Brevet FR2306508A1 — publié le 19761029

La présente invention concerne les systèmes de réacteurs nucléaires et, plus particulièrement, les systèmes dans lesquels le coeur du réacteur nucléaire et les générateurs de vapeur associés sont enfermés dans la même cuve sous pression, et autres semblables. Les réacteurs nucléaires produisent de l'énergie par le procédé de fission, dans lequel des matériaux fissiles, non seulement, absorbent des neutrons et se fractionnent en noyaux d'autres éléments, mais produisent aussi des neutrons supplémentaires et dégagent de l'énergie sous forme de chaleur. Habituellement, les matièresfissiles, dont le type est l'isotope d'uranium U235 sont concentrés dans un "coeur" de réacteur à l'intérieur d'une cuve pressurisée, robuste. On pompe de l'eau sous pression à travers le coeur pour éliminer la chaleur qui est produite par le processus de fission. Cette eau préssurisée ou réfrigérant primaire s 'écoule ensuite en dehors de la cuve sous pression et passe dans un ou plusieurs échancheurs de températures.A l'intérieur de ces échangeurs, le réfrigérant primaire sous pression s 'écoule ordinairement, depuis une chambre d'admission, ou "collecteur", par un faisceau de tubes vers un collecteur de sortie avant d' être ramené dans la cuve sous pression et le coeur du réacteur. la chaleur est transférée, du réfrigérant primaire sous pression qui circule dans les tubes, à travers les parois des tubes, à un réfrigérant secondaire qui est introduit du côté "enveloppe" de l'échangeur de températures. Dans la centrale nucléaire habituelle, on utilise de l'eau comme second réfrigérant et on laisse cette eau se transformer en vapeur surchauffée à l'intérieur de l'échangeur de chaleur. La vapeur surchauffée s'écoule alors,,depuis l'échangeur de chaleur jusqu'aux turbines qui produisent de l'énergie électrique. Cet emploi d'un second réfrigérant offre un certain nombre d'avantages importants, dont le plus marquant est, peut-être de constituer une barrière contre les contaminants radioactifs qui peuvent fuir dans le réfrigérant primaire. Dans un certain nombre d'applications, il est cependant indésirable d'avoir une séparation mécanique entre l'échangeur de chaleur et la cuve sous pression du réacteur. I1 est classique que l'emploi de cuves distinctes, pour le noyau du réacteur et 1' échangeur de chaleur provoque occasionnellement desdifficultés lors du transport des composants sur le site d'installation et des complications lors du montage sur place. Si le système de réacteur est en outre étudié pour une application particulière dont les exigences de volume et de poids sont rigides et critiques -par exemple, dans le cas d'une centrale de propulsion de bateau- l'emploi relativement prodigue de volume que ces cuves séparées impose est tout à fait inefficace et inacceptable. Pour réaliser un système nucléaire à vapeur plus compact, on a proposé de fabriquer des cuves sous pression un peu plus grandes qui entoureraient et supporteraient non seulement le coeur du réacteur, mais aussi l'échangeur de chaleur. Ces propositions suggèrent, habituellement, de placer le coeur du réacteur au centre de la cuve sous pression afin de former un espace cylindrique annulaire, creux entre la paroi interne de la cuve sous pression et la surface extérieure du coeur. L'échangeur de chaleur, placé dans cet espace annulaire est, ou bien une structure cylindrique creuse de collecteurs et de tubes de raccordement, ou bien un réseau cylindrique creux de modules, chaque module ayant ses collecteurs et tubes respectifs.Les échangeurs de chaleur proposés, qu'ils soient modulaires ou annulaires, sont étudiés pour contenir le réfrigérant secondaire du côté des tubes et pour produire de la vapeur à l'intérieur de ces tubes, alors que l'eau sous pression est cantonnée du côté enveloppe de 1' échangeur de chaleur. Bien que la réduction envisagée du volume occupé par ces systèmes de réacteurs compacts puisse être notable, les propositions présentent néanmoins un certain nombre de difficultés pratiques. En particulier, les conduites ou buses, nécessaires à l'intérieur de la cuve sous pression pour faire circuler le second réfrigérant en direction ou en provenance des modules de l'échangeur de températures sont complexes et occupent un grand volume à l'intérieur de la cuve sous pression. Les faisceaux de tubes, à l'intérieur des modules peuvent aussi être soumis à des vibrations induites parce que la vapeur est produite à l'intérieur de ces tubes. Outre cet aspect, il y a d' autres phénomènes qui pourraient être de nature génante.A cet égard, l'entretien des buses d'arrivée d'eau, le raccordement des tubes, la structure supportant le générateur de vapeur, les appareils de mesure, la surveillance, et l'inspection en service sont tous des domaines dans lesquels on peut envisager des difficultés. Il existe donc une demande pour un système de réacteurs nucléaires qui évite ou du moins allège ces problèmes. Les difficultés précédentes de même que d'autres difficultés qui ont caractérisé l'art antérieur, sont résolues, dans une large mesure, par la mise en pratique de la présente invention. Plus particuliérement, une réalisation de cette invention comprend un coeur de réacteur, placé à l'intérieur d'une cuve sous pression pour laisser un espace creux, de forme d'ensemble cylindrique, entre la surface extérieure du coeur et la paroi intérieure de la cuve sous pression. On place un ou plusieurs échangeurs de chaleur à l'intérieur de ce volume. hais suivant l'invention, le réfrigérant primaire qui est pompé depuis le noyau du coeur s' écoule directement dans le coté des tubes de l'échangeur de températures.La vapeur est formée à partir du réfrigérant secondaire, du coté enveloppe de l'échangeur de chaleur et s'écoule en dehors de l'échangeur de chaleur et de la cuve sous pression vers les turbines ou autres appareils semblables. Cette disposition spéciale, selon laquelle l'ébullition se produit du côté enveloppe d'un générateur de vapeur qui est installé à l'intérieur d'une cuve sous pression, oblige à employer une enveloppe résistante à la pression à l'intérieur de la cuve sous pression, afin de supporter la pression de la vapeur qui est formée dans le réfrigérant secondaire. Cette structure inhabituelle de cuve sous pression -â l'intérieur d'une autre cuve sous pression- qui illustre une caractéristique marquante de l'invention, offre un certain nombre d' avantages importants. Par exemple, le réfrigérant primaire s 'écoule directement depuis la pompe de circulation jusque dans les tubes de l'échangeur de chaleur, et de ces tubes jusque dans le coeur du réacteur. I1 n'y a plus besoin des collecteurs classiques d'entrée et de sortie qui sont en général associés aux échangeurs de chaleur des réacteurs. En outre, l'invention résout le problème des buses d'admission et de sortie du réfrigérant secondaire qui sont encombrantes et complexes, à l'intérieur de la cuve sous pression. I1 semble aussi que les pertes de pression du réfrigérant primaire soient réduites et que le montage et l'installation du générateur de vapeur modulaire, à l'intérieur de la cuve sous pression, soient simplifiés. On obtient aussi une réduction notable de la hauteur de la cuve sous pression, en éliminant cette tuyauterie de réfrigérant secondaire. Comme l'ébullition du réfri gérant secondaire se produit du côté enveloppe de l'échangeur de chaleur, on élimine ainsi une source importante des vibrations des tubes. Les différents caractères de nouveauté qui marquent l'invention sont précisés, ci-après. Pour mieux comprendre l'invention, ses avantages d'utilisation et les objets spécifiquement accomplis par sa mise en oeuvre, on se reportera à la description qui va suivre d'une réalisation préférée de l'invention, en référence à la figure unique du dessin annexé. Cette unique figure représente en élévation frontale une section complète d'un système de réacteur qui réalise les principes de l'invention. Comme le montre le dessin, un coeur de réacteur nucléaire 10 est placé au centre de la moitié inférieure d'une cuve sous pression 11, de forme cylindrique dans l'ensemble. Le coeur 10 est supporté à l'intérieur de la cuve sous pression 11, par un bâti 12, qui comprend une plaque transversale 13, de distribution des écoulements. Bien que le dessin ne le montre pas, la plaque 13 est perforée pour assurer à l'eau sous pression ou autre réfrigérant primaire qui circule vers le coeur du réacteur, dans la direction de la flèche 14, une répartition uniforme dans tout le coeur du réacteur, 10, afin d'éviter ainsi les "points chauds" ou autres anomalies de températures qui risquent de s'établir dans le coeur du réacteur, si le réfrigérant primaire manque en certains endroits. Le coeur du réacteur 10 est enfermé dans un bouclier pour coeur dans l'ensemble cylindrique, qui forme, avec la paroi intérieure 16 de la cuve sous pression 11, un passage creux, cylindrique 17, dans lequel circule le réfrigérant primaire dans la direction indiquée par la flèche 14. Une gaine cylindrique verticale 20 est placée au-dessus et dans l'alignement du noyau 15 pour former un conduit supérieur qui canalisera, l'eau chaude sous pression, sortant du coeur du réacteur, dans la direction de la flèche 21, afin de ménager un passage pour les barres de contrôle qui réglent le fonctionnement du réacteur, et de faciliter le démontage et le remplacement des éléments combustibles qui constituent le coeur du réacteur 10. Une structure de tube 22 de guidage d'une barre de contrôle est ainsi représentée à titre d'illustration sur le dessin. l'eau chaude cus pression qui sort du coeur du réacteur 10 est entrarnée à travers l'espace supérieur sous p ession et arrive dans une cavité hémisphérique 23 qui est formée par le couvercle 24 de la cuve sous pression. Le couvercle 24 est assemblée au sommet ouvert de la cuve sous pression 11 par une bride boulonnée 25. Des entrées 26 sont aussi formées, dans le couvercle 24, pour recevoir la structure des barres de contrôle et une ou plusieurs pompes de circulation du réfrigérant primaire 27. Comme l'indique le dessin, la pompe 27 comprend un moteur 30 qui est couplé par un arbre placé dans un boitier d'arbre 31 à une roue 32. Le boitier d'arbre 31 est installé dans une entrée 26 du couvercle et généralement aligné avec un logement vertical cylindrique de roue 33. Au moins une ouverture d'entrée, 34 est prévue dans la surface cylindrique du boitier de roue pour permettre à l'eau pressurisée de la cuve 11, qui circule dans la direction de la flèche 21 de pénétrer vers l'intérieur de la roue 32. La surface cylindrique intérieure du boitier de roue 33 se situe dans l'ensemble dans l'étendue des extrémités de la roue. La roue 32 envoie l'eau sous pression, dans la direction verticale descendante contre un réseau vertical de pales d'écoulement 35, vers un conduit de sortie 36.La partie inférieure du conduit de sortie 36 se termine sur la surface horizontale d'une bride annulaire 37. Une ouverture verticale 40 est formée dans la bride 37, dans l'alignement général du conduit de sortie de la pompe 36. I1 faut encore remarquer que la bride annulaire 37 est généralement orientée suivant la section horizontale ou transversale du passage 17 qui a été formé entre le bouclier 15 du coeur et la paroi intérieure 16 de la cuve sous pression 11. L'eau sous pression, circulant depuis la pompe due circulation sort dans la direction verticale descendante, dans une chambre 41, ménagée entre la bride annulaire 37 et une plaque tubulaire 42 qui est placée au-dessous de la bride 37. Comme l'indique le dessin, la plaque tubulaire 42 est en acier épais afin de recevoir les extrémités supérieures d'un réseau de tubes 43 formant l'échangeur de chaleur, qui est en position verticale cette plaque doit en outre supporter la pression de la vapeur qu'il s'agit de produire dans l'échangeur de chaleur 44 dont fait artie la plaque tubulaire. La structure de l'échangeur de chaleur 44 forme essentiellement une cuve sous pression à 1' intérieur de la cuve sous pression 11.Le reste de l'échangeur de chaleur comprend une enveloppe verticale, cylindrique creuse en acier épais 45 radialement placée en retrait vers l'extérieur, par rapport à l'enveloppe 20 qui canalise le réfrigérant primaire vers la pompe 27. L'enveloppe forme une enceinte verticale, résistant à la pression, pour l'échangeur de température 44, assemblée par joint étanche à la périphérie circulaire intérieure de la plaque tubulaire 42 et à la périphérie circulaire intérieure 46 d'une plaque tubulaire annulaire inférieure, 47. La plaque tubulaire 47 a essentiellement la même forme et la même épaisseur que la plaque tubulaire 42. Les pourtours circulaires des plaques tubulaires 42, 47, placés vers l'extérieur sont soudés, ou fixés d'une autre façon à la paroi intérieure 16 de la cuve sous pression afin de former un joint étanche et résistant à la pression pour le réfrigérant secondaire qui se trouve à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 44. Une plaque de répartition des écoulements, placée verticalement, ou déflecteur 50 est fixée dans l'échangeur de chaleur 44. Le déflecteur 50 est amené à la surface intérieure et supérieure de la plaque inférieure tubulaire 47,à une certaine distance de la paroi intérieure 16 de la cuve sous pression ll.Le déflecteur n'est pas aussi haut que la dimension verticale de l'échangeur de chaleur 44,mais se termine à une faible distance au-dessous de la surface inférieure, transversale de la plaque tubulaire 42, afin de ménager un espace 51 entre le bord supérieur du déflecteur 50 et la surface inférieure de la plaque tubulaire 42. L'espace entre le déflecteur 50 et la paroi intérieure 16 de la cuve de pression 11 est séparé par un bourrelet de soudure ou bande 52, en une partie supérieure de sortie de la vapeur 53 et une section inférieure 54 d'entrée de l'eau d'admission. La partie inférieure du déflecteur 50 présente des perforations ou autres passages convenables (non-représentés sur le dessin) qui permettent au réfrigérant secondaire constitué par l'eau d'admission de circuler en contact avec la batterie de tubes de l'échangeur de températures 44 et par conséquent d'absorber la chaleur venant de l'eau sous pression qui circule à l'intérieur des tubes 43. Le réfrigérant secondaire,chauffé dans l'échangeur de chaleur 44, se transforme en vapeur sous pression et circule par l'espace 51 vers la section de sortie de vapeur 53. Une buse de sortie de vapeur 55 dépasse de la paroi 11 de la cuve sous pression afin d'assurer la communication de la va peur qui s'accumule dans la section de sortie de vapeur 53 avec les équipements générateurs qui se trouvent à l'extérieur de la cuve sous pression 11. I1 est classique que la buse de sortie 55 comprenne une canalisation centrale 56, placée dans un raccord de forme générale tronconique 57 qui sert de transition entre le conduit de sortie de vapeur 56 et la paroi de la cuve sous pression 11. Un anneau rentrant 60 est formé dans le raccord 57, entre la portion terminale du conduit de vapeur 56 et la base du raccord de forme générale tronconique 57 qui fait partie de la paroi de la cuve sous pression, au voisinage du conduit de vapeur 56. Une buse d'admission de l'eau servant de réfrigérant secondaire 61, traverse la paroi de la cuve sous pression 11 juste audessous, mais pas nécessairement dans l'alignement, de la buse de sortie de vapeur 55. La buse d'arrivée d'eau 61 a essentiellement la même structure mécanique que la buse de sortie de vapeur, mais elle a des dimensions sensiblement plus faibles parce que le volume de l'eau d'admission est sensiblement inférieur au volume correspondant de la vapeur de sortie. En fonctionnement, la roue 32 de la pompe de circulation du réfrigérant primaire 27 entrasse l'eau constituant le réfrigérant primaire dans l'ouverture d'entrée 34 de la pompe et force cette eau par l'ouverture verticale 40 de la bride annulaire 37 jusque dans la chambre 41. Le réfrigérant primaire chaud de la chambre 41 circule alors, par les tubes 43, dans l'échangeur de chaleur 44. Le réfrigérant primaire chaud transfère une grande partie de la chaleur à un réfrigérant secondaire qui se trouve du cEté enveloppe de l'échangeur de chaleur 44.Le réfrigérant secondaire a été a & s dans l'échangeur de chaleur 44 par la buse d'arrivée de l'eau d'admission 61, ce qui permet au réfrigérant secondaire à l'état liquide de s'écouler contre la partie inférieure du déflecteur 50 avant de circuler autour de la partie inférieure des tubes 43. La chaleur du réfrigérant primaire se trouvant à l'intérieur des tubes 43, qui a été absorbée par le réfrigérant secondaire, dans l'échangeur de chaleur, permet au réfrigérant secondaire de se transformer en vapeur surchauffée qui s'écoule, depuis le côté enveloppe du faisceau de tubes, par l'espace 51, entre le bord supérieur du déflecteur 50 et la surface inférieure de la plaque supérieure 42 tubes, jusque dans la section de scrtie de la vapeur, 53, de sortie de l'échangeur de chaleur 44, par la buse de sortie de vapeur 55 et de se diriger vers les turbines ou autres générateurs (non-représentés) se trouvant dans la centrale. Le réfrigérant primaire, qui a transféré beaucoup de sa chaleur/%frigérant secondaire, à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 44, s'écoule en dehors des tubes 43 qui sont fixés à la plaque inférieure tubulaire 47, et par le passage 17. Le réfrigérant primaire refroidi inverse sa direction d'écoulement d'un angle de 1800 environ, suivant la flèche 14 pour monter par la plaque de distribution des écoulements 13 et arriver dans le coeur du réacteur nucléaire 10. A l'intérieur du coeur 10, le réfrigérant primaire est à nouveau chauffé et s'écoule dans la direction ascendante, en dehors du coeur 10, dans la direction de la flèche 21 afin de passer dans la cavité hémisphérique 23. Le réfrigérant primaire chaud, de la cavité 23, est admis dans la pompe 27 en vue d'une nouvelle circulation dans le réacteur de la même manière que ci-dessus. On a naturellement prévu des dispositifs d'admission d'un complément de réfrigérant primaire dans le circuit pour compenser les pertes éventuelles ainsi que des moyens de maintenir le réfrigérant primaire sous pression à l'état liquide, et de vérifier la concentration de l'eau du réfrigérant primaire en contaminants chimiques et en contaminants radioactifs. Bien que l'on ait décrit un échangeur de chaleur 44 constitué d'un seul appareil cylindrique creux, on pourra aussi construire un échangeur de chaleur différent, par exemple, sous la forme d'un réseau de modules individuels, ayant chacun leur buse d'entrée d'eau et leur buse de sortie de vapeur et cela sans sortir de la portée de 1' invention. A cet égard, on peut encore installer un certain nombre de pompes pour faire circuler le réfrigérant primaire dans le système, au lieu de n'utiliser que la pompe 27 comme on l'a indiqué ci-dessus pour la réalisation particulière de l'invention, que l'on a considéree ici. I1 est entendu, au demeurant, que les disposition décrites et représentées pourront se prêter ou donner lieu à d'autres modifications, ainsi qu'à des variantes, sans sortir, pour autant, du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de réacteur nucléaire caractérisé par la combinaison suivante - une cuve sous pression, de forme d'ensemble cylindrique, - un coeur de réacteur nucléaire, placé au centre de la cuve sous pression de façon à ménager un espace annulaire entre la cuve sous pression et le coeur du réacteur, - un échangeur de chaleur, à l'intérieur d'une cuve sous pression, monté dans l'espace annulaire afin de produire de la vapeur dans l'échangeur, - une pluralité de tubes situés dans la cuve sous pression de l'échangeur de chaleur et ayant chacun un passage intérieur qui communique avec l'espace annulaire, - une buse d'arrivée d'eau qui traverse la cuve sous pression de forme d'ensemble cylindrique et établit une communica tion pour fluide, avec le volume existant entre la cuve sous pression de l'échangeur de chaleur et les surfaces extérieures des tubes, et - une buse de sortie de vapeur permettant à la vapeur de sortie de la cuve sous pression de l'échangeur de chaleur, 2. Système de réacteur nucléaire, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend aussi une pompe qui communique avec l'espace annulaire et les passages intérieurs des tubes pour y faire circuler du fluide.