Brevet FR2487563A1 — publié le 19820129

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de refroi- dissement de secours d'un réacteur nucléaire, et s'applique en particulier aux centrales nucléaires à eau pressurisée. Dans un réacteur nucléaire à eau pressurisée, un circuit d'eau primaire fermé et pressurisé échange l'énergie thermique avec un fluide se- condaire, généralement de l'eau, par l'intermédiaire de générateurs de va- peur. Lors d'un arrêt d'urgence, à la suite d'une défaillance indépendante de la chaudière, il y a lieu de maintenir l'extraction d'énergie du coeur du réacteur. Ceci se fait par alimentation des générateurs de vapeur en fluide secondaire à partir d'une réserve d'eau de secours et à l'aide de pompes alimentaires de secours. Mais la défaillance justifiant l'arrêt dTur- gence peut se combiner avec un manque total de sources d'énergie électrique internes et externes. C'est pourquoi la pompe du circuit d'alimentation de secours peut généralement être entrainée par une turbine actionnée par de la vapeur prélevée par une conduite de dérivation branchée sur le circuit principal d'évacuation de la vapeur du générateur. Dans le cas général, il est prévu de relâcher à l'atmosphère la va- peur sortant du générateur de vapeur, par le contournement vapeur, ou au condenseur principal; mais celui-ci est indisponible par suite de l'absence de source électrique. Divers systèmes ont déjà été proposés pour améliorer le refroidis- sement de secours. C'est ainsi que l'on a prévu d'utiliser un circuit autonome d'ex- traction de l'énergie du générateur en cas d'arrêt d'urgence dans lequel une partie de la vapeur produite est dirigée vers un convertisseur qui produit une vapeur basse pression à partir d'un circuit d'eau alimentaire utilisant la capacité stockée de la réserve d'eau de secours. Cette vapeur basse pres- sion est admise dans un turbo-alternateur dont la turbine fournit l'énergie électrique des pompes du système. Un tel système n'utilise pas la totalité de la vapeur produite par le générateur et on est donc obligé de relâcher à l'atmosphère le reste de la vapeur. Ainsi l'eau de la réserve de secours qui alimente le générateur de vapeur est perdue en grande partie, et comme le refroidissement d'urgen- ce peut durer plusieurs heures, la réserve doit être de grande capacité. Pour remédier à cet inconvénient, on a prévu d'utiliser la capacité d'eau d'une nappe phréatique, mais ceci n'est évidemment possible que si l'on dispose d'une nappe, et d'autre part cette eau n'est pas traitée et il n'est pas souhaitable d'alimenter le circuit secondaire pendant plusieurs heures par de l'eau non traitée. On a prévu également d'utiliser pour l'extraction d'énergie du réacteur un circuit fermé comprenant un réservoir d'eau alimentaire de se- cours équipé d'un dispositif de condensation par barbotage, et une pompe alimentaire de secours. La vapeur produite par les générateurs de vapeur est dirigée vers le réservoir de secours o elle se condense par barbotage. Ce réservoir doit donc être de très grandes dimensions, et mgme dans ce cas le réservoir doit être muni d'un évent qui permet de rejeter à l'atmosphère la vapeur tant que celle-ci est à une pression élevée. L'invention a pour objet un nouveau système de refroidissement de secours n'ayant pas les inconvénients des systèmes connus et permettant en particulier de fonctionner de façon autonome et en circuit fermé au moins pendant la plus grande partie du refroidissement. Selon l'invention, on condense au moins une partie de la vapeur produite dans un aérocondenseur dont l'énergie de fonctionnement est fournie par une autre partie de la vapeur, et l'eau condensée est recyclée vers la réserve de secours. Selon un mode de fonctionnement préférentiel, une partie de la va- peur produite est dérivée vers une turbine auxiliaire dès le début de la pro- cédure de refroidissement de secours pour commander le démarrage du fonction- nement de l'aérocondenseur, le reste de la vapeur étant d'abord évacué à l'atmosphère puis dérivé en partie vers l'aérocondenseur après le démarrage de celui-ci, le débit évacué à l'atmosphère diminuant ensuite jusqu'à s'an- nuler lorsque la capacité de condensation de l'aérocondenseur correspond à la production de la vapeur, le système fonctionnant alors en circut fermé jusqu'au refroidissement complet du réacteur. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprend un circuit d'alimentation en vapeur de l'aérocondenseur branché sur le circuit d'évacuation de la vapeur, un circuit de recyclage de l'eau con- densée vers la réserve de secours et au moins une turbine auxiliaire entrai- née par une partie de la vapeur évacuée et fournissant l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'aérocondenseur et au recyclage de l'eau condensée. Dans un mode de réalisation particulier, l'aérocondenseur compre- nant un ventilateur et une pompe à vide et le circuit de recyclage comprenant une moto-pompe, ces organes sont entraînés par des moteurs électriques ali- -2 4 875 3 mentés en courant par un alternateur lui-même entrainé par la turbine au- xiliaire. Dans un autre mode de réalisation, les différents organes de l'a- érocondenseur et du circuit de recyclage sont entraînés par des machines turbo-rotatives directement alimentées par de la vapeur prélevée sur le circuit principal d'évacuation. L'invention va maintenant être décrite en se référant à un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple. La figure unique représente schématiquement un système de refroi- dissement de secours selon l'invention. Sur la partie gauche de la figure, on a symbolisé le réacteur nu- cléaire 1 refroidi par un circuit primaire 10 avec une pompe primaire Il et un pressuriseur 12, et passant par un faisceau de tubes 13 à l'intérieur d'un générateur de vapeur 2; le circuit secondaire du générateur de vapeur comprend une conduite d'alimentation en eau 3 et une conduite 4 d'évacuation de la vapeur produite dans le générateur. La conduite 3 est reliée à un circuit 30 d'alimentation normale en eau alimentaire et la conduite 4 d'évacuation de la vapeur est reliée à un circuit 40 d'utilisation normale de la vapeur vers les turbines s'il s'a- git d'une centrale électrique. Les circuits d'alimentation 30 et d'évacuation 40 peuvent être de tout type utilisé normalement et n'ont pas lieu d'être représentés ici. En cas d'arrêt d'urgence, des vannes 31 et 41 permettent d'isoler les circuits normaux d'eau alimentaire et d'évacuation de la vapeur. Dans ce cas, la vapeur peut être mise à l'atmosphère par une soupape de décharge 42 placée sur le circuit d'évacuation 4 en amont de la vanne d'isolement 41. Bien entendu, en cas d'arrêt d'urgence, la réaction nucléaire est immédiatement arrêtée par la chute des barres de contrôle mais les élé- ments combustibles du réacteur doivent encore être refroidis pendant plu- sieurs heures par le circuit primaire qui se refroidit lui-même dans le gé- nérateur de vapeur. Celuj/ i doit donc continuer à fonctionner et c'est pour- quoi il peut être alimenté, à partir d'un réservoir 5 d'eau alimentaire trai- tée,par un circuit d'alimentation 50 qui débouche sur la conduite d'alimen- tation 3 en aval de la vanne d'isolement 31 du circuit normal 30. De façon connue, la circulation de l'eau alimentaire de secours Mt assurée par une turbo-pompe 51 entrainée par une turbine auxiliaire 52 susceptible d'être alimentée en vapeur par un circuit 53 branché en dérivation sur le circuit d'évacuation principal 4, en amont de la vanne d'isolement 41 et muni lui- même d'un organe de sectionnement 54. Lorsque le réacteur est mis en arrêt d'urgence par suite d'une indisponibilité de source électrique, les organes d'isolement 31 et 41 se ferment automatiquement de façon à isoler les circuits normaux d'alimenta- tion en eau 30 et d'évacuation de la vapeur 40. Simultanément, l'organe de sectionnement 54 s'ouvre et la turbine auxiliaire 52 est mise en fonction et entraine la pompe 51 qui assure le transfert de l'eau contenue dans le réservoir 5 vers le générateur de vapeur 2. Dans le système normal, la va- peur produite est relâchée à l'atmosphère par la soupape de décharge 42. Le système selon l'invention comprend deux autres circuits 60 et d'utilisation de la vapeur, branchés en dérivation sur le circuit 53 en aval de la vanne de sectionnement 54, et aboutissant aux dispositifs nou veaux représentés sur la partie droite du schéma de la figure.- Le circuit 60, alimenté par l'intermédiaire d'une vanne de déten- te 61, débouche dans un aérocondenseur 6 constitué par un faisceau de tubes ailetés 62 reliés à un collecteur 63 et refroidis par circulation d'air pro- duite par un ventilateur 64. Pour améliorer le fonctionnement, l'aéroconden- seur 6 peut être mis en dépression par une pompe à vide 65 entrainée par un moteur 66. D'autre part, l'eau condensée dans les tubes 62 et recueillie dans le collecteur 63 est dirigée vers un réservoir 8 relié à la réserve de se- cours 5 par un circuit de recyclage 80 muni d'une pompe 81 entrainée par un moteur 82. L'une des originalités du système consiste à utiliser, en plus de la turbo-pompe classique 51, 52 du circuit d'alimentation en eau de secours, une turbine auxiliaire supplémentaire 7 alimentée en vapeur par le circuit branché sur le circuit 53 d'évacuation de la vapeur, par exemple en aval de la vanne de sectionnement 54. La turbine auxiliaire 7 entraîne un alterna- teur 75 qui fournit le courant nécessaire au fonctionnement des différents organes du système, et en particulier au moteur 82 de la pompe d'extraction du circuit de recyclage de l'eau, au moteur du ventilateur 64 de l'aérocon- denseur, et au moteur 66 du système 65 de mise sous vide de l'aérocondenseur 6. Au moment du démarrage du refroidissement d'urgence, après isole- ment des circuits 30 et 40 par fermeture des vannes 31 et 41, la turbine 7 est alimentée en même temps que la turbo-pompe alimentaire de secours 51-52 et assure progressivement la mise en fonction de ltaérocondenseur 6, notam- ment en le mettant en dépression. Pendant ce temps, la vapeur qui ne sert pas à l'entraînement des turbines 7 et 52 est relâchée à l'atmosphère, de fa- çon classique, par la soupape 42. Lorsque l'aérocondenseur est en fonction, sa capacité n'est norma- lement pas suffisante pour absorber la totalité de la vapeur produite au début del'arrêt d'urgence. C'est pourquoi le circuit 60 d'alimentation de l'aérocondenseur comprend une soupape de décharge à l'atmosphère 67, le reste de la vapeur étant, si nécessaire, mis à l'atmosphère par la soupa- pe 42. Cependant le réacteur se refroidit progressivement et à l'issue d'un temps qui dépend de l'énergie résiduelle du réacteur, mais qui peut être de quelques heures, le système est stabilisé et fonctionne alors entièrement en boucle fermée. Les organes de décharge 42 et 67 restent alors fermés, l'énergie sortant du générateur de vapeur par le circuit 53 étant égale à l'énergie rejetée dans ltair par l'aérocondenseur 6. Dans ce cas, une par- tie de la vapeur est toujours utilisée mécaniquement dans les turbines 7 et 52 mais la totalité de la vapeur restante est condensée dans l'aéroconden- seur 6 après détente dans l'organe de contournement 61 en aval duquel débou- chent les conduites d'évacuation de la vapeur détendues dans les turbines 7 et 52, qui va également se condenser dans l'aérocondenseur 6. L'ensemble des condensats est recyclé par la moto-pompe 81 vers le réservoir de secours 5. De la sorte, on ne rejette de la vapeur à l'atmosphè- re qu'au début du refroidissement dans la mesure o l'on n'a pas voulu surdi- mensionner ltaérocondenseur 6. Cependant, du fait que ce rejet à l'atmosphè- re ne se produit que pendant une fraction du temps de refroidissement total, le réservoir d'eau de secours 5 qui, pendant tout le reste du refroidisse- ment, est alimenté par le circuit de recyclage 80, peut ne pas avoir des di- mensions excessives. En outre, un avantage essentiel de l'invention réside dans le fait que le générateur de vapeur est toujours alimenté par de l'eau traitée. Une fois que le système est stabilisé, le réacteur peut sans inconvénient être refroidi dans un état d'arrêt intermédiaire pendant une très longue période en attendant la mise en route de la réfrigération à l'arrêt ou la réparation de la défaillance qui a entrainé l'arrêt d'urgence. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit et qui pourrait faire l'objet de va- riantes et notamment en utilisant des moyens équivalents. C'est ainsi que, s'il semble judicieux de commander l'ensemble des différents organes du système par des moteurs électriques alimentés par un turbo-alternateur, on pourrait aussi envisager d'entraîner ces différents organes directement ou indirectement par une ou plusieurs turbo-machines branchées en dérivation sur le circuit d'évacuation de la vapeur. D'autre part, le %stène étant totalement indépendant de l'énergie électrique de groupes diesel de secours, il peut évidemment s'ajouter aux systèmes classiques utilisés jusqu'à présent et utilisant des diesels de se- cours qui peuvent assurer par ailleurs l'alimentation pour des fonctions de sauvegarde simultanées. REVENDICATIONS 1.- Procédé de refroidissement de secours d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée, comprenant un circuit primaire de chauffage d'un généra- teur de vapeur, un circuit secondaire avec alimentation en eau et évacua- tion de la vapeur produite dans le générateur au contact du circuit primaire, ledit système comprenant une réserve d'eau reliée à la conduite d'alimentation en eau par un circuit d'alimentation de secours comportant une pompe auxiliaire entraînée par une turbine susceptible d'être action- née par de la vapeur prélevée par une conduite de dérivation branchée sur le circuit d'évacuation de la vapeur du générateur, caractérisé par le fait que l'on condense au moins une partie de la vapeur produite dans un aérocondenseur dont l'énergie de fonctionnement est four- nie par une autre partie de la vapeur, et que l'eau condensée est recyclée vers la réserve de secours. 2.- Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une partie de la vapeur produite est dérivée vers une turbine auxiliaire dès le début de la procédure de refroidissement de secours pour commander le démarrage du fonctionnement de l'aérocondenseur, le reste de la vapeur étant d'abord évacué à l'atmosphère puis dérivé en partie vers l'aérocondenseur après le démarrage de celui-ci, le débit éva- cué à l'atmosphère diminuant ensuite jusqu'à s'annuler lorsque la capacité de condensation de l'aérocondenseur correspond à la production de vapeur, le système fonctionnant alors en circuit fermé jusqu'au refroidissement complet du générateur. 3.- Dispositif de refroidissement de secours d'un réacteur nuclé- aire pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit d'alimentation en vapeur de l'aéro- condenseur branché sur le circuit d'évacuation de la vapeur, un circuit de recyclage de l'eau condensée vers la réserve de secours et au moins une tur- bine auxiliaire entrainée par une partie de la vapeur évacuée et fournissant l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'aérocondenseur et au recyclage de l'eau condensée. 4.- Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, carac- térisé par le fait que l'aérocondenseur étant associé à un ventilateur et une pompe à vide et le circuit de recyclage conprenant une moto-pompe, ces organes sont entraînés par des moteurs électriques alimentés en courant par un alternateur entrainé par la turbine auxiliaire. 5.- Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, carac- térisé par le fait que les différents organes de l'aérocondenseur et du circuit de recyclage sont entraînés ou alimentés par des machines turbo- rotatives entrainées par de la vapeur prélevée sur le circuit d'alimenta- tion. 4-