Brevet FR2346816A1 — publié le 19771028

La pressente invention, due aux travaux de . JeatibSre BEDCLLES et Patrick JOGAND, est relative a un réacteur nucléaire a neutrons rapides, comportant notamment, a l'intérieur d'une cuve principale métallique a axe vertical, suspendue par sa partie supérieure ouverte a une dalle de protection épaisse fermant un caisson entourant cette cuve, un volume d'un métal liquide de refroidissement, habituellement du sodium, et, disposee également dans cette cuve principale, une cuve interne a paroi cylindrique contenant le coeur du réacteur immergé sous le niveau du métal- liquide, cette cuve interne pouvant etre soit placée en appui sur un sommier de support porté par la cuve principale, soit suspendue a la dalle du rEacteur. Dans une disposition classique de ce genre, le métal liquide chaud sortant du coeur du réacteur après avoir acquis à la traversée de celui-ci au contact des assemblages combustibles des calories dues a la réaction de fission dans ces assemblages, parvient au-dessus du coeur dans la cuve interne. Dans l'espace intermédiaire, ménagé entre cette cuve interne et la cuve principale, sont répartis des échangeurs et des pompes de circulation, ces échangeurs étant alimentés par le métal liquide chaud provenant de la cuve interne de façon à le renvoyer une fois refroidi à la sortie de ces échangeurs dans l'espace intermédiaire où les pompes de circulation aspirent -ce métal licui refroidi pour le refouler par des conduites de large section sous le sommier, avec une-pression suffisante pour permettre une nouvelle traversée de bas en haut du coeur et établir ainsi une circulation continue du métal liquide entre les deux cuves Dans une solution de ce genre, la liaison entre la cuve interne et les échangeurs disposés entre la cuve principale et la cuve interne, s'effectue par l'intermédiaire de manchettes ou autres moyens analogues, piqués latéralement sur la cuve interne et raccordés a des enceintes cylindriques entourant des ouïes d'entrée ménagées a la partie supérieure de chacun des échangeurs. Cette disposition présente différents avantages, consistant notamment en une réduction du volume du métal liquide chaud, juste limité a la région de la cuve interne située au-dessus du coeur, en une construction plus simple de cette cuve qu'avec les solutions à redan latéral et enfin dans la suppression de circuits de refroidissement annexes a associer à la paroi interne de la cuve principale, la totalité du métal liquide contenu dans cette dernière étant du métal refroidi provenant de la sortie des échangeurs.Toutefois, cette solution exige de disposer d'un nombre élevé de couronnes concentriques de tubes de circulation dans chaque échangeur pour assurer une répartition convenable du débit ; en outre, les manchettes de raccordement entre la cuve interne et les enceintes cylindriques entourant les échangeurs doivent entre associées à des moyens évitant que le métal liquide chaud ne rejoigne directement l'espace compris entre les deux cuves sans traverser les échangeurs, ce qui présente certaines difficultés de réalisation, en raison des dilatations des pièces métalliques par suite des différences des températures. La présente invention est relative à un réacteur nucléaire à neutrons rapides, mettant en oeuvre une disposition différente pour les échangeurs de chaleur montés entre la cuve principale et la cuve interne cylindrique, cette disposition ayant notamment pour but d'assurer une meilleure distribution du métal liquide chaud à l'entrée de ces échangeurs et un meilleur isolement thermique entre le métal liquide chaud et le métal liquide froid recueilli dans l'espace séparant la cuve principale-de la cuve interne.L'invention vise également à permettre une notable simplification dans la réalisation des manchettes de raccordement entre les échangeurs et la cuve interne A cet effet, l'invention concerne un réacteur nucléaire du genre rappelé ci-dessus, caractérisé en ce que chaque échangeur présente une forme annulaire délimitée par une enveloppe interne et une enveloppe externe parallèles entre elles, l'en veloppe interne entourant un conduit central d'alimentation à axe vertical raccordé à la cuve interne, l'échangeur comportant une pluralité de tubes d'échange verticaux, baignés extérieurement par le métal liquide traversant l'échangeur et disposés en couronnes concentriques entre les deux enveloppes, ces tubes débouchant dans deux plaques à tubes d'extrémité, délimitant avec les deux enveloppes de l'échangeur deux collecteurs, respectivement d'entrée et de sortie pour un fluide d'échange intermédiaire, recueillant les calories acquises par le métal liquide à la traversée du coeur, l'espace annulaire entre les deux enveloppes communiquant à sa partie supérieure avec un épanouissement du conduit central par une première fenêtre circulaire ménagée dans l'enveloppe interne et à son extrémité inférieure avec la région comprise entre la cuve interne et la cuve principale par une seconde fenêtre circulaire, ménagée dans l'enveloppe externe. Selon une caractéristique particulière, le -collecteur inférieur d'alimentation des tubes d'échange est réuni à une pluralité de conduits d'amenée du fluide d'echange, répartis à la periphérie de l'enveloppe externe de l'échangeur. Selon une autre caractéristique, le conduit central d'alimentation comporte deux éléments tubulaires s'embottant avec jeu l'un dans l'autre, l'un de ces éléments étant relié à un prolongement coudé prévu à l'extrdmstE inférieure du conduit axial et réuni à la cuve interne par un orifice ménagé dans la paroi latérale de cette cuve et l'autre élément à la fenêtre menagee dans l'enveloppe interne de l'échangeur, le jeu entre ces deux éléments étant rempli d 'un volume de métal liquide stagnant, surmonté d'un matelas d'un gaz neutre, emprisonné entre le conduit axial et l'enveloppe interne. Dans un mode dê réalisation préféré de l'invention, afin notamment d'augmenter la hauteur des tubes de l'échangeur, le prolongement coudé du conduit central se raccorde à la cuve interne dans la partie inférieure de cette cuve, celle-ci ménageant entre sa surface interne et le coeur du réacteur un espace annulaire, où le métal liquide chaud sortant du coeur redescend avant d'être recueilli par ce prolongement coudé et amené à l'échangeur. Dans une variante de réalisation particulière, le prolongement coudé du conduit central est entouré par un fourreau, délimitant un espace de recirculation alimenté par les fuites de métal liquide recueillies à la base de la cuve interne, cet espace de recirculation étant en communication avec 1' extrémité supérieure du conduit central dans le jeu ménagé entre les deux éléments constituant ce conduit. D'autres caractéristiques et avantages d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides établi conformément à l'invention, apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, comportant notamment une série d'échangeurs de chaleur et une cuve interne cylindrique agencés conformément à l'invention, la Fig. 2 est une vue de détail en coupe à plus grande échelle de l'échangeur et de la cuve interne, illustrant plus spécialement le mode de raccordement de ces deux organes, - la Fig. 3 est une vue en coupe d'une variante de réalisation. Sur la Fig. 1, la référence 1 désigne un réacteur nucléaire à neutrons rapides, d'un type général en lui-meme connu et dont les éléments essentiels sont bien entendu schématiquement représentés. Ce réacteur comporte notamment une cuve métallique 2, dite cuve principale, à paroi cylindrique et à fond inférieur sensiblement hémisphérique, la partie supérieure 3 de cette cuve servant à suspendre celle-ci sous une dalle 4 de fermeture et de protection d'épaisseur convenable. Cette dalle 4 comporte un rebord périphérique 5, assurant son support ainsi que celui de la cuve sur l'épaule- ment 6 d'un caisson 7, généralement en béton, entourant la cuve et assurant la protection de l'environnement extérieur. La cuve principale 2 est doublée par une seconde cuve 8, à parois parallèles, dite cuve de sécurité, également suspendue sous la dalle 4. La cuve 2 contient un volume suffisant 9 d'un milieu liquide destiné au refroidissement du réacteur, habituellement un métal liquide et plus particulièrement du sodium. La dalle 4, fermant à leur partie supérieure les cuves 2 et 8, comporte une série de trous de passage 10, permettant à des éléments de structure nécessaires au fonctionnement du réacteur, de traverser cette dalle de façon étanche en étant par ailleurs suspendus sous cette dernière, de façon a plonger à l'intérieur de la cuve 2 dans le volume 9 de métal liquide. Ces éléments de structure sont notamment constitués par des pompes 11 et des échangeurs 12, convenablement répartis autour de l'axe vertical de la cuve 2, avec habituellement les échangeurs séparés par des pompes et vice-versa.La dalle 4 comporte également dans sa partie centrale un ensemble 13 de plusieurs bouchons tournants, permettant à un organe de manutention et de contrôle 14, schématiquement représenté sur la Fig. 1, de venir se positionner au-dessus du coeur 15 du réacteur, pour contrôler le fonctionnement de ce dernier et assurer dans celui-ci les manutentions nécessaires des assemblages combustibles. Le coeur 15 repose de façon usuelle sur un sommier de support 16, raccordé à sa partie périphérique à une cuve cylindrique 17, dite cuve interne, montée par conséquent à l'intérieur de la cuve 2 et séparant dans cette dernière le volume 9 de métal liquide en deux parties.Cette cuve 17 sert en particulier à recueillir le métal liquide chaud sortant du coeur à sa partie supérieure et ayant acquis à la traversée de celui-ci de bas en haut les calories dégagées par la fission nucléaire dans les assemblages combustibles du coeur (non représentés). Par opposition, l'espace intermédiaire 18, ménagé entre la cuve interne 17 et la cuve principale 2 contient le métrai liquide refroidi, sortant en particulier des échangeurs 12 eux-mEmes alimentés par le métal liquide chaud de la cuve 17. Le métal liquide refroidi est ensuite repris par les pompes de circulation il dans l'espace 18, pour être renvoyé à la sortie de ces pompes par des conduits de forte section 19, sous le sommier 16 pour un nouveau passage à travers le coeur 15.Des flèches 20 schématisent sur le dessin le sens de circulation du métal liquide. La Fig. 2 illustre plus particulièrement la réalisation particulière adoptée, conformément à l'invention, pour chacun des échangeurs de l'installation. L'échangeur représenté sur cette figure, comporte notamment un conduit central d'alimentation 21 à axe vertical, prolongé à sa partie inférieure par une partie coudée 22, raccordée par un orifice 23 dans la paroi latérale de la cuve interne 17, la position de cet orifice 23 étant choisie dans la partie inférieure de la paroi de la cuve 17, de manière à ne pas limiter la hauteur de l'échangeur et par conséquent la longueur des tubes d'échange qu'il comporte. Cette disposition exige notamment de ménager entre le coeur 15 et la paroi interne de la cuve 17, un espace convenable permettant au métal liquide chaud sortant du coeur de descendre, selon les flèches 20, le long de cette paroi pour atteindre l'orifice 23 et le conduit 21. Le conduit 21 est constitué dans sa partie qui pénètre dans l'échangeur 12 au moyen de deux éléments tubulaires, res pectivement 24 et 25, s'emboîtant l'un dans l'autre, l'éliment externe 24 prolongeant le conduit coudé inférieur 22, tandis que le conduit interne 25 est monté dans le premier, en ménageant entre eux un espace annulaire 26, lequel est rempli de métal liquide stagnant, surmonté par un matelas d'un gaz neutre 27 emprisonné entre la partie supérieure du conduit 21 et l'enveloppe interne 28 de l'échangeur 12. Cette enveloppe interne 28 est associée à une enveloppe externe 29, coaxiale à la première et au conduit d'alimentation central 21.Le prolongement supérieur de l'élément tubulaire 25 du conduit 21 est raccordé à l'enveloppe interne 28 par un épahouissement 30, au droit d'une fenêtre circulaire 31 permettant au métal liquide amené dans l'échangeur par le conduit central 21 de pénétrer dans l'espace 32 délimité entre les enveloppes 28 et 29. Ce métal liquide circule ainsi de haut en bas dans l'espace annulaire 32 et sort de celui-ci par une seconde fenêtre 33, ménagée à la base de l'enveloppe externe 29.Dans l'espace 32 ainsi délimité par les enveloppes 28 et 29, sont répartis des tubes d'échange verticaux 34, disposés selon une série de couronnes concentriques, ces tubes 34 étant réunis à leurs extrémités basse et haute à deux plaques à tubes, respectivement-35 et 36, délimitant des collecteurs 37 et 38 pour l'admission et la sortie d'un fluide d'échange, recueillant les calories transportées par le métal liquide provenant de la cuve interne pour les restituer à l'extérieur du réacteur à un générateur de vapeur (non représenté). Ce fluide d'échan- ge qui est généralement aussi un métal liquide, de préférence de même nature que celui qui circule à l'intérieur des cuves du réacteur, est amené au collecteur d'entrée 37 par des tubes 39, régulièrement répartis à la périphérie de l'échangeur, au voisinage de l'enveloppe externe 29. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la Fig. 2, la paroi interne de la cuve 17 est doublée, dans sa région di rivée vers le coeur, par un baffle de protection 40, l'espace compris entre la cuve 17 et ce baffle étant rempli de métal liquide stagnant séparant le métal liquide chaud dans la cuve du métal liquide froid dans l'espace 18, et protégeant ainsi la paroi de la cuve 17 vis-a-vis des variations brutales de température qui peuvent se produire, notamment en cas d'arrêt d'urgence du réacteur. Dans une autre variante, illustrée sur la Fig. 3, espace compris entre la cuve 17 et le baffle 40 est parcouru par une circulation de métal liquide. A cet effet, cet espace est raccordé sous le sommier 16 supportant le coeur pour recueillir les fuites provenant des pieds des assemblages combustibles (non représentés).A cet effet, le conduit coudé 22 est entouré par un fourreau 41, délimitant un conduit annulaire 42 rempli de métal liquide stagnant tandis qu'un courant ascendant de métal liquide circule selon le sens des flèches en pointillé 43, en refroidissant la paroi interne de la cuve 17 avant d' tre rejeté, une fois parvenu a la partie superieure de cette cuve 17, dans l'espace 18 au moyen de perforations 44 disposées tout autour de la paroi. On réalise ainsi un réacteur nucléaire à neutrons rapides, qui combine à l'utilisation d'une cuve interne cylindrique de construction très simple, dont les avantages bien connus résultent d'une réduction du volume de métal liquide chaud sortant du coeur et de la suppression d'un circuit de refroidissement de la cuve principale, celle d'un échangeur de type annulaire, assurant une meilleure distribution des vitesses du métal liquide et une simplification des moyens de raccordements nécessaires avec la cuve interne. Les dispositions de l'invention permettent notamment de faciliter les opérations d'intervention éventuelles sur les échangeurs ou la cuve interne, en assurant par ailleurs une meilleure isolation entre ces échangeurs et l'espace entre cuve principale et cuve interne recueillant le métal liquide froid à la sortie de ces échangeurs. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit et représenté ci-dessus ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire à neutrons rapides comportant à l'intérieur d'une cuve principale métallique à axe vertical, suspendue-par sa partie supérieure ouverte a une dalle de protection épaisse fermant un caisson entourant cette cuve, un volume d'un métal liquide de refroidissement et, disposée également dans cette cuve principale, une cuve interne à paroi cylindrique contenant le coeur du réacteur immergé sous le niveau du métal liquide, l'espace intermédiaire entre la cuve principale et la cuve interne comportant des échangeurs et des pompes plongeant sous le niveau du métal liquide, caractérisé en ce que chaque échangeur présente une forme annulaire délimitée par une enveloppe interne et une enveloppe externe parallèles entre elles, l'enveloppe interne entourant un conduit central d'alimentation à axe vertical raccordé à la cuve interne, l'échangeur comportant une pluralité de tubes d'échange verticaux, baignés extérieurement par le métal liquide traversant l'échangeur et disposés en couronnes concentriques entre les deux enveloppes, ces tubes débouchant dans deux plaques à tubes d'extrémité, délimitant avec les deux enveloppes de l'échangeur deux collecteurs, respectivement d'entrée et de sortie pour un fluide d'échange intermédiaire, recueillant les calories acquises par le métal liquide à la traversée du coeur, l'espace annulaire entre les deux enveloppes communiquant à sa partie supérieure avec un épanouissement du conduit central par une première entre circulaire ménagée dans l'enveloppe interne et à son extrémité inférieure avec la région comprise entre la cuve interne et la cuve principale par une seconde fenêtre circulaire, ménagée dans l'enveloppe externe. 2. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, carac térisé en ce que le collecteur inférieur d'alimentation des tubes d'échange est réuni à une pluralité de conduits d'amenée du fluide d'échange, répartis à la périphérie de l'enveloppe externe de l'échangeur. 3. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, carac térisé en ce que le conduit central d'alimentation comporte deux éléments tubulaires s'embottant avec jeu l'un dans l'autre, l'un de ces éléments étant relié a un prolongement coudé prévu à l'extrémité inférieure du conduit axial et réuni a la cuve interne par un orifice ménagé dans la paroi latérale de cette cuve, et l'autre élément a la fenêtre ménagée dans l'enveloppe interne de l'échangeur, le jeu entre ces deux éléments étant rempli d'un volume de métal liquide stagnant, surmonté d'un matelas d'un gaz neutre, emprisonné entre le conduit axial et l'enveloppe interne. 4. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prolongement coudé du conduit central se raccorde a la cuve interne au voisinage de I'extrémité infe- rieure de cette cuve, celle-ci ménageant entre sa surface interne et le coeur du réacteur un espace annulaire, où le métal liquide chaud sortant du coeur redescend avant d'être recueilli par ce prolongement coudé et amené a l'échangeur. 5. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le prolongement coudé du conduit central est entouré par un fourreau, délimitant un espace de recirculation alimenté par les fuites de métal liquide recueillies a la base de la cuve interne, cet espace de recirculation étant en communication avec l'extrémité supérieure du conduit central dans le jeu ménagé entre les deux éléments constituant ce conduit.