Brevet FR2326767A1 — publié le 19770429

La présente invention, due aux travaux de Monsieur Marcel MONTEIL avec la collaboration de Messieurs Jean FORESTIER et Bernard LEBLANC du Commissariat å L'énergie Atomique et de Monsieur Pierre MONTEIL de l'Electricité de France, est relative à un procédé permettant de réaliser dans les conditions les plus favorables, la surchauffe de la vapeur dans le circuit d'une centrale nucléaire et concerne également une installation nucléaire mettant en oeuvre ce procédé ainsi que les configurations des circuits résultant de cette mise en oeuvre. De façon connue, les centrales électronucléaires, de préférence quoique non exclusivement du genre appartenant a la filière a eau légère, sont aménagées pour produire de la vapeur à température, pression et débit donnés. Celle-ci, après détente dans le corps haute pression d'une turbine, est pour partie séchée puis surchauffée, avant de subir une nouvelle détente dans le corps basse pression de cette même turbine. Cette vapeur provient, soit directement de la cuve du réacteur nucléaire, notamment dans le cas des réacteurs dits a eau bouillante, soit de générateurs de vapeur dans le cas des réacteurs dits à eau pressurisée, ces générateurs de vapeur pouvant être, dans le second cas, soit du type à ébullition libre, soit du type à passage direct (once-through). Dans les solutions habituelles, l'alimentation du surchauffeur en fluide chauffant est réalisée par un prélèvement d'une partie de la vapeur en amont du corps haute pression de la turbine, ce qui limite le débit disponible sur cette dernière et le rendement de l'installation. La présente invention vise à améliorer le fonctionnement de telles centrales grâce a une meilleure utilisation de la vapeur produite et à un rendement supérieur. A cet effet, le procédé considéré consiste à assurer la surchauffe de la vapeur entre le corps haute pression et le corps basse pression d'une turbine en utilisant comme fluide chauffant de l'eau sous pression à la température de vaporisation, directement prélevée dans le débit de l'eau de recirculation ou de circulation du réacteur ou de générateurs de vapeur. Dans le cas d'un réacteur à eau bouillante, l'eau assurant la surchauffe de la vapeur dans les conditions précitées est avantageusement prélevée dans la cuve du réacteur directement et à un niveau convenable dans l'eau de recirculation. Dans un réacteur à eau sous pression, l'eau assurant la surchauffe de la vapeur est prélevée dans un générateur de vapeur à ébullition libre chauffé par 1 'eau primaire sous pression provenant du réacteur, dans la zone périphérique du retour d'eau de recirculation et à un niveau approprié. En variante, avec un générateur de vapeur du type once-through, comportant successivement un économiseur, un vaporiseur et un surchauffeur, l'eau est directement prélevée dans le générateur, à l'entrée du vaporiseur. Dans tous les cas, les dispositions de l'invention, qui consistent ainsi pour assurer la surchauffe de la vapeur partiellement détendue dans le corps haute pression de la turbine et avant injection dans le corps basse pression de cette dernière, à utiliser de l'eau à température convenable et non plus de la vapeur, permettent d'obtenir un gain non négligeable sur la puissance disponible à la turbine, en évitant les pertes dues, dans les solutions habituelles, à l'utilisation médiocre de la vapeur prélevée dans le circuit, en amont du corps haute pression de la turbine. D'autres avantages et caractéristiques des dispositions envisagées par la présente invention apparaîtront également à travers la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels la Fig. 1 est un schéma représentant le circuit de vapeur secondaire d'un réacteur nucléaire du type à eau pressurisée, utilisant un générateur de vapeur à ébullition libre, ledit circuit mettant en oeuvre les caractéristiques de l'invention, - la Fig. 2 est une courbe, donnant pour l'exemple de réalisation selon la Fig. 1, l'évolution du débit de circulation en fonction de la sous-saturation dans le générateur de vapeur, les Fig. 3 et 4 illustrent d'autres schémas, relatifs à des installations nucléaires mettant en oeuvre les caractéristiques de l'invention, respectivement avec un réacteur à eau pressurisée utilisant un générateur de vapeur du type oncethrough, et dans le cas d'un réacteur à eau bouillante. Sur la Fig. 1, on a ainsi représenté le circuit de production et d'utilisation de la vapeur fournie par un réacteur nucléaire du type à eau sous pression. Sur cette figure, la référence 1 désigne le coeur du réacteur, l'eau primaire sous pression à haute température sortant de ce coeur étant acheminée par une conduite 2 vers un collecteur d'entrée 3 d'un générateur de vapeur classique, du type a ébullition libre. Ce générateur comporte à l'intérieur d'une enveloppe externe 4 et d'une chemise coaxiale interne 4', une série de tubes en épingles à cheveux 5, faisant communiquer le collecteur d'entrée 3 de l'eau primaire avec un collecteur de sortie 6 d'où cette eau est renvoyée par une pompe de circulation 7 dans la cuve du réacteur, au moyen d'une conduite de retour 8.Le générateur est alimenté par un débit d'eau secondaire qui, descendant entre l'enveloppe 4 et la chemise 4' coaxiale à celle-ci, entrain l'eau non vaporisée dans cet appareil, depuis son niveau supérieur vers le bas où elle pénètre dans le faisceau des tubes 5 par un espace ménagé entre la base de la cheminée 4' et la plaque inférieure 9 du générateur, supportant les tubes 5.La vapeur produite par échange de calories entre l'eau primaire et l'eau secondaire est alors séparée des particules dweau entrainees puis séchée à la partie supérieure du générateur dans des dispositifs séparateurs et sécheurs 10 et 10' d'un type connu, de sorte que la vapeur Pratiquement sèche produite puisse être enfin acheminée à la sortie du générateur de vapeur au moyen d'une conduite Il vers le corps haute pression 12 d'une turbine. Après détente dans le corps 12 de cette turbine, la majeure partie de la vapeur est acheminée par une conduite 13 vers un sécheur-surchauffeur 14 dont le rôle sera explicité plus loin. A la sortie de cet appareil, la vapeur surchauffée est amenée par une conduite 15 vers le corps basse pression 16 de la turbine où elle se détend à nouveau pour etre finalement recueillie dans un condenseur (non représenté). L'eau condensée est alors renvoyée par une conduite 17 à travers un certain nombre de réchauffeurs tels que 18, 19 et 20 et au moyen de pompes d'extraction 21 et dlalimentation 22, vers le générateur de vapeur à une température de l'ordre de 220 à 2300C ou plus. Conformément à l'invention, le sécheur-surchauffeur 14 monté entre le corps haute pression 12 et le corps basse pression 16 de la turbine est alimenté par de l'eau sous pression, directement prélevée dans l'enveloppe 4 du générateur de vapeur, dans un tore (non représenté), disposé entre l'enveloppe 4 et la chemise 4', cette eau étant recueillie par une conduite 23 sous ie niveau supérieur de l'eau secondaire dans le générateur. L'eau sous pression ainsi prélevée, traverse les tubes 24 de la partie surchauffeur de l'appareil 14 puis est récupérée à l'aide d'une pompe 25 dans une conduite 26 venant se raccorder à la conduite de retour 17 de l'eau d'alimentation retournant au générateur. L'eau acheminée par la conduite 23 vers le surchauffeur 14 à la température de vaporisation dans le générateur de vapeur, correspondant en particulier à la pression de service de ce générateur, cède ses calories à la vapeur entre la température de saturation et une température au moins égale à la température de l'eau d'alimentation retournant au générateur. L'utilisation de ces dispositions permet, toutes choses égales par ailleurs, une amélioration des performancas de l'installation de l'ordre de 1 % au moins, le gain de puissance étant presque totalement récupéré sur la partie haute pression de la turbine. En effet, à l'inverse des dispositions classiques, la totalité de la vapeur provenant du générateur de vapeur est utilise dans le corps haute pression sans qu'une fraction de ce débit ne soit préalablement- prélevée en amont pour l'alimentation du surchauffeur. Un autre avantage essentiel des dispositions de l'invention résulte du fait que, par suite du prélèvement d'eau effectué dans le générateur de vapeur et de son retour apure traversée du surchauffeur, le débit d'eau de recirculation dans le générateur est considérablement augmenté, ce qui permet d'améliorer sensiblement les échanges thermiques entre l'eau primaire et l'eau secondaire et par suite d'augmenter la pression de vaporisation. Pour une puissance et des caractéristiques thermodynamiques du réacteur inchangées, on peut avant a geusement augmenter ainsi la pression de vaporisation de 10 bars au moins, en même temps que la température de l'eau alimentaire, le taux de recirculation dans le générateur étant lui-même augmenté d'environ 60 %.Pour une même valeur de la sous-saturation, correspondant à une différence de température de l'ordre de 200C entre la partie inférieure et la partie où apparaît la vaporisation, le gain de puissance totale est ainsi amené à une valeur de l'ordre de 4 %, le débit d'eau prélevé étant légèrement supérieur à la moitié du débit de vapeur. A noter au'un gain complémentaire est également possible, en améliorant encore le taux de recirculation, grâce à une diminution de 10 % à 20 % par exemple, de la valeur de la sous-saturation. La courbe illustrée sur la Fig. 2 donne à propos d'un exempie particulier d'une ligne de détente de turbine et d'une pression de vaporisation de 70 bars, les valeurs des débits de circulation en fonction de la soussaturation. Comme il résulte de ce qui précède, on voit que le fonctionnement du générateur de vapeur est dans ces conditions considérablement amélioré, grâce notamment à l'augmentation du débit et corrélativement de la vitesse de l'eau secondaire dans le générateur. Sa stabilité est également particulièrement améliorée, l'augmentation du taux de recirculation permettant de faire disparaître les écoulements parasites qui constituent un des inconvénients gênants de ce type de générateur. Cette augmentation des vitesses est également un élément favorable pour s'opposer aux effets nocifs de certains phénomènes de corrosion. Enfin, le circuit d'eau peut être utilisé comme circuit de refroidissement a l'arrêt et/ou comme circuit de secours du générateur de vapeur. De plus, ce circuit permet d'écrêter les chocs thermiques sur le générateur en cas de fonctionnements accidentels.A noter que la circulation de l'eau dans le surchauffeur ne nécessite que des aménagements relativement limités, ce qui constitue encore une circonstance favorable. Enfin, la puissance des pompes peut être limitée, compte tenu des faibles pertes de charge de l'eau à la traversée du surchauffeur, de l'ordre de 500 kW pour une puissance globale de la centrale de l'ordre de 1000 MW électriques. La Fig. 3 illustre une autre variante d'une installation mettant en oeuvre un réacteur nucléaire à eau pressurisée utilisant un générateur de vapeur du type once-through. Sur cette figure, on a repris les chiffres de référence identiques à ceux de la Fig. 1 pour désigner des organes sémblables de l'une à l'autre. Comme on le voit sur ce schéma, le générateur désigné par la référence 31, comporte, depuis sa partie inférieure jusqu'à sa partie supérieure, une première section 32 économiseur, une seconde section 33 vaporiseur où la vaporisation de l'eau d'alimentation du circuit secondaire est produite, une section surchauffeur 34 et un collecteur de sortie 35 pour la vapeur surchauffée. Dans ce cas, l'eau primaire sous pression provenant du coeur du réacteur est amenée par la conduite d'alimentation 2 à la partie supérieure du générateur, de manière à circuler à contre-courant de l'eau d'alimentation secondaire, la conduite 8 récupérant l'eau primaire à la sortie du générateur pour la renvoyer vers le coeur 1.Dans cette variante de réalisation et conformément aux dispositions de l'invention, le sécheur-surchauffeur 14, monté entre le corps haute pression 12 et le corps basse pression 16 de la turbine, est alimenté par une fraction de l'eau du circuit secondaire du générateur de vapeur 31, prélevée dans un tore annulaire (non représenté), situé au niveau correspondant au début de la section vaporiseur 33 où commence la vaporisation de l'eau dans l'appareil. Le gain de puissance est dans ce cas et toutes choses égales par ailleurs, au moins de l'ordre de 2 %, grâce à la meilleure réversibilité du cycle eau-vapeur. L'augmentation de la pression et de la température d'entrée autorisée de façon concomittante, permet toutefois de porter ce gain à 4 %. En outre, et comme dans le précédent exemple, l'adoption des dispositions ci-dessus permet d'améliorer considérablement la stabilité du générateur de vapeur. Elle autorise en effet des pressions de vaporisation pouvant atteindre 70 bars ou plus, avec un circuit primaire dont les températures extrêmes sont de 290 et 3250C environ. Ces dispositions permettent également de relever corrélativement la pression de fonctionnement du surchauffeur aux environs de 13 bars. Enfin, le circuit d'eau peut être utilisé comme circuit de refroidissement à l'arrêt ou de secours du générateur de vapeur. La Fig. 4 illustre enfin une autre variante de mise en oeuvre des dispositions de l'invention, plus spécialement adaptée au cas d'un réacteur nucléaire du type à eau bouil-lante. Dans ce cas, la cuve du réacteur, schématiquement représentée par la référence 37, comporte un niveau d'eau interne, repéré en 38. A la partie supérieure de la cuve est monté un ensemble séparateur-sécheur 39-40 de façon telle que la vapeur produite, pratiquement sèche, sortant de la cuve par la conduite 11, vienne alimenter le corps--haute pression 12 de la turbine. Dans cette variante, l'eau acheminée vers le surchauffeur 14 situé entre les corps haute pression 12 et basse pression 16 de la turbine, est prélevée par une conduite 41 déhouchant sous le niveau 38 de l'eau dans la cuve 37, en dérivation sur les boucles de recirculation 42 du réacteur lui-même.A noter ici que le prélèvement de l'eau à un niveau supérieur dans l'en- ceinte du réacteur est rendu possible et constitue même un facteur favorable du point de vue de la surjeté, puisque le phénomène de cavitation dans les pompes de recirculation 43 montées sur ces boucles 42 n'est plus à craindre, du fait que l'on refroidit l'eau de ces boucles par l'eau de retour du surchauffeur 14 revenant au réacteur par la conduite 26. En effet, la pompe de recirculation 25 est ici utilisée en permanence pour la réinjection dans le coeur de l'eau refroidie revenant du surchauffeur 14. Lorsque l'on est.près d'atteindre la pleine puissance, une vanne de réglage 44 permet le fonctionnement simultané des circuits des conduits 41 et 42, en harmonisant les pressions à l'amont de la pompe 43. Dans cette variante de mise en oeuvre et si le taux de recirculation n'est pas modifié, le gain de puissance est de l'ordre de 1 %. Toutefois, un gain supplémentaire de l'ordre de 1 % est également possible si l'on conserve la puissance des pompes de recirculation. Enfin, on peut aussi augmenter la puissance de la turbine, notamment dans le corps basse pression 16 de celle-ci, en consentant la dérivation d'un débit d'eau supplémentaire vers le surchauffeur. De même, le circuit d'eau surchauffé peut être partiellement utilisé pour assurer le refroidissement du réacteur à l'arrêt par connexion avec le circuit d'eau alimentaire à travers un échangeur et une pompe (non représentés). Dans le cas de réacteur du type à eau bouillante ne comportant pas de boucles de recirculation externes à la cuve, de -l'eau de refroidissement du coeur, le prélèvement de l'eau de surchauffe est effectué comme précédemment, le retour s'effectuant à l'aide d'une pompe particulière par le circuit d'eau alimentaire. Partie de l'ensemble de ce circuit peut être utilistiepour le refroidissement du réacteur à l'arrêt. Bien entendu, et comme il résulte de ce qui précède, il va de soi que l'invention ne se limite nullement aux exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés cidessus ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Notamment, les dispositions de l'invention pourraient également s'appliquer dans le cas de centrales modérées a l'eau lourde, associées à des générateurs de vapeur à ébullition libre du genre de ceux préconisés dans le schéma selon la Fig. 1. Egalement, ces dispositions pourraient trouver une application dans le cadre de centrales à uranium naturel et à refroidissement par un gaz sous pression, avec des groupes de production d'énergie utilisant de la vapeur saturée. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser la surchauffe de la vapeur dans- un circuit de centrale nucléaire, comportant une turbine avec un corps haute pression et un corps basse pression, caractérisé en ce qu'il consiste a assurer la surchauffe de la vapeur entre le corps haute pression et le corps basse pression de la turbine en utilisant comme fluide chauffant de l'eau sous pression à la température de vaporisation, directement prélevée dans le débit de l'eau de recirculation ou de circulation du réacteur ou de générateurs de vapeur. 2. Procédé selon la revendication 1, adapté à un réacteur à eau pressurisée, caractérisé en ce que l'on prélève l'e-au assurant la surchauffe de la vapeur dans un générateur de vapeur à ébullition libre chauffé par l'eau primaire sous pression provenant du réacteur, dans la zone périphérique du retour d'eau de recirculation à un niveau approprié. 3. Procédé selon la revendication 1, adapté à un réacteur à eau pressurisée utilisant un générateur de vapeur du type once-through comportant successivement un économiseur, un vaporiseur et un surchauffeur, caractérisé en ce que l'on prélève l'eau assurant la surchauffe à l'entrée du vaporiseur. 4. Procédé selon la revendication 1, adapté à un réacteur à eau bouillante, caractérisé en ce que l'on prélève l'eau dans la cuve du réacteur directement et à un niveau convenable dans l'eau de recirculation. 5. Installation nucléaire pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par au moins une conduite de prélèvement d'eau assurant la surchauffe de la vapeur dans un surchauffeur avant retour au circuit du réacteur ou d'un générateur de vapeur.