Brevet FR2462000A1 — publié le 19810206

L'invention concerne un fond porteur, constitué d'un grand nombre de blocs de graphite disposés en colonnes verti- cales, pour le coeur d'un réacteur nucléaire refroidi au gaz, le coeur étant formé d'éléments combustibles sphériques chargés en vrac sur le fond porteur et étant entouré d'un réflecteur latéral cylindrique et d'un bouclier thermique disposé à distance de ce réflecteur, les colonnes du fond porteur présentant des passages longitudinaux pour le gaz de refroidissement et prenant appui sur les couches de fond du réacteur. On connaît, par la demande de brevet DE-OS 1 956 226 de la République Fédérale d'Allemagne, un réacteur nuclé- aire refroidi au gaz dont le coeur est constitué d'une structure de blocs de graphite disposés en colonnes verticales. Le coeur s'appuie sur le fond de la cuve du réacteur par l'intermédiaire de plusieurs couches de matériau réfractaire, de graphite par exemple, et chaque colonne du coeur est portée par une colonne d'appui qui lui est propre. Les colonnes d'appui sont constituées chacune de plusieurs blocs de graphite empilés les uns sur les autres. Le gaz de refroi- dissement peut accéder au coeur par des canaux ménagés dans les blocs de graphite des couches porteuses et communiquant avec des canaux de gaz dans le coeur ainsi qu'avec un volume de gaz à l'exté- rieur du coeur. L'ensemble de la structure à colonnes d'appui est entouré tout autour par des blocs de rembourrage placés entre cette structure et le revêtement de la cuve du réacteur. La demande de brevet DE-OS 1 261 606 de la Répu- blique Fédérale d'Allemagne décrit un réacteur nucléaire comportant un réflecteur placé entre le bouclier thermique et le coeur du réacteur et constitué d'un réflecteur latéral entourant un espace cylindrique et d'un réflecteur inférieur servant de fond porteur. Le réflecteur inférieur est formé de deux couches de blocs de gra- phite quadrangulaires (vus en plan), dont la direction longitudi- nale dans une couche diffère de la direction longitudinale dans l'autre couche. Dans chacune des deux couches, les blocs, disposés autour d'une ouverture centrale, sont maintenus ensemble et ver- rouillés entre eux par des coins. Le réflecteur latéral, constitué de blocs de graphite empilés par couches les uns sur les autres, s'appuie sur toute sa hauteur au bouclier thermique par un certain nombre d'éléments de construction élastiques agissant dans le sens radial. A l'état de la technique appartient en outre un fond porteur pour un réacteur dont la zone active est constituée de boules, fond qui est formé d'une couche porteuse perméable au gaz de boules d'un matériau super-réfractaire et d'une structure de soutien desti- née à supporter le poids de la couche porteuse de boules et le poids des boules de combustible, lesquelles sont déversées directement sur la couche porteuse. Une couche de carreaux super-réfractaires est prévue entre la structure de soutien et la couche porteuse de boules. Dansun autre réacteur à "tas de boules", le réacteur THTR-300 MWe, le fond porteur sur lequel sont chargées les boules de combustible est constitué d'un grand nombre de blocs de graphite hexagonaux (vus en plan), qui sont disposés en colonnes librement mobiles et sont pourvus de passages axiaux pour le gaz de refroi- dissement. Les colonnes formées par les blocs de graphite sont sup- portées chacune par une colonne ronde (circulaire en section droite) qui est encastrée dans le fond formé de plaques de graphite. Une réduction effectuée sur les blocs de graphite hexagonaux par rapport à leurs dimensions nominales crée des fentes de dilatation, les- quelles permettent une dilatation thermique libre à l'intérieur du fond porteur, sans dépassement de ses dimensions globales. Sous certaines conditions de service instables ou en cas de panne, ces fentes peuvent s'additionner et donner naissance à des fentes relati- vement grandes. Cependant, compte-tenu des dimensions du réacteur THTR300 MWe, les efforts de rappel nécessaires à la fermeture de telles fentes n'ont qu'une importance secondaire. Un dispositif de support pour un réacteur à tas de boules de plus grande puissance est connu par la demande de brevet DE-OS 27 18 493 de la République Fédérale d'Allemagne. Ce dispositif de support se compose de plusieurs couches superposées de blocs de graphite prismatiques, qui sont constituées sous forme d'une unité compacte sans fentes de dilatation, les blocs d'une couche étant en outre imbriqués avec les blocs des couches voisines. Les blocs de graphite, de préférence hexagonaux, possèdent une autre largeur (cote sur plats) dans les couches supérieures que dans la couche inférieure, laquelle est formée d'un certain nombre d'unités por- teuses. Chacune de ces unités s'appuie par sa partie centrale sur une colonne ronde et est réalisée par l'assemblage de plusieurs segments porteurs. Ce dispositif de support se présente sous forme d'une plaque stable et rigide. Des forces de rappel ne sont pas nécessaires en raison de l'imbrication des blocs prismatiques. Ce dispositif connu implique cependant des mesures particulières contre les déformations qui se produisent dans les couches de fond du réacteur nucléaire et plus précisément dans le fond de sa cuve. L'invention part de l'état de la technique rappelé ci-dessus et vise à créer un fond porteur du type indiqué au début pour un réacteur nucléaire à éléments combustibles sphériques dans lequel il n'y ait pas de forcements ou de tensions thermiques im- portantes par suite de gradients de température radiaux et qui puisse s'adapter sans contraintes aux déformations du fond de la cuve du réacteur. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les colonnes verticales, dépourvues de fentes de dilatation, sont placées directement les unes à côté des autres comme des colonnes individuelles indépendantes et sont maintenues ensemble dans le sens horizontal par des éléments de rappel disposés dans l'inter- valle annulaire entre la partie inférieure du réflecteur latéral et le bouclier thermique. Le fond porteur selon l'invention remplit toutes les fonctions qui lui sont attribuées: il transmet vers le bas les forces verticales résultant de la charge d'éléments combustibles et transmet les forces horizontales au bouclier thermique par les éléments de rappel et il remplit en plus les fonctions de blindage et d'amenée du gaz chaud du coeur du réacteur à l'espace collecteur de gaz chaud. Comme l'invention décompose le fond porteur en un grand nombre de colonnes individuelles indépendantes, des dilata- tions thermiques différentes des colonnes ne sont pas entravées Des champs de température stationnaires et non stationnaires ne conduisent donc pas à des forcements ou à d'importantes tensions thermiques. Le fond porteur selon l'invention est insensible aux tolérances de fabrication et d'installation et s'adapte sans con- traintes aux déformations du fond de la cuve du réacteur. La vibration des colonnes du fond porteur est pratiquement exclue puisque le fond porteur d'un réacteur à tas de boules possède habituellement une surface inclinée (le fond du réacteur doit présenter au moins un conduit d'évacuation de boules, comprenant une entrée conique à la surface du fond, en vue du déchargement des éléments combustibles sphériques) et parce que les colonnes sont maintenues ensemble par les éléments de rappel. Les colonnes du fond porteur selon l'invention possèdent de préférence une forme hexagonale en plan. Les colonnes sont juxtaposées de façon si dense qu'elles se touchent entre elles (lorsqu'on ne tient pas compte de fentes résultant de la fabrica- tion). Il est avantageux de prévoir, pour chaque colonne hexagonale, une colonne ronde, par laquelle la première s'appuie sur les couches de fond du réacteur nucléaire. Les colonnes rondes (de section hori- zontale circulaire) possèdent avantageusement un diamètre qui est plus petit que la largeur (cote entre plats) des colonnes hexago- nales. L'espace libre ainsi formé autour des colonnes rondes cons- titue l'espace collecteur de gaz chaud du réacteur. Les colonnes rondes, agissant à la façon de piliers pendulaires pour les colon- nes hexagonales, peuvent être encastrées dans les couches de fond du réacteur. Dans le cas de réacteurs nucléaires de-grande puis- sance, dont le coeur possède par conséquent des dimensions impor- tantes, les éléments de rappel sont avantageusement des appuis élastiques (à ressort). De tels appuis compriment les colonnes verticales dans le sens radial pour qu'il n'y ait plus de fentes entre les colonnes verticales, ou seulement des fentes suffisat- ment petites. Les appuis élastiques sont de préférence conçus de manière que même les fentes formées entre les colonnes verticales au bout d'un temps de service prolongé ou à la suite d'un fonction- nement instable du réacteur nucléaire restent inférieures à une grandeur maximale prédéterminée. Les forces horizontales produites par la charge d'éléments combustibles doivent en outre être trans- mises de façon sûre au bouclier thermique et le fond porteur et ce bouclier doivent pouvoir se dilater thermiquement de manières différentes. Dans le cas de réacteurs de plus faible puissance, les éléments de rappel peuvent être des boulons d'appui, lesquels sont à disposer avec jeu entre le fond porteur et le bouclier ther- mique. Les dilatations thermiques différentes dans le sens radial du fond porteur et du bouclier sont dans ce cas rendues possible par la prévision sur les boulons d'appui d'un jeu correspondant à la différence de dilatation maximale possible entre ces deux éléments. Lorsqu'un fond porteur selon l'invention est utilisé dans un réacteur nucléaire dont la réactivité est influencée par des boules absorbantes dont le diamètre est nettement plus petit que le diamètre des éléments combustibles sphériques, on utilise comme éléments de rappel - quelle que soit la taille du coeur - des appuis élastiques dont les forces de rappel sont avantageusement fixées de manière que, même à la fin du temps de service du réacteur nucléaire, la grandeur des fentes quise formententre les colonnes verticales reste inférieure au diamètre des boules absorbantes. Les fentes sont non seulement la conséquence de la charge thermique pendant un temps de service prolongé, elles se forment également dans certaines conditions de service; elles dépen- dent donc du fonctionnement et de la température. Les forces de rappel des appuis élastiques sont censées supprimer ou tout au moins limiter la grandeur des fentes entre les colonnes verticales pour que les boules absorbantes ne puissent pas pénétrer dans les fentes et occasionner ainsi des forcements. Il peut être avantageux de prévoir un certain nombre de fentes dans le réflecteur latéral. Cela permet en effet d'éviter que ce réflecteur, sous certaines conditions de service, n'agisse comme un anneau de pression et ne soit plus capable de transmettre des forces au fond porteur. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'in- vention, les passages pour le gaz de refroidissement dans les colon- nes verticales sont fixés en nombre, diamètre et espacement pour qu'il n'y ait pas ou seulement de faibles tensions thermiques ins- tables dans les différentes colonnes. La prévision d'un grand nombre de passages longitudinaux dans chaque colonne verticale peut avoir pour effet que les températures régnant dans le fond porteur s'a- daptent de façon régulière à des gradients de température éventuels. Les dessins annexés représentent schématiquement, comme exemples de réalisation de l'objet de l'invention, deux fonds porteurs pour un réacteur à tas de boules. Sur les différentes figures: - la figure 1 est une coupe verticale montrant la cohstruction générale d'un tel fond porteur; - la figure 2 est une coupe verticale d'une seule colonne du fond porteur de la figure 1; - la figure 3 est une coupe verticale du fond por- teur selon un premier exemple de réalisation; et - la figure 4 est une vue de dessus du fond porteur selon un deuxième exemple de réalisation. La figure 1 représente le coeur 1, formé d'une charge d'éléments combustibles sphériques, d'un réacteur à haute température refroidi au gaz, lequel est entouré d'un réflecteur latéral annulaire 2. Le réflecteur latéral 2 est lui-même entouré d'un bouclier thermique 3, avec formation d'un intervalle annu- laire 4 entre les deux. Dans la surface inférieure de la charge de boules débouchent plusieurs conduits d'évacuation de boules (non représentés sur la figure 1), dont le nombre peut varier entre un et sept, suivant la grandeur du réacteur nucléaire, chaque conduit d'évacuation de boules présentant une entrée de boules conique, laquelle est formée par une partie du fond porteur 5 (comme repré- senté sur la figure 3). Le fond porteur est constitué d'un grand nombre de blocs de graphite 6a qui sont disposés en colonnes ver- ticales 6. Ces colonnes présentent une forme hexagonale en plan (visible sur la figure 4) et sont pourvues d'un grand nombre de passages 7 s'étendant dans le sens longitudinal et par lesquels le-gaz de refroidissement chauffé dans le coeur 1 peut sortir de celui-ci. La figure 2 représente une seule colonne 6 avec ses passages 7 pour le gaz de refroidissement. Le nombre, le dia- mètre et l'espacement de ces passages sont fixés de manière que des tensions thermiques instables ne puissent pas s'établir, ou seule- ment dans une faible mesure, dans les différentes colonnes verti- cales. Les blocs de graphite 6a se trouvant à des hauteurs ou dans des couches différentes peuvent être réalisés différemment en ce qui concerne les passages 7 pour le gaz de refroidissement. Dans les exemples de réalisation représentés ici, la couche supérieure des blocs de graphite 6a présente un plus grand nombre de passages 7 que les couches suivantes et un petit évidement collecteur de gaz 8 est formé à l'extrémité supérieure des blocs de graphite de la deuxième couche d'en haut. Cet évidement communique avec les pas- sages 7 pour le gaz de refroidissement dans les blocs de la couche supérieure et dans ceux de la deuxième couche d'en haut. Les colonnes verticales 6 du fond porteur 5 peuvent également être constituées de blocs de graphite hexagonaux dont la largeur varie dans les différentes couches. Comme représenté sur les figures 1 et 2, chaque colonne 6 repose sur une colonne ronde 9, prenant elle-même appui sur les couches de fond 10 du réacteur à haute température. Les couches de fond 10 sont suivies en bas par une plaque de fond 11. Le diamètre des colonnes rondes 9 est plus petit que la largeur des colonnes 6. L'espace libre ainsi formé entre les colonnes rondes 9 constitue l'espace collecteur de gaz chaud 12 du réacteur et communique par conséquent avec les passages 7 pour le gaz de refroidissement dans les blocs de graphite 6a. Les colonnes verticales 6 sont juxtaposées directe- ment comme des colonnes individuelles indépendantes sans fentes de dilatation. Le fond porteur 5 est par conséquent insensible aux tensions thermiques et peut s'adapter sans contraintes à des défor- mations des couches de fond 10 ou de la plaque de fond 11. Pour que les fentes formées entre les colonnes 6 par suite de la fabrication, du fonctionnement ou des variations de température restent aussi faibles que possibles, l'intervalle annulaire 4 contient des éléments de rappel 13 agissant dans le sens radial vers l'intérieur, comme indiqué par des flèches sur la figure 1. La nature, la grandeur et la disposition des éléments de rappel 13 sont fonction de la puis- sance donc des dimensions du coeur du réacteur à haute température. La figure 3 montre, comme premier exemple-de réali- sation, un fond porteur 5 pour un réacteur à haute température de puissance faible à moyenne. Cette figure utilise les mêmes références que les figures 1 et 2 pour des éléments analogues. Elle montre que le réflecteur latéral 2 est constitué d'un grand nombre de blocs de graphite 2a empilés les uns sur les autres et que ce réflecteur repose par des appuis à rouleaux 14 sur le fond de la cuve 15 en béton précontraint qui enveloppe le réacteur à haute température. L.séléments de rappel disposés entre le bouclier thermique latéral 3 et le réflecteur latéral 2 sont des boulons d'appui 13a, sur les- quels est ajusté un jeu qui correspond à la différence maximale possible entre les dilatations thermiques radiales du fond porteur 5 et du bouclier thermique 3. En cas d'utilisation de boules absor- bantes pour arrêter le réacteur, les éléments de rappel sont cons- titués par des appuis élastiques, afin de pouvoir supprimer les fentes ou limiter leur grandeur. Le coeur 1 du réacteur possède plusieurs conduits d'évacuation de boules 16 qui traversent le fond porteur 5 et présen- tent chacun en haut une entrée conique 17 pour les boules. Le dessus du fond porteur 5 est réalisé de manière que se forment ces.entrées coniques. La figure 4 montre un deuxième exemple de réalisa- tion d'un fond porteur 5 selon l'invention, destiné à un réacteur à haute température de plus grande puissance. Sous le coeur 1 du réacteur setruvent sept conduits d'évacuation de boules 16 en tout, dont quatre sont visibles sur la figure 4. Les blocs de graphite 6a formant les colonnes verticales 6 possèdent une section droite modifiée lorsqu'ils sont adjacents au réflecteur latéral 2. Les formes des sections sont éventuellement modifiées de manière que chaque bloc de graphite 6a soit bloqué ou emprisonné radialement. La figure 4 montre clairement la juxtaposition directe des colonnes verticales 6. Les éléments de rappel de ce fond porteur sont des appuis élastiques 13b, lesquels sont disposés dans l'intervalle annulaire 4 et compriment les colonnes verticales 6 dans le sens radial. Pour empêcher que le réflecteur latéral 2 n'agisse comme un anneau encaissant les forces des éléments de rappel mais ne 246200 0 les transmettant pas au fond porteur 5, ce réflecteur présente une série de fentes 18 entre des blocs de graphite 2a. Les appuis élas- tiques 13b sont conçus de manière que les fentes qui se forment entre les colonnes verticales 6 au bout d'un temps de service prolongé du réacteur à haute température restent inférieures à une grandeur maximale prédéterminée. S'il s'agit d'un réacteur dont la réactivité est influencée par des boules absorbantes dont le diamètre est nettement plus petit que le diamètre des éléments combustibles, cette grandeur maximale prédéterminée des fentes tient également compte du diamètre des boules absorbantes. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Fond porteur, constitué d'un grand nombre de blocs de graphite disposés en colonnes verticales, pour le coeur d'un réacteur nucléaire refroidi au gaz, le coeur étant formé d'éléments combustibles sphériques chargés en vrac sur le fond porteur et étant entouré d'un réflecteur latéral cylindrique et d'un bouclier ther- mique disposé à distance de ce réflecteur, les colonnes du fond porteur présentant des passages longitudinaux pour le gaz de re- froidissement et prenant appui sur les couches de fond du réacteur, caractérisé en ce que les colonnes verticales (6), dépourvues de fentes de dilatation, sont placées directement les unes à côté des autres comme des colonnes individuelles indépendantes et sont main- tenues ensemble dans le sens horizontal par des éléments de rappel'(13) disposés dans l'intervalle annulaire (4) entre la partie inférieure du réflecteur latéral (2) et le bouclier thermique (3). 2. Fond porteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les colonnes (6) possèdent une section droite hexagonale. 3. Fond porteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque colonne (6) repose sur une colonne ronde (9), dont le diamètre est plus petit que la largeur (cote entre plats) de la colonne (6) et en ce que toutes les colonnes rondes (9) sont dis- posées sur les couches de fond (10) du réacteur nucléaire. 4. Fond porteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que, dans le cas de réacteurs nuclé- aires de grande puissance, les éléments de rappel sont des appuis élastiques (13b) qui exercent une force de compression radiale sur les colonnes (6). 5. Fond porteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les appuis élastiques (13b) sont conçus de manière que des fentes formées entre les colonnes (6) au bout d'un temps de service pro- longé du réacteur nucléaire restent inférieures à une grandeur maxi- male prédéterminée. 6. Fond porteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que, dans le cas de réacteurs nuclé- aires de faible puissance, les éléments de rappel sont des boulons d'appui (13a), sur lesquels est ajustée, comme jeu, la différence maximale possible entre les dilatations thermiques radiales du fond porteur (5) et du bouclier thermique latéral (3). 7. Fond porteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que, dans le cas de réacteurs nuclé- aire dont la réactivité est influencée par des boules absorbantes dont le diamètre est nettement plus petit que le diamètre des élé- ments combustibles sphériques, les éléments de rappel sont, quelle qie soit la taille du coeur du réacteur, des appuis élastiques (13b) dont les forces de rappel sont fixées de manière que, même vers la fin de la durée de service du réacteur, la largeur des fentes qui se forment entre les colonnes (6) est plus petite que le diamètre des boules absorbantes. 8. Fond porteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réflecteur latéral (2)présente un certain nombre de fentes (18). 9. Fond porteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre, le diamètre et l'espacement des passages (7) ménagés dans les colonnes verticales (6) pour le gaz de refroidis- sement sont fixés de manière que des tensions thermiques ne puis- sent pas s'établir dans les différentes colonnes (6), ou seulement dans une faible mesure.