Brevet FR2496958A1 — publié le 19820625

Réacteur surrégénérateur rapide à métal liquide du type à boucles. La présente invention a pu être réalisée dans le ca- dre d'un contrat conclu avec le gouvernement des Etats-Unis d'Amérique sous la référence DE-AC-14-79-ET-37107. La présente invention se rapporte d'une manière gé- nérale aux réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide, et elle concerne en particulier les réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide du type à boucles. Les types de réacteurs nucléaires qui sont utilisés actuellement à l'échelle industrielle pour produire de l'élec- tricité sont, pour la plupart, des réacteurs à eau légère qui utilisent comme combustible de l'uranium faiblement enrichi. Ce type de réacteur permet d'extraire une petite partie seule- ment de l'énergie potentiellement disponible dans l'uranium. Des recherches intensives sont en cours dans plusieurs pays pour mettre au point des réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide qui permettraient d'extraire et d'utiliser une partie importante de l'énergie disponible dans les ressources mondiales d'uranium et peut-être de thorium. Un certain nom- bre de réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide de démonstration ont été construits dans un but de recherche et de mise au point technique avec, pour résultat souhaité, la conception d'un réacteur industriel. Il existe deux conceptions fondamentales possibles de réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide: les réacteurs à boucles et les réacteurs piscines. Le réacteur à boucles utilise plusieurs réseaux de tuyauteries, ou boucles, extérieurs au réacteur et comprenant des pompes, des échangeurs de chaleur, des instruments et éventuellement des soupapes pour extraire et convertir la chaleur provenant du coeur du réac- teur. Le réacteur piscine contient tout ce matériel d'extraction de la chaleur à l'intérieur de la cuve elle-même du réacteur les pompes et les échangeurs de chaleur sont immergés dans le fluide de refroidissement du réacteur. Un problème important propre à tous les réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide, réside dans la cons- truction et le support de la cuve du réacteur, particulière- ment en ce qui concerne la capacité pour la cuve de résister aux contraintes créées par un séisme. De manière caractéristique, les réacteurs surrégéné- rateurs rapides à métal liquide utilisent du sodium liquide à très haute température comme fluide de refroidissement. Ce so- dium à haute température porte la surface intérieure de la cu- ve du réacteur à une température élevée. Pendant le fonction- nement du réacteur, la température du fluide de refroidissement peut varier rapidement de plusieurs centaines de degrés. Il en résulte que des gradients élevés de température peuvent se produire dans la paroi de la cuve. Si cette paroi est épaisse, les gradients élevés de température dans la paroi de la cuve provoquent des contraintes d'un niveau élevé, en particulier pendant les variations de température mentionnées ci-dessus. Les cuves de réacteurs sont généralement descylindres pour lesquels on définit unI'apport de forme" qui est le rap- port de la hauteur du cylindre à son diamètre. Les réacteurs à boucles, qui sont des cylindres habituellement hauts et de diamètre relativement petit, présentent donc un rapport élevé de forme. Un cylindre ayant un tel rapport élevé est davantage enclin aux oscillations pendant les séismes qu'un cylindre plus carré de forme. La progression logique de la technique des réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide devrait se faire par l'extrapolation des installations existantes de démonstration jusqu'à l'obtention de réacteurs de taille industrielle. Il apparalt que cette augmentation de dimensions des cuves peut être impossible, en particulier pour les réacteurs à boucles ayant un rapport élevé de forme. L'augmentation de l'épaisseur de la paroi de la cuve, nécessaire pour rendre la cuve suffi- samment résistante aux séismes, provoquerait également des contraintes thermiques indésirables dans la paroi. La difficul- té est encore aggravée dans le cas des réacteurs à boucles puisque le réseau de tuyauteries doit pénétrer dans les moyens de support de la cuve ou, sinon, interférer avec ceux-ci. L'oDjet principal de la présente invention est de fournir un réacteur surrégénérateur à refroidissement par métal liquide, qui présente une solidité structurelle élevée et une complexité relativement peu importante. En vue de réaliser cet objet, la présente invention consiste en un réacteur surrégénérateur rapide à métal liqui- de du type à boucles, faisant partie d'un système de réacteur qui comporte des pompes de fluide de refroidissement et des échangeurs de chaleur disposés séparément au voisinage de ce réacteur, des tuyauteries formant boucles assurant la commu- nication du fluide avec le réacteur. Ce réacteur comprend un toit de structure plate que traversent toutes les tuyauteries formant boucles afin de pénétrer dans le- réacteur, une cuve principale fixée à ce toit et entourant et contenant la partie inférieure des tuyauteries formant boucles, et une chambre si- tuée dans la région inférieure de la cuve principale et reliée à la tuyauterie formant boucle dont elle reçoit le fluide de refroidissement sous pression. Ce réacteur se caractérise par la présence d'un cylindre blindé qui est situé dans une région supérieure de la cuve principale et qui est prévu pour former avec cette dernière un espace annulaire rempli de gaz afin d'i- Soler thermiquement cette région supérieure de la cuve princi- pale. Les tuyauteries d'admission et de départ pénètrent dans la cuve principale cylindrique du réacteur et en ressor- tent par l'intermédiaire du toit "froid"de structure plate et descendent longitudinalement dans le réacteur à l'intérieur de colonnes isolantes. Les tuyauteries d'entrée se prolongent jusque dans une chambre d'entrée sous pression, dans laquelle chaque tuyauterie d'entrée se termine par un diffuseur. L'es- pace annulaire rempli de gaz assure la protection thermique de la paroi de la partie contiguë de la cuve. - Le coeur du réacteur est entouré d'une structure conique qui le supporte et dont un élément constitue une par- tie de la chambre sous pression mentionnée plus haut. Le toit est une structure soudée rigide et une série de plaques métal- liques sont disposées en dessous de lui pour lui fournir une protection thermique. La présente invention sera bien comprise à la lectu- re de la description suivante faite en relation avec les des- sins ci-joints, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe du réacteur; - la figure 2 est une vue en coupe du réacteur sui- vant le plan de coupe II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe d'une des tuyau- teries de sortie suivant le plan de coupe III-III de la figu- re 2 - la figure 4 est une vue à plus grande échelle d'u- ne partie du réacteur représenté à la figure 1; - la figure 5 est une vue en coupe suivant le plan de coupe V-V de la figure 4; - la figure 6 est une vue en coupe suivant le plan de coupe VI-VI de la figure 4; et - la figure 7 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 4. L'implantation du réacteur est illustrée aux figures 1 et 4. Ces figures ne représentent qu'une des nombreuses bou- cles de fluide de refroidissement. Le sodium liquide est pompé à l'aide de-pompes à sodium (non représentées) à travers un échangeur de chaleur (non représenté) disposé à l'extérieur, et il est envoyé dans le réacteur par des tuyauteries d'admission 1. Cette tuyaute- rie d'admission 1 entre dans le réacteur par le toit 2 et descend dans une chambre d'entrée 3 sous pression. La tuyaute- rie d'admission 1 se termine par un diffuseur 4 qui est percé de plusieurs trous 5 disposés et prévus pour faciliter dans la chambre le mélange des courants venant des diverses boucles de fluide de refroidissement, et éviter le choc direct d'un courant quelconque sur un organe du réacteur. L'écoulement du sodium se fait vers le haut à travers le coeur 6 o il est chauffé par une réaction nucléaire. Après avoir pénétré dans la chambre chaude de sortie 7, le sodium s'écoule par une tuyauterie de départ 8 vers la pompe à sodium. Le coeur 6 du réacteur est supporté par un cône 9 qui est soudé à la cuve principale 10. Ce cône 9 a environ 178 mm d'épaisseur.-Le cône 9 limite en partie la chambre d'entrée 3. Pour le reste, la chambre d'entrée 3 est limitée par une enve- loppe 11 sous pression qui est soudée au cône 9. L'enveloppe 1i sous pression est dimensionnée pour contenir la charge de pression. La chambre d'entrée 3 est portée à la pression de 8,4 kg/cm2 environ par les pompes de sodium (non représentées) afin de forcer l'écoulement du sodium des boucles à travers le réacteur. La pression dans la chambre inférieure 12 est réglée par la hauteur de charge statique du sodium en amont, qui est d'environ 1,05 kg/cm2. La chambre d'entrée 3, qui est une ca- ractéristique nouvelle de construction des réacteurs surrégé- nérateurs rapides à métal liquide du type à boucles, a pour conséquence de libérer la cuve principale 10 de la charge de pression de fonctionnement des pompes, et de toute variation de température prenant naissance dans une boucle puisque les écoulements venant de toutes les boucles se mélangent dans la chambre d'entrée 3 qui reste isolée de la cuve du réacteur. Le réacteur est pourvu, à sa partie supérieure, d'un toit "froid" 2 de structure plate. Dans le cadre des ré- acteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide, la techni- que se subdivise en toits "froids" et en toit "chauds". Un toit "chaud" est un toit qui est porté à des températures su- périeures à 490C, telles que le contact humain doit être évité. Un toit "froid" est un'toit qui, grâce à certains mécanismes, reste à des températures inférieures à 490C. Le toit froid de la présente construction se compose de trois parties distinc- tes. La partie supérieure est un écran 13 en béton de 1,524 m d'épaisseur. La partie intermédiaire est une chambre de 2,5 m d'épaisseur dont le plancher, une plaque d'acier 14, constitue- la limite du système primaire. Le toit 2 est supporté par la partie supérieure d'une paroi creuse 15 qui entoure l'ensemble du réacteur. La cuve principale 10 est suspendue à la plaque 14. Cette dernière supporte également la partie inférieure de l'ensemble du toit 2, constituée par une structure d'environ trente plaques réfléchissantes en acier inoxydable. Ces pla- ques réfléchissantes 16 sont disposées dans un espace 17 du réacteur, qui est rempli d'un gaz tel que l'argon ou l'hélium. Les plaques réfléchissantes 16 ont pour fonction de renvoyer la chaleur provenant de l'interface sodium-gaz 18, afin de l'éloigner du toit 2 et maintenir ce dernier à une basse tem- pérature, c'est-à-dire le maintenir "froid". L'utilisation des plaques réfléchissantes 16 et de l'espace 17 rempli de gaz, est bien connue dans l'art antérieur. A environ 20,32 cm au- dessus de la plaque 14, on a construit un faux plancher 19 qui établit un espace 20 dans lequel on peut faire passer un gaz de refroidissement pour refroidir la plaque 14. Un espace im- portant 21 existe au-dessus du faux plancher 19 pour permettre l'entrée du personnel par l'intermédiaire de bouchons d'accès 47. On se reportera maintenant aux figures 2, 3, 4, 5 et 6. Le toit 2 se compose de trois cylindres concentriques, qui sont reliés entre eux par des nervures radiales 35 et qua- tre plaques annulaires. Le cylindre intérieur 31 supporte un système tournant de bouchon 44 qui complète la fermeture et qui est utilisé pour remplacer les assemblages combustibles. Le système de bouchon 44 supporte également la structure in- terne supérieure 32. La construction du système de bouchon 44 est la même que celle du toit 2. Le cylindre intermédiaire 33 est un prolongement de la paroi de la cuve principale 10. Le cylindre extérieur 34 est utilisé pour transmettre le poids du réacteur au mur creux 15. La plaque annulaire inférieure 14 relie le cylindre intérieur 31 et la cuve principale 10. La plaque annulaire de base 36 se prolonge depuis le cylindre intermédiaire 33 jus- qu'à 30,5 cm au-delà du cylindre extérieur 34. Cette plaque annulaire de base 36 repose sur la plaque encastrée 38 de sup- port de la cuve par l'intermédiaire de vingt-quatre clavettes radiales 39 (voir figure 2) qui supportent les charges sismi- ques radiales. La plaque annulaire intermédiaire 40 relie le cylindre intérieur 31 et le cylindre extérieur 34 et elle sert à supporter l'écran 13 en béton. La plaque supérieure 41 sert de plancher au compartiment 42 du haut du réacteur. Le toit plat 2 est destiné à recevoir tous les pas- sages de tuyauteries nécessaires au réacteur, de sorte qu'il n'existe aucun passage de tuyauterie dans la cuve du réacteur. La tuyauterie d'admission 1 et la tuyauterie de dé- part 8 traversent la plaque 14, tournent à angle droit et res- sortent radialement à travers le mur creux 15 au-dessus de la plaque 38 de support du réacteur. Au point de traversée de la plaque 14, les tuyauteries sont maintenues par des supports coniques 24 en forme de tuyères. Ces supports doivent être fixés à la plaque 14 par des soudures de métal différent puis- que les tuyauteries et les supports coniques 24 en forme de tuyère sont en acier inoxydable. Le gradient de température de la tuyauterie de départ (;'environ 390'C) est réparti sur toute la longueur du support conique 24 et peut nécessiter un refroidissement et un isolement spéciaux. Un avantage particu- lier de la construction décrite ci-dessus, réside dans le fait que les tuyauteries Sortent du réacteurdans l'espace 17 rempli de gaz plutôt qu'en dessous de l'interface sodium-gaz 18, de sorte que les variations de température qui se produisent dans le sodium liquide, ne sont pas transmises aux tuyauteries. En outre, les tuyauteries ne gênent pas les moyens de support de la cuve principale et l'effet de canalisation des neutrons dans les cellules d'équipement (non représentées), à travers les filetages des tuyauteries, est évité. On se reportera maintenant aux figures 4 et 7. Les tuyauteries d'admission 1 et les tuyauteries de départ 8 sont renfermées dans des colonnes 43 à double paroi qui forment un espace 45 rempli de gaz et un espace 46 rempli de sodium. L'es- pace 45 rempli de gaz s'ouvre sur la partie supérieure de l'es- pace 17 rempli de gaz. Cette disposition assure l'isolement thermique de la tuyauterie. Le sodium sortant du coeur 6 entre dans la chambre chaude de sortie 7. Cette dernière chambre est formée en par- tie par un cylindre blindé 25 d'environ 12,7 mm d'épaisseur qui se prolonge vers le haut à partir du cône 9 de support du coeur. Le cylindre blindé 25 forme un espace annulaire 26 rem- pli de gaz entre la chambre chaude de sortie 7 et la cuve principale 10 et cet espace annulaire contient des plaques ré- fléchissantes 27 d'isolement. Le gaz de recouvrement peut per- muter entre l'espace annulaire 26 et l'espace 17, du fait de la mise en communication de ces espaces par le passage 28 (voir figure 4). La construction de ce nouvel espace annulaire 26 supprime la nécessité d'une garniture calorifuge de la cu- ve et d'un écoulement dérivé de refroidissement, et abaisse la température théorique de la cuve principale 10 de 5100C à 400'C. Cette réduction de la température permet d'éliminer des exigences d'étude de la cuve1l'analyse des déformations plastiques. Le réacteur comporte une chambre intermédiaire 29 formée en partie par un déflecteur latéral 30. Cette chambre contient du sodium relativement stationnaire qui formera des Couches stratifiées et assurera une variation uniforme de la température de la chambre chaude de sortie 7 à la chambre d'en- trée 3 et à la chambre inférieure 12. Il n'est pas nécessaire que le déflecteur latéral 30 soit plat comme le représente la figure 1; il peut présenter une autre forme, conique peut- être, si on désire constituer une structure à la fois plus robuste et plus mince. Le réacteur présente de nombreuses caractéristiques qui n'ont pas été décrites en détail et qui n'apparaissent pas sur les dessins car elles ne sont pas considérées comme fai- sant partie de la présente invention. Le tableau I a été inclus pour indiquer les données de construction considérées actuellement comme faisant partie de l'exemple préféré de réalisation de la présente invention. TABLEAU I rayon extérieur du caisson, de la tête au pied 2,5 Y. épaisseur du caisson, de la tete au pied: 2,5 cm diamètre intérieur de la cuve principale (10) 15,2 m épaisseur de la cuve principale (10) 2 m hauteur hors tout: 17,8 m poids de la cuve principale 222 tonnes épaisseur du toit (2): 5 m nombre de plaques réfléchissantes (16) 30 volume de sodium dans la cuve: 1 650 m3 Les changements dans la disposition du réacteur sur- régénérateur rapide à métal liquide du type à boucles décrit ci-dessus sont considérée comme étant importants. Les cuves primaires des autres réacteurs surrégénérateurs rapides à mé- tal liquide du type à boucles doivent avoir une masse et une résistance suffisantes pour supporter la pression et les con- traintes créées par un séisme, mais cette masse n'est pas com- patible avec les conditions de température ambiante imposées. Dans la présente invention, la chambre d'entrée 3 assume la fonction de maintien de la pression. Dans la zone de la cuve o règnent les températures les plus élevées, des dispositions sont prises pour protéger la cuve principale (espace annulaire 26 rempli de gaz et plaques réfléchissantes 27). Ces caracté- ristiques sont prévues localement précisément aux endroits o elles sont nécessaires, de sorte que la cuve principale 10 dans son ensemble peut être construite avec des sections min- ces qui sont compatibles avec les importants gradients de température propres aux réacteurs surrégénérateurs rapides à métal liquide. Le diamètre de la cuve du réacteur est augmenté du fait que les tuyauteries formant boucles pénètrent par le toit et descendent axialement à 1'intérieur du réacteur. Cette aug- mentation du diamètre du réacteur est réalisée sans augmenta- tion correspondante des dimensions de l'enveloppe de sécurité construite autour du réacteur, car l'augmentation des dimen- sions du réacteur est obtenue par la récupération de l'espace occupé dans les autres cas à l'extérieur du réacteur, par les tuyauteries formant boucles. Ilen-résu2te une diminution du rapport de forme du réacteur. On a remarqué que cette variation du rapport de forme améliore la réponse de la cuve du réacteur aux vibrations créées par un séisme, en augmentant la rigidité de la cuve à la flexion, ce qui modifie les fréquences harmo- niques naturelles de la structure de telle sorte qu'elles ne correspondent pas aux fréquences prévues du séisme. Ceci per- met de réduire la masse de la cuve principale avec une plus grande marge théorique de construction. C'est la combinaison des caractéristiques ci-dessus qui permet une réduction sensible de l'épaisseur de la cuve principale. L'épaisseur de cette dernière peut être maintenant inférieure à 5,08 cm, contre 10,16 cm nécessaires dans les constructions précédentes. On estime que le poids de métal né- cessaire à la construction de la cuve peut être de 222 tonnes, comparativement à un poids approximatif de 762 tonnes néces- saire dans les autres constructions. Du fait que le matériau constituant la cuve est l'acier inoxydable, qui est un produit coûteux, cette réduction du poids nécessaire est vraiment im- portante. Il est bien entendu que d'autres modifications peu- vent être apportées aux éléments décrits ci-dessus. Par exem- ple, on peut donner à l'espace annulaire 26, à l'enveloppe 11 sous pression, au cône 9 et aux autres éléments décrits des formes diverses qui permettent d'obtenir les mêmes résultats. L'appréciation de certaines des valeurs de mesure in- diquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles provien- nent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métri- ques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au con- traire susceptible de variantes et de modifications qui appa- raîtront à l'homme de leart. REVENDICATIONS 1. Réacteur surrégénérateur rapide à métal liquide du type à boucles faisant partie d'un système de réacteur qui comporte des pompes de fluide de refroidissement et des é- changeurs de chaleur disposés séparément au voisinage de ce réacteur, des tuyauteries formant boucles assurant la commu- rnication du fluide avec le réacteur, ce dernier comprenant un toit de structure plate que traversent toutes les tuyauteries formant boucles afin de pénétrer dans le réacteur; une cuve principale fixée à ce toit et entourant et contenant la par- tie inférieure des tuyauteries formant boucles; et une cham- bre située dans la région inférieure de la cuve principale et reliée à la tuyauterie formant boucle dont elle reçoit le flui- de de refroidissement sous pression; ce réacteur étant carac- térisé en ce qu'un cylindre blindé (31) est situé dans une ré- gion supérieure de la cuve principale (10) et prévu pour for- mer avec cette dernière un espace annulaire (17)rempli de gaz afin d'isoler thermiquement cette région supérieure de la cu- ve principale (10). 2. Réacteur surrégénérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un espace (21) est formé dans le toit prévu pour permettre l'entrée du personnel. 3. Réacteur surrégénérateur suivant l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une colonne à double paroi entoure la tuyauterie (18) formant boucle à l'intérieur de la cuve (10) du réacteur, l'espace entre la double paroi étant rempli de gaz pour assurer la protection thermique de la tuyauterie. 4. Réacteur surrégénérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les tuyauteries pénètrent dans le réacteur par le toit (2) de structure plate, de sorte que la cuve principale (10) n'est pas percée. 5. Réacteur surrégénérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le toit (2) de structure plate sup- porte la cuve principale (10).