement un arrêt réglé ou lent a.u cas où tous les barreaux nc- rviennent pas à provoquer un arrêt d'urgence. Cette compensation chimique pout ôtre offectuée en utilisant une matière présentant une grande section efficace d'absorption des nentrons comme l'acide borique avec un dispositif à emmagasinege d'énergie destiné à injecter cette matière dans le fluide de refroidissement et dans le coeur du réacteur. Toutefois, ces mécanismes ne soiit normalement pas capables de provoquer de s changements rapides dans une réaction nucléaire à cause du temps qui s'écoule entre le signal d'injection et le fonctionnement complet du mécanisme à emmagasinage d'éner gie. A la lumière de recentres études sur les "défauts d'un arret d'urgence", il a semblé avantageux pour les moyens de sécurité d'utiliser deux mécanismes d'arrêt d'urgence ou rapide des indépendants et fiables pour chaque réacteur nucléaire. F.n conséquence, les mécanismes d'arrêt auxiliaires devraient pouvoir arrenter rapidement la réaction nucléaire et agir indépendamment des barreaux de sécurité "infaillibles" décrits plus haut.Un tel mode de comnande n'a pas été incorporé jus- qu là présent dans les mécanismes auxiliaires. La Présente invention a. pour objet un tel mécanisme auxiliaire d'arrêt rapide pour un réactear nucléaire comprenant une enceinte qui renferme le coeur et présente des ouvertures d'entrée et de sortie du fluide de refreidissement et un conduit reliant lesdites ouvertures pour former une boucle pri maire fermée de circulation dii fluide de refroidissement dans laquelle une pompe est interposée dans ledit conduit. Le problème est résolu selon la présente invention par un circuit de fluide d'arrêt relié en parallèle à la pompe et comprenant un réservoir contenant une solution d'un poison absorbant les beutrons par un dispositif de commande situé dans ledit circuit et isol int nermalement le poison de la boucle primaire de circulatoon du fluide et par un dispositif d'ac tionnement du dispositif de commande pour faire en sorte que la pompe du fluide de refroidissement refoule le poison dans la boucle primaire de circulation du fluide du côté amont de la pompe lorsque le dispositif de commande est actionné. Ainsi, la présente invention concerne un mécanisme d-Ds- tiné à arrenter un réacteur nucléaire classique comportant plusieurs boucles primaires de circulation du fluide de refroi dissonent et une pompe interposée dans ces dernières pour poS-- per le fluide de refroidissement dans la boucle. Le nécanisme d'arrêt comprend un circuit de circulation relié en parallèle à l'une des pompes du fluide de refroidissement du réacteur. Ce circuit comporte un réservoir contenant un poison absorbant les neutrons et un dispositif de commande situé dans ledit circuit pour isoler le poison de la boucle primaire. Au cas où il se produit llun des événements prescrits nécessitant un arrêt rapide du réacteur, le dispositif de commande est ac tisonné de manière que la pompe refoule le fluide de refroidissement à travers le réservoir pour entratner le poison hors de ce dernier et dans la boucle primaire de laquelle il est en- suite injecté dans le coeu gu réacteur. L'utilisation de ce mécanisme présente des avantages évidents. Le refoulement d'une pompe du fluide de refroidissement du réacteur fournit la force d'entraînement pour injecter rapidement le poison et, par conséquent, aucune source d'é- nergie supplémentaire telle que des pompes secondaires ou des sources d'énergie emmagasinée ne sont nécessaires pour le fonctionnement du mécanisme. Le mélange complet du poison avec le fluide de refroidissement du réacteur est également assuré par la pompe du fluide de refroidissement du réacteur. Le mélange complet et uniforme du poison avec le fluide de refroidissement facilite l'obtention d'un arrêt rapide et efficace du réacteur. En outre, le fonctionnement du mécanisme n'est pas affecté par une forte augmentation de la pression dans le circuit du fluide de refroidissement du réacteur. De tels gradients de pression elnpAchent habituellement le fonctionnement efficace des méeunism@s d'errê@ qui utilisent une différence de pression comme fa@e d'entraînement. Finalement, le mécanisme d'arrêt de la pré bie invention peut être incorporé facilement et économiquement dans des réacteurs nucléaires existants sans necessit de modifications importantes des enccintes ou des ca@@lisation-. L'invention sera déerite plus en détail en regard des dessins appexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels : la figure 1 représente un schéma d'une installation d'un ré@ieur utilisant la présente invention ; la figure 2 est un schéma du mécanisme d'arrêt utilisé ders l'installation de la figure 1 ; et la. figure 3 est un schéma d'une autre installation d'un réagteur stilisant la présente invention. En se référant maintenant aux dessins, la figure 1 représente une installation de réacteur nucléaire dans laquelle se trouve @de enceinte 10 d'un réacteur nucléaire comportant une ouverture d'entrée 12 une ouverture de sortie 14 du flerde de refroidissement primaire à travers ses parois cylindriques. La figure 1 ne représente qu'un jeu d'ouvertures d'entrée et dc sortie 12, 14. Toutefois, il est bien en-tendu e ceci e' et t donné qu'à titre illustratif et pour plus de elerté et que l'enceinte de réacteur peut comporter plusieurs outertures d'entrée et de sortie, par exemple, comme on le voit sur la figure 3.Comme on le sait en pratique, l'enceinte 10 eontient un toeur (non représenté) qui engendre de grandes grantités Je chaleur en fonction de la position et de l'ac- tiohnement C d'un mecilîsme de commande. D'une façon générale, le Lécanisme de commande comporte des barreaux de commande 16 ponvant être actionnés automatiquement ou manuellement de l'extérieur du réacteur. Les barreaux de commande 16 sont en un matériau absortant les neutrons bien connu en pratique et qui P@@@légle @arréterla réactren nucléaire dans le coeur. La e'n@ieur engendrée par le coeur du réacteur est transmise de ce dernier au fleide de refroidissement primaire qui entre dans le réacteur par l'entrée 12 e en sort par la sortie 14.Le fluide de refroidissement chauffé passe par un conduit 18 dans un échangeur de chaleur 20. après avoir traversé l'échangeur de chaleur 20, le fluide de refroidissemellt primaire est ramené dans le réacteur 10 par les conduits 22 et 26 qui complètent une boucle prinaire du fluide de refroidissement. Une pompe 24 est utilisée pour faire circuler et régler le débit du flui- de de refroidissement du réacteur dans l'installation et est interposée entre les conduits 22 et 26, le conduit 22 étant relié au côté aspiration et le conduit 2 au côté refoulement de la pompe 24.L'échangeur de chaleur 20 est du type général dans lequel le fluide de refroidissement chauffé est transporté par des éléments (non représentés) qui sont en relation d'échange de chaleur avec l'eau qui est utilisée pour produire de la vapeur d'eau. L'eau entre dans l'échangeur de chaleur par un conduit 28 et la vapeur d'eau sort par le conduit 30 pour tre utilisée pour entraîner une turbine (non représentée) afin de produire de l'électricité. La figure 1 montre également un mécanisme d'arret 25 qui est relié aux conduits 22 et 26 en parallèle avec la pompe 24. Un schéma du mécanisme d'arrêt 25 est représenté sur la figure 2. Le mécanisme 25 comporte un réservoir 32 qui est rempli d'une solution d'un poison absorbant les neutrons tel que l'acide borique, le pentaborate de sodium ou le nitrate de gadolinium à une concentration suffisan-te pour assurer le degré de ré activité négative nécessaire pour arrenter efficacement la réaction nucléaire dans le coeur lorsqu'il est injecté dans le fluide de refroidissement et mélangé avec ce dernier qui circule dans le coeur. Deux conduits 34 et 36 partent du réservoir 32 et sont reliés respectivement aux conduits 22 et 2Q & fluide de refroidissement primaire.Une vanne de commande 38 comportant un dispositif d'actionnement 39 est montée dans le conduit 34 entre le réservoir 32 et le conduit 22 du coté aspiration de la pompe 24. La vanne de commande 38 est normalement en position fermée de manière à isoler le contenu du réservoir 32 du fluide de refroidissemerit circulant dans le conduit 22; Un clapet de rctenil2 44 est également prévu dans le conduit 36 pour éviter Ü refoulement du pou son contenu dans le réservoir 32 par le conduit 36 dans le conduit 26 du fluide de refroidissc:"cnt primaire du côté refoulement de la pompe 24.Ainsi, pendant le fonctionnement normal du réacteur, la solution du poison contenue dans le réservoir 32 est totale ment isolée de la boucle ou circuit primaire du fluide de refroidissement. En outre, deux vannes d'isolement 40 et 42 se trouvent dans les conduits 34 et 36 respectivement et peuvent entre actionnées manuellement de manière à pouvoir isoler le réservoir 32 et son contenu de la boucle primaire du fluide de refroidissement pendant que des travaux tels qu'un changement du poison ou de la concentration du poison sont effectués sur le mécanisme d'arrêt. Le réservoir 32 peut également comporter un dispositif de chauffage ou d'agitation 46 afin d'empecher le poison con-tenu dans le réservoir 32 de passer hors solution. Le dispositif de chauffage ou d'agitation 46 peut comporter des éléments chauffants, un serpentin de chauffage ou des rotors. On peut également pré-voir une source 48 pour actionner le dispositif 46. Le mécanisme d'arrêt 25 de la présente invention fonctienne de la maniere suivante : pendant le fonctionnement du réacteur, s il se produit un événement nécessitant un arrêt rapide de la réaction nucléaire dans le coeur, les éléments de commande 1 6 sont normalement introduits automatiquement dans le coeur comme on le sait en pratique. Au cas où les barreaux de commande 16 ne sont pas introduits dans le coeur, un signal d'injection (indiqué en I sur la figure 2) fait fonctionner le dispositif d'actionnement 39 pour ouvrir la vanne de commande 38 du conduit 34 du mécanisme d'arrôt 25. Le refoulement de la pompe 24 du fluide de refroidissement du réacteur est alors transmis à travers le réservoir 32 par les conduits 34 et 36 c est-a-dire que le poison contenu dans le réservoir 32 est soumis à une chute de pression équivalant au refoulement de la pompe 24 comme on le sait dans le domaine de llhydraulique. Cette chute de pression équivalant au refoulement de la pompe fait sortir la solution du poison du réservoir 32 par le con- duit 34 et l'injecte dans le fluide de refroidissement contenu nu dans le conduit 22 du circuit primaire. Le poison injecté et le fluide de refroidissement passent alors par la poupe 24 et sortent par le conduit 26 pour entrer dans le réacteur par l'intermdiaire des ouvertures d'entrée 12. Une partie du flui-- de de refroidissement quittant la pompe 24 passe du conduit 26 dans le conduit 36 et dans le réservoir 32 et de la même manière qu'avec le poison, il quitte le réservoir par le conduit 34 pour être injecté dans le conduit 22. Le réservoir 32 est conçu de manière que' 'tout le poison soit rapidement évacué sous l'effet du refoulement de la pompe 24 et tende à établir un équilibre chimique avec le fluide de refroidissement du circuit primaire. Lorsque la vanne de commande 38 est ouverte et que le poison est injecté dans le circuit primaire du fluide de refroidissement il s'établit deux boucles de circulation. La première boucle est celle dans laquelle le fluide de refroidissement primaire et le poison avec lequel il est mélangé circulent du côté refoulement de la pompe par le conduit 26 dans le réacteur 10, de bas en haut à travers le coeur pour sortir par l'ouverture 14 et passer dans le conduit 18 à travers l'échangeur de chaleur 20, dans le conduit 22 pour revenir dans la pompe 24. L'autre boucle est celle dans laquelle le mélange du fluide de refroidissement et du poison circule du côté refoulement de la pompe 24 dans le conduit 26 pour passer dans le conduit 36, à travers le réservoir 32 dans le con- duit 34 et pour etre injecté dans le conduit 22 et revenir dans la pompe 24. La diminution de pression dans chaque boucle doit être la même et en connaissant la chiite de pression en fonction du débit (qui peut etre facilement dèteraiîne par des méthodes connues), il est possible de déterminer la concentration nécessaire du poison dans le réservoir 32 pour effectuer un arrêt. Lorsque le poison est injecté du conduit 34 dans le con-duit 22 du fluide de refroidissement primaire, il est mélangé avec ce dernier en passawb dans la pompe 24. La pompe 24 et l'écluilibre chimique vers lequel tend le poison établissent ainsi une concentration uniforme du poison dans le circuit primaire du fluide de refroidissement du réacteur, concentration qui est suffisante pour provoquer un arrêt rapide de la réac- tion nucléaire dans le coeur. Le mélange uniforme du poison avec le fluide de refroidissement assure que la réaction nu cléaire est contenue et réglée suffisamment dans toutes les parties du coeur du réacteur. Le schéma de la figure 3 montre une autre installation dlun réacteur dans laquelle se trouvent deux mécanismes d'ar rebat 25 dont chacun est monté en parallèle avec deux pompes 24 du fluide de refroidissement du réacteur. Le réacteur comporte une enceinte 10, quatre ouvertures d'entrée 12, deux ouvertures de sortie 14, deux échangeurs de chaleur 20, des conduits primaires 18, 22 et 26 reliant 1 'enceinte 10 aux échangeurs de chaleur 20 pour former quatre boucles primaires, et quatre pompes du fluide de refroidissement primaires sont interposées entre les conduits 22 et 26 pour provoquer et régler la circulation du fluide de refroidissement dans l'installation. Chacun de ces éléments a été décrit plus haut en se référant à la figure 1.Dans cette forme de réalisation, le fluide de refroidissement quitte le réacteur 10 par les deux ouvertures de sortie 14 et passe par un conduit 18 dans les deux échangeurs de chaleur 20. Le fluide de refroidissement provenant de chacun des échangeurs de chaleur 20 est ramené dans le réacteur 10 par des conduits 22, 26, chaque échangeur étant relié à deux jeux de ces conduits. Chacun des deux mécanismes d'arrêt 25 es-t monté en parallèle avec deux pompes 24. Chacun des mé- canismes 25 est analogue à celui décrit précédemment excepté que chaque réservoir 32 comporte deux conduits 34 et deux conduits 36.De ce-tte manière, il est possible d'établir deux boucles d'injectIon, chacune d'elles comportant deux conduits 34 et 36, une vanne de commande 38 avec un dispositif d'actionnement 39, un clapet de retenue 34 et deux vannes d'isolement 40 et 42. Chacun des conduits 34 est relié à un conduit 22 du circuit primaire du coté amont d'une pompe 24 et chacun des conduits 36 est relié à un conduit 26 du circuit primaire du côté aval d'une pompe 24. Le réservoir 32 de chacun des méca nismes-d'arret 25 est identique à celui décrit précédemment. Le mécanisme représenté sur la figure 3 fonctionne de la meAme manière que celui décrit précédemment, excepté qutw réservoir 32 est utilisé pour injecter le poison dans deux boucles du circuit primaire du fluide de refroidissement du réacteur. Pour chaque mécanisme d'arrêt 25, le poison contenu dans le réservoir 32 peut être injecté dans l'une ou l'autre des boucles ou dans les deux boucles par l'actionnement de l'un des dispositifs 39 ou des deux. Lorsque les vannes de commande 38 sont ouvertes, la solution du poison contenue dans les réservoirs 32 est injecté e dans le conduit 22 du circuit primaire du coté amont des pontes 24 et dans le réacteur comme on l'a précédemment décrit.Ainsi, il est évident qu'on peut utiliser un mécanisme d'arret avec plus d'une pompe du circuit primaire pour effectuer un arrêt rapide du réacteur. Le nouveau mécanisme d'arrêt perfectionné décrit dans le présent mémoire constitue un moyen d'arrêt rapide d'un réacteur nucléaire. Le fonctionnement du mécanisme ne nécessite aucune source d'énergie emmagasinée ou source d'énergie supplémentaire. Le mécanisme utilise le refoulement de la pompe existante pour injecter le poison dans le réacteur. Le mélange complet du poison avec le fluide de refroidissement du réacteur est assuré par l'utilisation des pompes du fluide de refroidissement du réacteur et garantit ainsi l'obtention d'un arrêt uniforme de la réaction nucléaire. En outre, le mécanisme peut etre installé après coup facilement et d'une manière économique dans des installations existantes sans nécessiter de modifications importantes. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au mécanisme décrit sans sortir du cadre de l invention. REVENDICATIONS 1. Mécanisme d'arrêt rapide d'un réacteur nucléaire comprenant une enceinte qui renferme le coeur et présente des ouvertures d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement et un conduit reliant lesdites ouvertures pour former un cir cuit,primaire de circulation du fluide de refroidissement dans lequel une pompe est interposée dans le conduit, mécanisme caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de fluide d'arrêt (25) relié en parallèle avec la pompe et comportaut un réser- voir (32) contenant une solution d'un poison absorbant les neutrons, un dispositif de commande (38) situé dans le circuit et isolant normalement le poison de la boucle de eirculation du fluide primaire, et un dispositif d'actionnement (39) du dispositif de commande pour que la pompe du fluide de refroidissement entraîne le poison dans la boucle de circulation du fluide primaire du côté amont de la pompe lorsque le dispositif de commande est actionné. 2. Mécanisme selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'enceinte du réacteur compor-te plusieurs ouvertures d'entrée (12) et plusieurs ouvertures de sortie (14) du fluide de refroidissement, en ce que plusieurs conduits (18, 22, 26) sont reliés aux ouvertures d'entrée et aux ouvertures de sortie de manière à former plusieurs boucles de circulation du fluide primaire et en ce que plusieurs pompes (24) sont interposées dans le conduit des boucles de circulation. 3. Mécanisme selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs circuits de fluide d'arrêt (25) dont chacun est monté en parallèle avec au moins l'une des pompes. 4. Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de fluide-d'arret comporte un premier conduit (36) reliant le réservoir à la boucle de circulation du fluide primaire du côté aval de la pompe du fluide de refroi dissement et un second conduit (34) reliant le réservoir a ladite boucle de circulation primaire du coté amont de la pou pe et en ce que le dispositif de commande (38) se trouve dans le second conduit. 5. Mécanisme selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de commande est une vanne (38). 6. Mécanisme selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un clapet de retenue (44) situé dans le premier conduit pour éviter une circulation du fluide du réservoir par l'intermédiaire du premier conduit dans la boucle du fluide de refroidissement primaire du coté aval de la pompe du fluide de refroidissement. 7. Mécanisme selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux vannes d'isolement (40, 42) dont l'une se trouve dans le premier conduit et l'autre dans le second conduit et qui sont normalement ouvertes et peuvent être fermées pour isoler le poison contenu dans le réservoir de la boucle de circulation du fluide de refroidissement. 8. Mécanisme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir comporte un dispositif (46) destiné à maintenir le poison en solution dans le réservoir.