Brevet FR2394870A1 — publié le 19790112

La présente invention est relative à un dispositif de protection thermique d'une structure interne d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par circulation d'un métal liquide, et concerne plus particulièrement un dispositif de ce genre adapte au refroidissement et à l'isolation thermique de la cuve principale d'un tel réacteur de conception intégrée. On sait que les réacteurs nucléaires à neutrons rapides mettant en oeuvre le concept "intégré", comportent de façon générale, montés à l'intérieur d'une enceinte de protection à parois repaisses, une cuve principale ouverte, à axe vertical, et dont la virole latérale cylindrique est suspendue sous une dalle horizontale fermant le caisson à sa partie supérieure. Cette cuve principale contient un volume approprié d'un métal liquide, habituellement du sodium, 'a ni-sea-l de celui-ci dans la cuve sous la dalle étant surmonté d'un matelas d'un gaz neutre, généralement de l'argon.Le coeur du réacteur, constitué par le groupement d'assemblages combustibles adjacents, repose sur un sommier de support, lui-mEme en appui sur le fond de la cuve principale par l'intermé- diaire d'un platelage métallique. Le coeur est entouré par une seconde cuve dite cuve primaire montée dans la cuve principale, le sodium liquide en circulation traversant le coeur selon le sens ascendant. Le sodium chaud ayant recueilli les calories dégagées par les assemblages du coeur, est collecté dans la cuve interne avant d'être dirigé vers des orifices d'entrée ménagés à la partie supérieure d'échangeurs de chaleur répartis autour du coeur et supportés par la dalle qu'ils traversent de façon étanche.Le sodium refroidi par passage dans ces échangeurs sort de ceux-ci par des orifices d'évacuation prévus à leur partie inférieure et se répand dans l'espace délimité entre la cuve principale et la cuve interne, sous un redan incliné solidaire de cette dernière et traversé par le corps des échangeurs, ce redan permettant ainsi de séparer le sodium chaud dans la cuve interne du sodium froid entre cette mEme cuve interne et la cuve principale. Le sodium froid est alors repris par des pompes, également réparties autour du coeur entre les échangeurs, ces pompes étant comme ces échangeurs supportées par la dalle supérieure et adaptées à renvoyer le sodium froid dans le sommier sous le coeur avec une pression suffisante pour permettre un nouveau passage à travers celui-ci et entretenir la circulation en continu dans la cuve principale. La solution ainsi décrite correspond par conséquent à l'integra- tion dans la cuve principale, non seulement de la cuve interne et du coeur, mais également des échangeurs et des pompes, le volume de sodium de refroidissement restant ainsi confiné dans la cuve principale elle-mhme. Dans une solution classique de ce genre, on a déjà prévu, en particulier par le brevet français nO 2.248.583 et la demande 75 36226 du 26 novembre 1975 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique, d'assurer le refroidissement permanent de la paroi interne de la cuve principale, notamment à la partie supérieure de sa virole cylindrique normalement en contact ou au voisinage de la masse de sodium chaud recueilli dans la cuve interne, au-dessus du redan transversal.A cet effet, on dispose contre la paroi de cette cuve principale une virole parallèle ou baffle délimitant un espace annulaire parcouru selon le sens ascendant par un débit de sodium froid prélevé dans la région délimitée entre la cuve principale et la cuve interne sous ce redan et de préférence dérivé dans le sommier à partir des fuites se produisant au pied des assemblages combustibles engagés dans des chandelles de support prévues dans ce sommier.Le débit de sodium froid remonte ainsi entre la cuve principale et le baffle jusqu 'à l'extremite ou bord supérieur de celui-ci puis s'écoule par dessus ce bord formant déversoir, soit directement à l'intérieur de la cuve interne, soit de préférence entre ce baffle et un contrebaffle parallèle, dans un second espace annulaire communiquant avec la région du sodium froid sous le redan. Le cas échéant, un dispositif à siphon peut etre aménagé entre la cuve principale, le baffle et le contre-baffle pour améliorer la circulation du débit de sodium dérivé et rendre le refroidissement de la cuve principale plus efficace. Or, si une telle structure est bien adaptée pour des réacteurs intégrés de puissance relativement moyenne, elle s' avère moins intéressante pour les futurs réacteurs de puissance plus élevée car elle nécessite, outre une certaine complication de la géométrie m"eme des cuves, des precautions particulières pour régler la pression gazeuse dans le siphon et conduit à des fluctuations du niveau du sodium de refroidissement le long de la paroi de la cuve principale selon les regimes de fonctionnement du réacteur.Enfin, si dans le cas le plus simple le débit de sodium se déverse librement par dessus le bord supérieur du baffle, continu ou échancré, dont le profil est étudié pour éviter au mieux un décollement de la nappe déversante en aval de ce bord, un autre inconvénient est à prendre en considération. Dans ce cas en effet, l'entralnement du gaz de couverture surmontant le niveau du sodium dans la cuve sous la dalle, même s'il peut être limite à une valeur réduite en cas de faible hauteur de chute, risque de devenir trop élevé dès que cette hauteur augmente ou que le débit de- vient plus important, la présence de bulles de gaz dans la masse liquide étant préjudiciable aux points de vue hydraulique, thermique et neutronique. Une dernière solution, qui découle de la précédente, consiste à fractionner le débit de la lame déversante par des goulottes ou analogues, dont la forme et la répartition sont adaptées en vue de maintenir un régime sensiblement laminaire afin de minimiser ' en trainement de gaz et la forma;*on de bulles. Toutefois, là encore, l'efficacité de la solution n'est pas totalement satisfaisante, le fractionnement du liquide dans les goulottes, qui sont en nombre relativement restreint, risquant de provoquer l'entrainement du gaz pour des régimes élevés de fonctionnement du réacteur. La présenteinvention a pour objet un perfectionnement aux dispositions rappelées ci-dessus, qui, dans le cadre d'une structure interne de réacteur nucléaire et plus particulièrement de la cuve principale associée dans sa surface interne à un baffle parallèle délimitant un espace de circulation d'un débit de métal liquide de refroidissement, permet de réduire la vitesse de chute de ce débit en aval du Bord supérieur libre de ce baffle jusqu'à sa restitution au niveau du métal liquide dans la cuve, sans savoir à recourir a des moyens discrets pour fractionner ce débit et sans utilisation d'aucun système dynamique ni d'aucun moyen de commande du genre d'un siphon à pression de gaz. A cet effet, le dispositif considéré, adapté à une structure comportant une paroi délimitant avec une virole parallèle, présentant à son extrémité supérieure un bord libre formant seuil de déversoir, un espace s'étendant verticalement et parcouru selon le sens ascendant par un débit dérivé de métal liquide prélevé à partir d'un volume principal de ce métrai liquide dans lequel plonge la partie inférieure de ladite paroi, se caractérise en ce que ladite virole comporte dans sa surface opposée audit espace, un empilement de toiles ou treillis métalliques, plaqué contre ladite surface de telle sorte que la lame déversante s'écoulant vers le bas en aval dudit seuil de déversoir, traverse ledit empilement avant autre restituée dans ledit volume principal de métal liquide. Dans un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, ladite structure est constituée par la paroi de la cuve principale du réacteur et est associée à un baffle et à un contrebaffle parallèles, l'empilement de toiles ou treillis métalli- ques étant appliqué contre la paroi du baffle dirigée vers le contre-baffle, le débit de métal liquide dérivé s'écoulant à trareT:s l'empilement étant renvoyé dans l'.-space compris entre la cuve principale et la cuve interne sous le redan transversal. Selon une caractéristique particulière du dispositif considéré, l'empilement de toiles ou treillis métalliques est constitué par des couches superposées de panneaux modulaires juxtaposés, tapissant la surface de la virole, ces panneaux présentant une épaisseur égale ou différente d'une couche à une autre. Le cas échéant, les couches sont séparées par des tales métalliques minces ou par un grillage d'épaisseur plus importante que les toiles ou treillis métalliques. Avantageusement, les panneaux de toiles ou treillis métalliques sont disposés en couches superposées dont les bords sont décalés latéralement d'un panneau à l'autre, de manière à réaliser un matelas continu par recouvrement des différentes couches permettant ainsi de couvrir totalement la surface de la virole sur l1épaisseur nécessaire à l'écoulement vertical du liquide dans le sens descendant et à vitesse réduite. Selon une autre caractéristique particulière, chaque panneau de la dernière couche de l'empilement à partir de la structure à protéger, comporte une plaque de couverture, paral lèle à la surface de la virole, apte à assurer une compression convenable de l'empilement contre cette surface grâce à au moins un goujon de serrage fixé à la virole, traversant l'empilement et coopérant avec un écrou vissé sur l'extrémité du goujon, en exerçant une pression déterminée sur la plaque de couverture. Selon une autre caractéristique également, le montage de l'empilement de toiles ou treillis métalliques est aménagé de telle sorte que son côté supérieur soit situé sous le bord de la virole formant seuil de déversoir, ce coté étant recouvert par un organe répartiteur du débit de la ame devzrsa.:-ce Selon le cas, l'organe répartiteur de débit est constitué par une grille perforée ou par un empilage de tissus ou tricots métalliques. D'autres caractéristiques d'un dispositif de protection thermique d'une structure de réacteur nucléaire, établi confor mément à l'invention, apparaitront encore à travers la description qui suit de plusieurs exemples de réalisation, donnés 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 de conception intégrée mettant en oeuvre le dispositif selon l'invention afin d'assurer la protection thermique de la paroi de sa cuve principale ; - la Fig. 2 est une vue en coupe à plus grande échelle d'un détail de la Fig. 1, illustrant de façon plus complète la structure du dispositif considéré ;; - la Fig. 3 est une vue en coupe à encore plus grande échelle du dispositif de protection selon l'invention - les Fig. 4 et 5 illustrent deux autres variantes du dispositif de la Fig. 3. Sur la Fig. 1, la référence 1 désigne l'ensemble du bloc pile d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides de conception intégrée, schématiquement représenté, ce réacteur comportant notamment un caisson de protection 2 à parois épaisses de béton, présentant une cavité interne 3 a l'intérieur de laquelle est logé le réacteur proprement dit, cette cavité étant fermée à sa partie superieure par une dalle horizontale 4 reposant contre un épaulement du caisson 2 par I1 intermédiaire de moyens d'ap pu: 5. A l'intérieur de la cavité 3, est disposée une première cuve 6, dite cuve principale, entourée d'une seconde cuve 7, à paroi parallèle, dite cuve de sécurité, les cuves 6 et 7 étant suspendues par leurs extrémités supérieures ouvertes sous la dalle de protection 4.La cuve principale 6 contient un volume 8 d'un métal liquide de refroidissement, habituellement du sodium, dont le niveau supérieur dans la cuve repéré en 9 est séparé de la face inférieure de la dalle 4 par un espace 10 rempli d'une couverture d'un gaz inerte, généralement de l'argon. I,s dalle he protection o comporte, d'une façon en ellememe connue, un système de bouchons tournants, schématiquement représentés en 11 et en 12, permettant d'accéder à l'intérieur de la cuve principale 2 et sous le niveau 9 du volume 8 au coeur 13 du réacteur, celui-ci immergé dans le sodium et formé par la juxtaposition d'une série d'assemblages combustibles non repré- sentés, reposant sur un sommier de support inférieur 14, lui-meme en appui par l'intermédiaire d'un platelage métallique 15 contre le fond de la cuve principale 6.Le coeur 13 est contenu à l'in térieur d'une troisième cuve 16, dite cuve interne, prolongée par un rouan transversal 17 et terminée par une virole cylindrique latérale 18, coaxiale à la paroi~latérale de la cuve principale 6 et s'étendant à faible distance de cette dernière. Selon une disposition également classique, relevant du concept integré adopté pour le réacteur considéré, la dalle de fermeture 4 supporte une série d'échangeurs de chaleur 19 et de pompes de-circulation 20, traversant cette dalle de façon étanche et pénétrant à l'intérieur de la cuve principale 6 sous le niveau 9, ces échangeurs et ces pompes, convenablement répartis autour du coeur, traversant le redan incliné 17 prolongeant la cuve interne 16. Chaque échangeur 19 comporte des fenêtres d'entrée 21 situées au-dessus du redan 17 et des fenêtres de sortie 22 situées sous ce même redan. Gracie à ces dispositions, le sodium chaud à la sortie du coeur 13, après avoir acquis dans celui-ci des calories au contact des assemblages combustibles, est recueilli dans. la région 23 délimitée à l'intérieur de la cuve interne 16 par le redan 17 et la virole 18 puis pénètre dans les échangeurs 19 par les fenêtres 21. Ce sodium, une fois refroidi, est restitué à la sortie des échangeurs par les fenêtres 22 dans la région 24 située sous ce redan 17, entre les cuves principale 6 et interne 16, Dans cette région 24, le sodium froid est repris par les pompes de circulation 20 qui le renvoient sous une pression convenable par des conduits de large section 25 dans le sommier 14, afin de subir un nouveau passage à travers le coeur pour revenir à nouveau dans la région 23. Selon une dispositior déjà' connue et notasmer. décrite et revendiquée dans les brevets du Commissariat à l'Energie Atomique précédemment rappelés, une partie du sodium froid refoulé dans le sommier sous le coeur par les pompes de circulation 20, s'échappe à travers ce sommier et le platelage 15 pour parcourir l'espace annulaire 26 délimité entre la paroi laté- raie de la cuve principale 6 et une virole coaxiale 27 formant baffle, ce débit dérivé de sodium permettant d'assurer en permanence le refroidissement convenable de la paroi de cette cuve. Un tel refroidissement est notamment nécessaire pour éviter le risque de création et de stagnation d'une couche de sodium plus chaude en contact avec la cuve principale, ce qui créerait, par suite des variations de température aux différents régimes de fonctionnement du réacteur, des problèmes de fatigue qui affaibliraient singulièrement la résistance mécanique de la cuve et contribueraient dans le temps à des dangers pour la sécurité de l'installation. Pour pallier cet inconvénient; on a donc déjà prévu d'assurer le refroidissement permanent de la paroi latérale de la cuve principale 6 par le débit de sodium froid derivé circulant selon le sens ascendant dans l'espace 26 entre la paroi de cette cuve et le baffle 27. En se référant à la Fig. 2, on voit maintenant plus en détail comment est aménagee conformément à l'invention, la partie supérieure du baffle 27 pour permettre au débit de sodium en circulation dans l'espace 26 de s'écouler par dessus le bord supérieur libre 28 de ce baffle 27 formant seuil de déversoir et de retourner dans la région 24 extérieure à la cuve interne 16 sans produire aucun entrainement du gaz de couverture de la région 10 et notamment sans créer au sein du sodium un entraînement de bulles préjudiciable. A cet effet on dispose selon l'invention, dans la surface du baffle 27 dirigée vers la virole 18 prolongeant le redan 17 de la cuve interne 16, un empilement 29 formé de toiles ou treillis métalliques, cet empilement étant adapté à recueillir la lame déversante passant par dessus l'extrémité ou bord supérieur 28 du baffle 27, en freinant convenablement son écoulement tout en permettant de restituer cet écoulement dans l'espace 30 entre le baffle 27 et la virole 18 communiquant avec la région 24. Avantageasem.tznt et selon une disposition déjà envisàgêe dans la demande 75 36226 précitée, le bord 28 peut être convenablement profilé en 28a (voir Fig. 3) pour faciliter l'écoulement de la lame déversante et la maintenir plaquée contre la paroi du baffle quel que soit le régime de fonctionnement du réacteur. La Fig. 3 illustre un premier mode de réalisation de 1' empilement 29 mis en oeuvre de la façon exposée ci-dessus. Dans cette première variante, l'empilement se présente sous l'aspect d'un matelas constitué par des couches superposées d'une série de panneaux modulaires juxtaposés 33 formés chacun de toiles ou treillis métalliques successifs 31. Les bords des panneaux 33 sont décalés d'une couche à la suivante de manière à ce que celle-ci recouvre les discontinuités de la couche qui la précède. On revêt ainsi la surface de la virole d'un matelas continu, de hauteur et d'épisseur constantes. La première et la dernière couches sont recouvertes, du côté extérieur à l'empilement, par des tôles métalliques minces d'étanchéité 34 se chevauchant partiellement dans le sens de l'écoulement à la manière des tuiles d'un toit,. afin d'empêcher toute fuite de la lame déversante en dehors de l'empilement. Les différents panneaux 33 peuvent être, soit empi -^s les uns sur les autres pour former un matelas continu, soi C séa- rés par des tôles métalliques intercalaires 32 qui se recouvrent partiellement ou par un grillage 32' d'épaisseur supérieure à celle des toiles ou treillis métalliques. Les panneaux 33 sont appliqués contre la surface du baffle 27 au moyen de plaques de couverture 35 en contact avec les panneaux 33 de la dernière couche de l'empilement. Ces plaques 35 ont une structure modulaire et les bords des plaques 35 de deux panneaux voisins sont séparés par un jeu. Selon les cas, on peut avoir une ou plusieurs plaques 35 sur chaque panneau 33 de la dernière couche. Les plaques 35 permettent de maintenir l'empilage des panneaux au moyen d'au moins un goujon 36 fixé par sa base 37 contre la surface du baffle et comportant à son extrémité opposée 38 convenablement filetée, un écrou de serrage 39 coopérant avec une rondelle d'appui 40. Avantageusement, les panneaux formes par empilement de toiles ou treillis métalliques du genre ci-dessus, peuvent être conformes à ceux décrits et revendiques dans les brevets français nO 2.241.849, nO 2.235.329, nO 2.235.461 et nO 2.283.518 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique, de tels panneaux jouant toutefois dans ces solutions antérieures un rôle totale ment différent > en étant adaptés à réaliser des structures calo- rifuges pour la protection thermique de la surface inférieure de la dalle horizontale fermant le caisson du réacteur ou de la cuve principale dans la région ou elle est reliée à cette dalle. Dans la présente invention, l'empilement 29 appliqué contre la paroi du baffle est essentiellement destiné à assurer un freinage du débit de sodium au cours de sa retombée ; il améliore en outre la protection thermique du circuit de refroidissement, notamment pour les cas de fonctionnement à faible débit. La nature mme de cet empilement parfaitement perméable au débit de sodium dérivé provenant du bord libre 28 du baffle, introduit en effet sur l'écoulement une résistance appropriée, produisant une perte de charge suffisante pour freiner l'ac célération de la pesanteur et maintenir la vitesse d'écoulement en-dessous du seuil d'entraSnement du gaz inerte de la région 10. A la base de l'empilement 29, le débit de sodium ainsi freiné revient directement dans l'espace entre le baffle 27 et la virole 18. Dans chacune des couches formées par les panneaux calorifuges, les toiles ou treillis métalliques peuvent présenter une même épaisseur ou des épaisseurs différentes, le nombre de toiles pouvant par ailleurs être variable d'une couche à l'autre en fonction des caractéristiques de ces toiles. Celles ci sont avantageusement agrafées ensemble. Le nombre des goujons de fixation peut être determ ne afin de les répartir convenablement dans la paroi du baffle 27 pour assurer, selon les dimensions du baffle et des plaques de couverture et selon I'épaisseur de l'empilement, une fixation sèvre de ce dernier. Les Fig. 4 et 5 illustrent deux autres variantes du dispositif de protection appliqué contre la partie supérieure du baffle afin de ralentir l'écoulement du débit dérivé passant par dessus son bord libre. Dans l'exemple représenté sur la Fig. 4, le côté supérieur de l'empilement 29 recevant le débit de sodium déversé comporte un organe répartiteur 41 permettant d' égaliser convenablement le débit de la lame déversante à travers toute l'épaisseur de J.a structure, cet organe E1 étant constitué par une grille perforée Dans l'autre variante, illustrée sur la Fig. 5, l'organe répartiteur de débit est constitué par un empilage de tissus 42 ou tricots métalliques, disposé dans le sens horizontal, perpendiculairement aux plans d'empilement des panneaux 33. Dans tous les cas, l'épaisseur et la densité des différentes couches constituées par les panneaux appliqués contre le baffle, sont calculées pour que l'écoulement du sodium se produise sans engorgement au régime maximal de puissance du réacteur. De plus, la possibilité de réaliser au incentage une légère compression de l'empilement par I'inter- média ire des goujons de fixation contre le baffle, autorise de multiples combinaisons dans le choix des éléments constitutifs de cet empilement et les plus larges possibilités d'adaptation. REVENDICATTONS 1. Dispositif de protection thermique d'une structure de réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide, ladite struc- ture comportant une paroi délimitant avec une virole parallèle présentant à son extrémité supérieure un bord libre formant seuil de déversoir, un espace s'étendant verticalement et parcouru selon le sens ascendant par un débit dérivé de metal liguide prélevé à partir d'un volume principal de ce métal liquide dans lequel plonge la partie inférieure de ladite paroi, caractérisé en ce que ladite virole comporte dans sa surface opposee audit espace, un empilement de toiles ou treillis métalliques, plaqué contre ladite surface de telle sorte que la lame déversante s'écoulant vers le bas en aval dudit seuil de déversoir, traverse ledit empilement avant d'être restituée dans ledit volume principal de metal liquide. 2. Dispositif de protection thermique selon la revendrca- tion 1, caractérisé en ce que l'empilement de toiles ou treillis métalliques est constitué par des couches superposées d'une série de panneaux modulaires juxtaposés tapissant la surface de la virole, ces panneaux présentant une épaisseur égale ou différente d'une couche à une autre. 3. Dispositif de protection thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les bords des panneaux des couches sL-perno.sees sont décalés latéralement d'une couche à l'atltre, de manière à réaliser un recouvrement de ces bords par les couches successives de panneaux réalisant un matelas continu.de hauteur et d'epaisseur constantes sur la surface de la virole. 4. Dispositif de protection thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les panneaux de la première et de la dernière couches sont recouverts, du côté extérieur à l'empile- ment, par des tles métalliques minces.d'étanchéité se chevauchant partiellement afin d'empêcher toute fuite de la lame déversante en dehors de l'empilement. 5. Dispositif de protection thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les panneaux des couches intermédiaires sont séparés par des tôles métalliques minces ou par un grillage d'épaisseur plus importante que les toiles ou treillis métalliques. 6. Dispositif de protection thermique selon la revendica tion 2, caractérisé en ce que chaque panneau de la dernière cou che de l'empilement comporte au moins une plaque de couverture, parallèle à la surface de la virole, apte à assurer une compression convenable de 1'empilement contre cette surface grâce à au moins un goujon de serrage fixé à la virole, traversant l'empilement et coopérant avec un écrou vissé sur l'extrémité du goujon, en exerçant une pression déterminée sur la plaque de couverture. 7. Dispositif de-protection thermique selon les revendications 4 et 6, caractérisé en ce que les plaques de couverture sont à structure modulaire, les bords desdites plaques de deux panneaux voisins étant séparés par un jeu. 8. Dispositif de protection thermique selon llune quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le montage de l'empilement de toiles ou treillis métalliques est aménagé de telle sorte que son côté supérieur soit situé sous le bord de la virole formant seuil de déversoir, ce côté étant recouvert par un organe répartiteur du débit de la lame déversante. 9. Dispositif de protection thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'organe répartiteur de débit est constitué par une grille perforée cru par un empilage de tissus ou tricots métalliques disposés perpendiculairement à la direction du susdit empilement de toiles ou treillis métalliques, 10. Dispositif de protection thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite structure est constituée par la paroi interne de la cuve principale du réacteur, ladite virole étant un baffle parallèle à ladite paroi.