Brevet FR2314560A1 — publié le 19770107

La présente invention concerne une installation nucléaire comprenant un coeur de réacteur refroidi à l'eau legère avec des faisceaux verticaux d'éléments combustibles, une cuve de réacteur avec une chambre d t admission et une chambre d'échappement séparée de celle-ci pour 11 eau de refroidissement qui traverse le coeur du réacteur, un échangeur de chaleur, une pompe de circulation pour le circuit primaire de l'échangeur de chaleur et un bassin empli d'eau, chacune des chambres d'admission et d'échappement étant équipée d'au moins une connexion hydraulique avec l'échangeur de chaleur, le coeur du réacteur étant renfermé dans la cuve de réacteur et celle-ci étant placée dans le bassin, le fluide réfrigérant du circuit de refroidissement primaire étant, en service normal, isolé de l'eau du bassin au moyen d'un dispositif d'arrêt dont l'effet de coupure peut être supprimé. En premier lieu, l'invention concerne un réacteur nucléaire qui peut être utilisé opportunézent dans un réseau de chauffage urbain. Un réacteur de ce genre a eté décrit dans :rThe American Nuclear Society Transactions", vol. 20, pp. 733-734. Dans ce réacteur connu, on a la possibilité de procéder à uri-refroidissement d'urgence, le bassin servant d'absorbeur de chaleur Cela s'effectue par la manoeuvre de deux soupapes, l'eau du bassin pénétrant dans le circuit de refroidissement primaire du réacteur par un ori- ficé d'admission, tandis que de la vapeur et de l'eau chaude quittent ce circuit par un orifice d'échappement. Toutefois, l'installation connue a pour inconvénient que le bon fonctionnement du système de refroidissement d'urgence est subordonné au mouvement et à la mise en position correcte de corps solides, à savoir les corps de soupape qui font partie des soupa -pes mentionnées ci-dessus. Par un mode de construction selon l'invention, on cherche à éliminer cet inconvénient. A la place des soupapes éléments mobiles, on utilise, d'après l'invention, un certain nombre de tubes dits "obturateurs à gaz". Par ce terme, on désignera ci-après un tube coudé qui plonge de haut en bas dans un liauide et dont les deux extrémités sont alors situées au-dessous d'une partie intermédiaire, tube dans lequel est emprisonnée une quantité de gaz, ou un dispositif analogue à ce tube. L'invention est caractérisée en ce que le circuit de refroidissement primaire est constamment en communication ouverte avec le bassin par un orifice d'échappement et un orifice d'admission dans les parois limites du circuit de refroidissement primaire, l'orifice d'échappement au moins étant muni d'un organe de connexion prévu à cet effet, sous la forme d'un tube obturateur à gaz. L'invention sera décrite ci-après en référence aux dessins schématiques annexés. tes figures i et 2 illustrent en coupe verticale deux formes de réalisation différentes de l'invention. La figure 3 est une coupe partielle le long de la ligne III-III de la figure 2 qui est une coupe le long de la ligne II-II de la figure 3. tes réacteurs représentés sont du type à eau sous pression, ce qui signifie qu'en service, il ne se produit pas d'ébullition au cas où des problèmes de stabilité se poseraient avec les faibles pressions ici envisagées. Sur la figure 1, 1 désigne un bassin empli d'eau qui peut avoir opportunément une profondeur maximale de 25 m environ. A proximité du fond du bassin est placée une cuve de réacteur 2 qui contient un coeur de réacteur 3 et plusieurs barres de contrôle 4. La cuve de réacteur est raccordée au c8té primaire d'un échangeur de chaleur 5 au moyen d'une conduite 7 pour l'eau relativement froide qui pénètre dans la cuve de réacteur et au moyen d'une conduite 6 pour liteau relativement chaude qui quitte le coeur 3 du réacteur, une pompe de circulation 8 étant intercalée dans la conduite 7. La conduite 6 débouche dans une chambre d'admission 9 et la conduite 7 part d'une chambre d'échappement 10 de l'échangeur de chaleur.A partir de la chambre d'admission 9, l'eau remonte à travers des tubes verticaux 11 vers une chambre d'inversion de sens 12 depuis laquelle elle retourne, par des tubes verticaux 13, vers la chambre d'échappement 10 de l'échangeur de chaleur. tes éléments 2, 6, 9, 11, 12, 13, 10, 7, 8 forment ensemble le circuit de refroidissement primaire du coeur 3. te circuit de refroidissement secondaire correspondant se compose des intervalles entre les tubes 11 et 13, d'une conduite de départ 14 et d'une conduite de retour 15, ainsi que d'un certain nombre d'appareils utilisateurs raccordés aux conduites 14 et 15, notamment et de préférence des installations de chauffage raccordées directement pour le chauffage de pièces dans des immeubles d'habitation et des locaux de travail.De préférence, le circuit de refroidissement secondaire a une pression d'eau plus élevée que le circuit de refroidissement primaire. La partie inférieure de la cuve de réacteur 2 constitue la chambre d'admission et sa partie supérieure forme la chambre d'échappement pour le coeur de réacteur 3. Be circuit de refroidissement primaire est muni d'un orifice d'échappement 16 et d'un orifice d'admission 17 par lesquels il est constamment en communication ouverte avec le bassin par l'intermédiaire de deux tubes obturateurs à gaz 18 et 19 qui sont raccordés respectivement aux orifices 16 et 17. Comme on l'a indiqué sur le dessin, chacun des tubes obturateurs à gaz 18 et 19 contient un volume de gaz inclus qui est en communication avec son propre réservoir de gaz 22, 23 à régulation de pression par un tuyau relativement mince 20, 21.La pression du gaz dans le réservoir 22 est choisie de manière à correspondre approximativement a la pression d'eau au niveau de l'orifice inférieur du tube obturateur à gaz 18, c'est-à-dire qu'elle n'est supérieure à cette pression que dans la mesure nécessaire pour qu'on puisse observer un faible dégagement de gaz par cette ouverture. Belon un autre mode de réalisation possible, la pression dans les réservoirs de gaz 22 et 23 peut entre choisie nettement plus élevée, par exemple de plus de 150% de ladite pression d'eau, auquel cas chacune des conduites 20 et 21 est équipée d'un étranglement. Afin que les niveaux d'eau des deux tubes obturateurs à gaz puissent s'établir de la manière indiquée sur le dessin, il faut que le gaz introduit dans le tube 19 ait une pression -calculée en mètres de colonne d'eau - qui correspond à la pression du gaz dans le tube 18, plus la différence h1 entre les niveaux d'eau des deux tubes. Comme on l'a indiqué sur le dessin, on peut appliquer une pression suffisamment forte pour que la pression d'eau dans le coeur 3 soit nettement supérieure à ce qui correspond à la pression d'eau dans le bassin.On peut donner à la dimension verticale du tube obturateur à gaz 18 une grandeur supérieure par exemple au quart.de la profondeur maximale d'eau dans le bassin et produire de la sorte une élévation notable de la pression d'eau dans le coeur, ce qui signifie qu'avec la profondeur mentionnée du bassin, une température plus élevée de l'eau peut être admise sans que l'on s'approche.. trop du point d'ébullition. MeAme au cas où le volume de gaz susceptible d'être inclus dans les tubes obturateurs à gaz a une très petite dimension verticale, les tubes obturateurs à gaz ont une fonction essentielle à remplir, puisqu'ils s'opposent effectivement, en service normal, à ce que l'eau du réacteur et celle du bassin se mélangent. Entant donné qu'il se produit des oscillations de niveau, du fait notamment que la différence entre les niveaux d'eau des tubes obturateurs à gaz est plus grande lorsque la pompe 8 est en marche que dans la situation purement statique, il faut toutefois donner à la dimension verticale des tubes obturateurs à gaz une grandeur suffisante pour que le volume de gaz inclus ne quitte pas le tube obturateur à gaz en service normal.En règle générale, on peut considérer que le tube obturateur à gaz doit être dimensionné de manière à admettre une quantité d'air incluse dont la dimension verticale est supérieure à 1 m. Un réacteur selon l'invention doit ôtre en mesure de remplir des conditions de sécurité extr8mes. Même dans le cas tout-àfait hypothétique où la pompe de circulation 8 se bloquerait et où les barres de contrôle 4 resteraient suspendues en dehors du coeur pour une raison quelconque, on peut s'attendre avec une grande sécurité à ce qu'il ne se produise aucune fuite radioactive et qu'il n'y ait aucun danger que les faisceaux d'éléments combustibles fondent. Au cas où une ébullition brusque se produirait dans le coeur 3 du réacteur, par exemple en raison d'une fausse manoeuvre délibérée ou involontaire des barres de contrôle ou en raison d'un arrêt momentané de la pompe sans qu'il en résulte un arrêt brusque du réacteur, la formation de vapeur aurait tout d'abord pour conséquence qu'une partie de l'eau du système primaire serait expulsée par le tube obturateur à gaz 18. Cela n'aboutit pas forcément à une suppresion des obturateurs à gaz. Etant donné qu'on suppose par hypothèse des coefficients de bulles négatifs de la réactivité, la teneur en bulles a alors pour conséquence une réduction rapide de la puissance jusqu'à moins de 5% de la puissance normale. L'ébullition se propage et le tube obturateur à gaz 18 est empli de vapeur, tandis que le niveau d'eau baisse lentement. Du fait qu'on ouvre les soupapes 24 et 25 de sorte que la pression du gaz dans les réservoirs 22 et 23 tombe, on pourrait parvenir à une pénétration relativement rapide de l'eau du bassin dans le circuit de refroidissement primaire du réacteur. Mais étant donné que c'est le comportement du réacteur dans des conditions très défavorables qui nous intéresse, nous supposerons que les soupapes 24 et 25 ne fonctionnent pas. B'il survivent une ébullition dans le coeur du réacteur, la différence entre le niveau dans l'échangeur de chaleur et le niveau dans une branche raccordée du tube obturateur à gaz inférieur diminue lentement, ce qui se traduit par le fait que l'eau du bassin s'élève dans la grande branche du tube ob turateurâgaz inférieur au point qu'elle finit par passer la partie horizontale de ce tube obturateur et par pénétrer dans le circuit de refroidissement primaire du réacteur. Un semblable remplissage peut se répéter plusieurs fois mais, dans ces conditions, le niveau d'eau dans l'échangeur de chaleur ne peut jamais s'élever plus haut que jusqu'à une certaine hauteur maximale, à savoir celle qui correspond à l'orifice inférieur du tube obturateur à gaz supérieur. Il est essentiel que le coeur du réacteur soit situé entièrement au-dessous de cette hauteur maximale.En outre, il est important que le bord supérieur du tube obturateur à gaz inférieur soit situé au-dessous dudit niveau maximal, sinon il ne serait pas possible d'emplir complètement ce tube d'eau lors du remplissage d'eau à la suite du changement brusque, ce quiSgnifie qu'il se for merait un bouchon permanent de gaz dans la partie toute supérieure du tube obturateur à gaz 19, ce qui empêcherait l'admission d'eau du bassin vers le réacteur.Comme le montre le dessin, les deux orifices du système primaire munis d'obturateurs à gaz sont disposés de sorte que, par rapport à la chambre surmontant le coeur du réacteur, l'orifice d'échappement - en considérant le sens de circulation du circuit primaire - soit à une distance relativement courte et que l'orifice d'admission soit à une distance relativement grande. 'l'orifice d'admission 17 doit être disposé aussi bas que possible, mais au-dessus du coeur.Considérée dans le sens de circulation du circuit de refroidissement primaire, la pompe 8 est située en aval de l'orifice d'admission 17 et en amont du coeur 3, d'où il résulte que la mise sous dépression qui intervient lorsque la pompe fonctionne donne lieu à une élévation aussi forte de la pression dans le coeur 3, tandis que le niveau dans le tube obturateur à gaz 19 est relativement peu influencé par une variation de la vitesse de rotation de la pompe. Sur les figures 2 et 3, 30 désigne un coeur de réacteur qui est disposé dans une cuve de réacteur 34 emplie d'eau et qui se compose de plusieurs faisceaux d'éléments combustibles disposés verticalement. La cuve de réacteur est placéedans un bassin 31 emplie d'eau. te niveau de l'eau dans le bassin est représenté par le symbole N. te coeur de réacteur 30 est entouré par une gaine 32 qui régit l'écoulement et dont le bord supérieur est fixé à un écran annulaire conique 33 dont le bord extérieur est fixé à la cuve de réacteur 34 de manière étanche à la pression. L'écran 37 délimite par sa face inférieure une chambre d'admission 35 et par sa face supérieure une chambre d'échappement 36 pour l'eau de refroidissement qui traverse le coeur du réacteur. La chambre d'échappement 36 est munie à son extrémité inférieure d'un tube obturateur à gaz inférieur 37 dont la branche courte 37' est emplie d'eau, tandis que la branche longue 37" est emplie de gaz en service normal et est placée, sur la majeure partie de sa longueur, dans un puits 58 dont la profondeur, mesurée à partir du fond du bassin, est supérieure à un quart de la profondeur du bassin. En outre, l'extrémité supérieure de la chambre d'échappement 36 présente deux tubes obturateurs à gaz supérieurs 38 dont la branche raccordée à la cuve de réacteur est emplie d'eau en service normal, tandis que l'autre est emplie de gaz. A l'extrémité supérieure de la cuve de réacteur, une chambre annulaire de pompage 39 est délimitée au moyen d'un fond de pompe annulaire 40 et d'une paroi cylindrique circulaire 41. Une pompe 57 au moins pompe l'eau entre la chambre d'échappement 36 et la chambre de pompage 39. Plusieurs échangeurs de chaleur, dont un seul a été représenté sur la figure 2, sont placés dans la cuve de réacteur. Chaque échangeur de chaleur se compose d'un tube 42 dont l'extrémité supérieure est bouchée et est munie de deux tubulures 43 pour le raccordement des conduites d'admission et d'échappement du circuit secondaire, conduites qui sont indiquées sur la figure 3 par les lignes de points et de tirets désignées respectivement par 44 et 45. Be c8té secondaire de l'échangeur de chaleur est constitué par un serpentin 46 qui est placé dans le tube 42 et le côté primaire est formé par une chambre entourée par le tube 42 et non occupée par le~serpentin 46. Be tube 42 traverse de manière étanche à la pression la cuve de réacteur 34, le fond de pompe annulaire 40 et l'écran conique 33 et il s'ouvre par son extrémité inférieure dans la chambre d'admission 35, l'eau pompée en retour à partir du co- té primaire de l'échangeur de chaleur pénétrant dans la chambre 35. De là, l'eau traverse le coeur 30 et la chambre d'échappement 36 de celui-ci, d'où elle passe à travers les pompes 57 et la chambre de pompage 39, pour pénétrer ensuite à l'extrémité supérieure du tube 42 par plusieurs orifices 47 qui constituent, avec la chambre de pompage, une connexion hydraulique entre le côté primaire de l'é- changeur de chaleur et la chambre d'échappement 36 de la cuve de réacteur. Plusieurs tubes 48 de guidage des barres de contrôle sont maintenus dans leur position correcte au moyen d'une couronne 49 qui est fixée à la cuve de réacteur à l'aide de plusieurs entretoises 50. Plusieurs barres de contrôle sont fixés à des poignées respectives 51, au moyen d'un électro-aimant (non représenté) dont l'enroulement est monté en série avec un dispositif de protection contre la température sous forme d'un corps fus-ible qui fond et interrompte le courant lorsque la température de l'eau de la cuve de réacteur a tendance à crottre excessivement, c'est-à-dire lorsqu'il existe-le risque qu'une ébullition se produise dans la cuve de réacteur. Chaque poignée de barre de contrôle est raccordée à un dispositif 53 de manoeuvre des barres de contrôle qui est fixé au couvercle 52 de la cuve de réacteur et qui est raccordé par un arbre 54 à un moteur électrique 55 respectif. Les moteurs reposent sur un support (non représenté) fixé auoeuvercle de la cuve de réacteur. Les éléments 48, 51, 52, 53, 54 et 55 peuvent être soulevés d'un seul bloc lors du remplacement du combustible. te raccordement du tube obturateur à gaz supérieur à la cuve est situé immédiatement au-dessous du fond de pompe. Pour limiter la profondeur du puits 38 du tube obturateur à gaz inférieur, ce tube est raccordé à la cuve au-dessus du coeur. Cela nécessite en service normal un petit écoulement de fuite au-delà du coeur. Lors du refroidissement de puissance rémanente, l'eau qui est amenée à travers l'obturateur à gaz inférieur s'écoule par une fente de fuite 56 prévue à cet effet vers l'entrée du coeur. En cas d'arrêt de la pompe sans interruption d'urgence, la température à la sortie du coeur s'élève, tandis que la pression tombe en même temps. Ce processus repose sur la caractéristique de marche par inertie de la pompe. Par exemple, une ébullition peut se produire à la sortie du coeur au bout de 6 s environ à 4 bars environ et 1450C. Cette température est largement supérieure à la température de déclenchement des fusibles de sécurité, mais ceuxci ne sont pas déclenchés immédiatement en raison de leur inertie. La pression et la température s'élèvent donc vers l'ébullition débutante et de grandes quantités d'eau et/ou de vapeur sont expulsées par les obturateurs à gaz supérieurs. Le plus souvent, la chute de pression dans ces obturateurs à gaz est suffisamment marquée pour que l'on ne puisse pas s'attendre à un remplissage par l'obtu- rateur à gaz inférieur.En raison de la formation de bulles, la puissance du coeur tombe et il-ne se produit pas la moindre élévation notable de la température du combustible. ta quantité d'eau contenue dans la cuve du réacteur au-dessus du coeur est plus grande que d'habitude et longtemps avant qu'elle puisse être expulsée par l'obturateur à gaz supérieur sous l'effet de la formation de vapeur, les fusibles de sécurité réagissent et les barres de contrôle tombent dans le coeur, si bien qu'il n'y a besoin de refroidir que la puissance rémanente du coeur. Avec une cuve de réacteur du genre représenté sur les figures 2 et 3, la distance du bord supérieur du coeur au couvercle de la cuve doit correspondre au moins à 60%, de préférence à plus de 70% de la hauteur totale de la cuve de réacteur. En même temps, le diamètre de la cuve doit correspondre de préférence à 160% au moins, et notamment à plus de 190 du diamètre du coeur du réacteur. En raison du grand diamètre et de la grande hauteur de la cuve, on obtient une bonne séparation de la vapeur et de l'eau et il suffit de petites différences de pression pour expulser la vapeur à travers l'obturateur à gaz supérieur. De ce fait, une adduction d'eau par le tube obturateur à gaz inférieur 37 est assurée. Ordinairement, un tube obturateur à gaz contient de l'air ou de l'azote. Dans le cas d'un tube obturateur à gaz selon l'inven tion, le gaz peut être aussi de la vapeur d'eau qui est produite dans une chaudière particulière et est amenée au tube obturateur à gaz, par exemple par un tuyau à vapeur mince. - REVENDICATLONS 1.- Installation nucléaire comprenant un coeur de réacteur 3, 30 refroidi à l'eau légère avec des faisceaux verticaux d'éléments combustibles, une cuve de réacteur 34 avec uneschambre d'admission 35 et une chambre d'échappement 36 séparée de celle-ci pour l'eau de refroidissement qui traverse le coeur du réacteur, un échangeur de chaleur 5, 42, une pompe de circulation 8 pour le circuit primaire de l'échangeur de chaleur et un bassin 1,31 empli d'eau, chacune des chambres d'admission et d'échappement étant équipée d'au moins une connexion hydraulique avec l'échangeur de chaleur, le coeur de réacteur 3, 30 étant enfermé dans la cuve de réacteur 34 et celle-ci étant placée dans le bassin, le fluide réfrigérant du circuit de refroidissement primaire étant, en service normal, isolé de l'eau du bassin au moyen d'un dispositif d'arrêt 18, 19, 37, 38 dont l'effet de coupure peut être supprimé, caractérisée en ce que le circuit de refroidissement primaire est constamment en communication ouverte avec le bassin 31 par un orifice d'échappement 16 et un orifice d'admission 17 pratiqués dans les parois de délimitation du circuit de refroidissement primaire, l'orifice d'échappement au moins étant équipé d'un organe de raccordement prévu à cet effet, sous la forme d'un tube obturateur à gaz 18, 38. 2.- Installation nucléaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'orifice d'échappement 16 est équipé d'un tube obturateur à gaz supérieur 18, 38 et en ce que orifice d'admission est équipé d'un tube obturateur à gaz inférieur 19, 37, l'extrémité de sortie du tube obturateur à gaz supérieur se trouvarlt plus haut que le bord supérieur du coeur de réacteur 3, 30 et plus haut que le bord supérieur du tube obturateur à gaz inférieur. 3.- Installation nucléaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que chacun des volumes de gaz inclus dans les tubes o:bturateurs à gaz 18, 19 est en communication avec un réservoir à gaz 22, 23 par des tuyaux à gaz 20, 21. 4.- Installation nucléaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur 42 est disposé dans la cuve de réacteur 34. 5.- Installation nucléaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur comprend un serpen- tin 46 qui fait partie de son circuit secondaire et un tube vertical 42 dans lequel est disposé le serpentin, l'extrémité inférieure du tube s'ouvrant dans ladite chambre d'admission 35, tandis que le tube est muni à son extrémité supérieure d'au moins un orifice d'admission 47 qui est en communication avec ladite chambre d'échappement 36. 6.- Installation nucléaire selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'orifice d'admission 47 est en communication avec ladite chambre d'échappement 35 par l'intermédiaire d'une chambre de pompage 79, au moins une pompe de circulation 57 pompant de l'eau entre la chambre d'échappement 36 et la chambre de pompage 39. 7.- Installation nucléaire selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un tube obturateur à gaz inférieur 37 est raccordé à la partie inférieure de ladite chambre d'échappement 35 et un tube obturateur à gaz supérieur 78 est raccordé à la partie -supérieure de ladite chambre d'échappement. 8.- Installation nucléaire selon la revendication 7, caractérisée en ce que le bassin est construit avec un puits situé au-dessous du fond du bassin, puits dont la profondeur correspond à plus du quart de celle du bassin et dans lequel est placée la majeure partie du tube obturateur à gaz inférieur 37. 9.- Installation nucléaire selon la revendication 7, caractérisée en ce que le point le plus haut du tube obturateur à gaz supérieur 36 est situé nettement au-dessus du niveau d'eau N dans le bassin. 10.- Installation nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'en service normal, l'eau du bassin contient une substance absorbant les neutrons avec une concentration relativement forte, tandis que l'eau contenue dans la cuve de réacteur est relativement-pure en service normal ou contient une concentration nettement plus faible de cette substance.