Brevet FR2493472A1 — publié le 19820507

La présente invention concerne un générateur de vapeur pour un réacteur nucléaire, et plus particulièrement, un générateur de vapeur pour un réacteur surrégénérateur rapide. Un réacteur surrégénérateur rapide est un réacteur nucléaire utilisant un cycle combustible de 38 U 239Pu. De l'uranium naturel fourni au réacteur est converti en 239Pu, et le combustible est enrichi tandis que de l'énergie est émise. Dans une telle centrale à réacteur surrégénérateur rapide, la chaleur produite dans le noyau du réacteur est d'abord transmise au sodium primaire puis au sodium secondaire par un échangeur thermique intermédiaire. La chaleur est en outre transmise à de l'eau dans un générateur de vapeur. t' eau est évaporée par la chaleur transmise dans le générateur de vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine pour entrainer une génératrice électrique. te système générateur dans la centrale à réacteur surrégénérateur rapide est réalisé de cette manière. Bien que le réacteur surrégénérateur rapide de ce genre offre différents avantages et constitue probablement un réacteur prometteur pour le vingt et unième siècle à venir il pose de nombreux problèmes sur le plan technique. Différents pays ont donc favorisé des développements intensifs dans ce domaine. En particulier, le générateur de vapeur qui transmet de la chaleur du sodium secondaire à haute température à de l'eau sous haute pression est l'un des éléments les plus important des grands équipements qui doivent être développés pour une réalisation pratique d'un réacteur surrégénérateur rapide. Comme le montre la figure 1, un générateur de vapeur courant utilisé dans une centrale à réacteur surrégénérateur rapide comporte une enveloppe 10 dans laquelle du sodium à haute température remplissant d'un agent de refroidissement secondair circule vers le bas et un certain nombre de tubes 12 sont disposés dans l'enveloppe 10, dans lesquels de l'eau sous haute pression circule vers le haut. Aui extrémités supérieure et inférieure de l'enveloppe 10 sont fixées plusieurs tubulures 14 de sortie de vapeur et plusieurs tubulures 16 d'entrée d'eau. tes tubes 12 sont groupés en plusieurs groupes, comprenant chacun un nombre prédéterminé de ces tubes. Les parties d'éxtrémités inférieures des tubes 12 d'un groupe sont relises à la tubulure correspondante 16 d'entrée d'eau par une plaque à tubes 18 et leurs parties d'extrémités supérieures sont reliées à la tubulure 14 correspondante de sortie de vapeur par une plaque à tubes 18 similaire. Chaque plaque à tubes 18 est constituée par une plaque permettant de supporter facilement le nombre prédéZerminé des tubes 12. L'eau sous pression qui circule dans chaque tube 12 est chauffée par le sodium à haute température entourant les tubes et elle s'évapore. La vapeur est sortie du généra teur de vapeur par les tubulures 14 de sortie de vapeur. En général, la pression de vapeur dans la centrale à réacteur surrégénérateur rapide est établie à une valeur aussi -levée que 10 X 106 Pa à 13 X 10 6 Pa. Ainsis la struc- ture interne du générateur de vapeur est conçue pour résister à ces hautes pressions et la saque à tubes 18 a une épaisseur et un poids considérables. Il y a lieu de considérer la température dans le générateur de vapeur avec la plaque à tubes 18 de cette construction. La température du sodium agissant comme agent de refroidissement secondaire est choisie entre environ 300 OC et 500 OC et celle de la vapeur entre environ 200 C à 489 OC. Il existe par conséquent une différence considérable de température entre ia surface de la plaque 18 en contact avec le sodium et sa surface en contact avec la vapeur.Des contraintes thermicjues excessives sont produites dans la plaaue à tubes 1S, en proportion de l'épais- seur de sa paroi. 3i la plaque à tubes 18 provoque des fuites sur l7effet de ces contraintes thermiques excessives le sodium et 'eau resgissent vigoureusetnent entre eux, amenant une situation très dangereuse.La plaque à tubes 18 est donc très difficile à realiser. Il en est ainsi car es conditions d'augmentation de l'épaisseur de paroi de cette plaque doivent être considérées pour obtenir une résistance contre les hautes pression tandis ou'en même temps les conditions de diminution de l'épaisseur de parti doivent aussi être considérées. pour réduire des effets des contraintes thermiques excessive. Ces conditions imcompatibles sont les facteurs qui déradent la sécurité des générateurs de vapeur. L'invention tient donc compte des circonstances mentionnées ci-dessus et elle a pour objet de proposer un générateur de vapeur de structure interne compacte et d'une sécurité améliorée. Selon un aspect, l'invention concerne donc un générateur de valeur qui comporte une enveloppe dans laquelle circule un agent de refroidissement à haute -température; au moins une première partie prévue sur l'envelop- pe pour introduire de l'eau, la première partie étant un corps creux avec une première ouverture et une seconde ouverture, la première ouverture communiquant avec l'extérieur de l'enveloppe et la seconde ouverture communiquant avec l'intérieur de ltenveloppe ; au moins une seconde partie prévue sur l'enveloppe, la seconde partie étant un corps creux avec une troisième ouverture et une quatrième ouverture, la troisième ouverture communiquant avec l'extérieur de l'enveloppe et la quatrième ouverture communiquant avec l'intérieur de l'enveloppe ; une première joue d'éxtrémité pour fermer la seconde ouverture, la première joue d'extrémité comportant une surface intérieure incurvée et une surface extérieure incurvée s'étendant à partir de la seconde ouverture et comprenant au moins un premier trou ; une seconde joue d'éxtrémité pour fermer la quatrième ouverture la seconde joue d'extrémité comportant une surface intérieure incurvée et une surface extérieure incurvée qui s'étendent à partir c la quatrième ouverture et comprenant au mcins un second trou ; et au moins un tube disposé dans l'enveloppe, une extrémité du tube communiquant avec le premier trou et étant fixé sur la première joue lextré- mité et son autre extrémité communiquant avec le second trou et étant fixé sur la seconde joue d'estrémité. D'eutres caractéristIques et avantages de l'invention seront rnux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemnles de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une coupe d'un générateur de vapeur de type courant, La figure 2 est une coupe d'un mode de réalisation d'un générateur de vapeur selon l'invention, La figure 3 est une coupe d'une plaque à tubes du générateur de vapeur de la figure 2, La figure 4 est une coupe d'une variante de la plaque à tubes du mode de réalisation de la figure 2, La figure 5 est une coupe d'une autre variante de la plaque à tubes du mode de réalisation de la figure 2, et La figure 6 est une coupe d'un autre mode de réalisation d'un générateur de vapeur selon l'invention. Un mode de réalisation d'un générateur de vapeur selon l'invention sera maintenant décrit en détail en regard des figures 2 à 5. Comme le montre la figure 2, un générateur de vapeur 2G utilisé dans un,réacteur surrégénérateur rapide comporte une enveloppe 22 dirigée dans la direction verticale. L'enveloppe 22 est constituée par une coque cylindrique 24 dont les extrémités supérieure et inférieure sont ouvertes, et des joues supérieures et inférieures 26 et 28 en forme de panneau, qui ferme des extrémités supérieure et inférieure de la coque 24, cette dernière et les joues 26 et 28 étant réalisées en une seule pièce. Sur la partie médiane du dessus de la joue supérieure 26 est disposé un orifice d'entrée 30 pour un agent de refroidissement secondaire, qui consIste en un métal liquide (du sodium liquide dans le présent mode de réalisation) à haute température. Par ailleurs, un orifice de sortie 32 pour l'agent de refroidissement secondaire est prévu dans la partie médiane du fond de la joue inférieure 28. Ainsi, l'intérieur de l'enveloppe 22 constitue un circuit de circulation pour le sodium liquide, qui circule du haut vers le bas. Autour de la surface circonférencielle extérieure de la partie supérieure de la coque 24 sont disposées, à intervalles angulaires égaux, plusieurs tubulures 34 cylindriques de sortie de vapeur (comme secondes parties) avec chacune un rayon prédéterminé. Six tubulures 34 de sortie de vapeur sont prévues dans ce mode de réalisation, mais la figure 2 n'en montre que deux pour simplifier. L'axe de chaque tubulure 34 de sortie de vapeur se trouve dans la direction radiale de la coque 24. Une partie d'éxtrémité ouverte de chaque tubulure 34 de sortie de vapeur communique avec l'extérieur de la coque 24, et son autre partie d'extrémité ouverte communique avec l'intérieur de la coque 24.Par ailleurs, des tubulures cylindriques 36 d'entrée d'eau (comme première partie) avec chacune un rayon prédéterminé sont disposées à intervalles angulaires égaux autour de la surface irconférencielle extérieure de la partie inférieure de la coque 24, en même nombre que les orifices de sortie de vapeur, c'est à dire six (d'une façon similaire deux orifices d'entrée d'eau seulement sont représentés sur la figure ). L'axe de chaque tubulure 36 d'entrée d'eau se trouve dans la direction radiale de la coque 24. Une partie d'extrémité ouverte de chaque tubulure 36 d'entrée d'eau cr.mmunique avec l'extérieur de la coque 24 et son autre partie d'extrémité ouverte avec l'intérieur de la coque 24. tes autres parties d'extrémités ouvertes des tubulures 34 de sortie de vapeur communiquent avec l'intérieur et sont continues avec les plaques à tubes supérieures 38. Chaque plaque à tubes supérieures 38 est faite en acier inoxydable et elle consiste en une hémisphère avec une épaisseur de paroi prédéterminée, suffisante pour résister à la pression dans la tubulure 34 de sortie de vapeur. Le diamètre extérieur de cette plaque à tubes supérieure 7 hémispherique est calculée pour coïncider avec le diamètre extérieur de la tubulure 34 de sortie de vapeur. La face d'extrémité de chaque plaque à tubes supérieure 38 est reliée avec la face d'::-rémîté de l'autre par partie d'extrémité de la tubulure 74 de sortie de vapeur. tes tubulures 34 de sortie de vapeur sont reliées progres vivement avec les plaques à tubes supérieures 38. ta surface circonfèrencielle extérieure de chaque plaque à tubes supérieure 38 hémisphèrique comporte un nombre prédéterminé de trous qui sont espacés d'interval prédéterminés les uns des autres et dont le nombre est égal à celui des tubes 42 d'un groupe co--me cela sera expliqué par la suite. tes autres parties d'extrémités ouvertes des tubulures 36 d'entrée d'eau communiquant avec l'intérieur sont continues avec les plaques à tubes inférieures 40. Etant donné que chaque plaque à tubes inférieure 40 est réalisée de la même manière que la plaque à tubes supérieure 38 décrite ci-dessus, sa description ddtaillée nten sera pas donnée. A l'intérieur de la coque 24 est disposé un certain nombre (300 dans le présent mode de réalisation) de tubes 42 de transmission de chaleur disposés dans la direction verticale. T'intérieur de chaque tube 42 délimite un circuit de circulation pour de l'eau et de la vapeur, circulant du bas vers le haut. Ces tubes 42 sont divisés en six groupes, en fonction du nombre des tubulures 74 de sortie de vapeur et des tubulures 36 d'entrée d'eau. tes parties d'extrémités supérieures des tubes 42 de chaque groupe sont branchées sur la plaque à tubes supérieure 38 qui correspond à ce groupe. Ainsi, les espaces intérieurs des tubes 42 respectifs communiquent avec ceux des tubulures 74 de sortie de vapeur par les trous mentionnés ci-dessus.Par ailleurs, les parties :''extré- mités inférieures des tubes 42 de chaque groupe sont branchés sur la plaque à tubes j8 inférieure aorre sp on- dant à ce groupe. Par conséquent, les espaces intérieurs des tubes respectifs 42 commuiquent avec ceux des tubulures D5 d'entrée d'eau par les trous mentionnés ci-dessus. En résumé, les tubulures 36 d'entrée d'eau et les tubulures 34 de sortie de vapeur communiquent entre elles par un grand nombre de tubes 42. Il faut noter que cinq tubes 42 sont fixés sur chaque plaque à tubes de la figure 2, mais un seul est représenté de façon claire pour faciliter la compréhension. les tubes 42 ne sont pas représentés en détail mais il apparats que chacun d'entre eux forme un serpentin dans sa partie médiane afin d'obtenir une grande surface de contact entre les tubes et le sodium métallique et augmenter ainsi le rendement d'échange thermique entre eux, pour absorber les contraintes dues à la dilatation thermique pendant l'échauffement et pour permettre de recevoir un grand nombre de tubes 42 dans le volume limité de la coque 24.De l'eau qui a déjà été mise sous pression chauffée dans une plage qui n'est pas le point d'ébullition est introduite dans chaque tubulure 36 d'entrée d' eau. ta position de la partie d'extrémité supérieure de chaque tube 42, relié à la plaque à tubes supérieure 38 est choisie pour coïncider avec celle de la partie d'extrèmité inférieure correspondante branchée sur la plaque à tube inférieure 40. Grâce à cette disposition, les tubes 42 ont la même longueur, de sorte que l'allongement des tubes 42 respectifs par dilatation thermique est le mêmr pour chacun d'entre eux. te mode de fonctionnement du générateur de vapeur 20 réalisé de la anière décrite ci-dessus sera maintenant expliqué Du sodium liquide utilisé comme agent de refroidissement primaire est chauffé jusqu a environ 500 OC par le réacteur surrégénérateur rapide. Du sodium liquide utilisé comme agent de refroidissement secondaire est chauffé d'une façon si-.ilaire jusau'à environ 500 C ou moins par l'agent de refroidiesement primaire. te sodium liquide remplissant la fonction d'agent secondaire circule à partir du haut ans l'enveloppe 22 du générateur de vapeur 20, par les tubulures d'entrée 36.Par ailleurs, de l'eau qui a été préalablement chauffée au dessous de son point d'ébullition circule à partir du bas dans les tubes 42 correspondants, par les tubulures 36 d'entrée d'eau. De la chaleur est échangée entre l'eau qui circule vers le haut dans les tubes respectifs 42 et le sodium liquide à à haute température. L'eau reçoit de la chaleur du sodium liquide et elle s'échauffe. Il en résulte qu'elle se met à bouillir et devient de la vapeur. Au contraire, de la chaleur est extraite du sodium liquide par l'eau, et ce sodium se refroidit jusqu'à environ 400 0 C. ta vapeur produite qui possèdeune haute enthalpie sort à l'extérieur du générateur de vapeur 20 par les tubulures 34 de sortie de vapeur.Cette vapeur est à nouveau chauffée par un surchauffeur, et elle est fournie à une turbine qui tourne en raison de la haute enthalpie de la vapeur et grâce à laquelle du courant électrique est produit par une génératrice électrique. A ce moment, il existe un gradient de température entre les surfaces des plaques à tubes inférieures 40 aux tubulures 36 d'entrée d'eau et celles des plaques à tubes supérieures 78 aux tubulures 34 de sortie-de vapeur en contact avec l'eau et la vapeur, et les surfaces qui sont en contact avec le sodium liquide. Mais chacune des plaques à tubes supérieures et inférieures 38 et 40 est réalisée sous la forme d'une hémisphère. Par conséquent, lorsque par exemple la pression maximale de fonctionnement est 10 X 106 Pa et si le diamètre intérieur de chacune des tubulures 34 de sortie de vapeur et des tubulures 36 d' entrée d'eau est 100 cm, l'épaisseur de paroi. des plaques à tubes 38 et 40 nécessaire pour résister à la pression est de l'ordre de 135 mm.Cette épaisseur de paroi est nettement inférieure à celle de l'ordre de 560 mm, qui était nécessaire dans une plaque à tubes courante dans les conditions mentionnéesci-dessus. Il apparaît ainsi que l'invention apporte une réduction d'épaisseur de paroi des plaques à tubes 38 et 40. Dans ce mode de réalisation, l'épaisseur de paroi des plaques à tubes ,8 et40 et peut être réduite entre la moitié et le quart de celle nécessaire pour les plaques à tubes courantes, même si les conditions sont modifiées. Il en résulte que les contraintes thermiques excessives sont évitées dans les plaques à tubes respectives 38 et 40 de sorte aue ces dernières ne risquent pas de fuir. ta sécurité du générateur de vapeur 20 est ainsi considérablement améliorée. Par ailleurs, étant donné qu une réduction d'épaisseur de paroi des plaques à tubes 38 et 40 peut être obtenue, le poids de ces plaques peut être réduit. Bien entendu, de nombreuses modifications peùvent être apportées au mode de réalisation décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, les plaques à tubes ont été formées sous forme d'hémisphères creuses dans le mode de réalisation décrit ci-dessus. Nais cette réalisation n' est pas limitée à cette forme particulière, et une plaque à tubes 44 peut etre formée sous forme d'un hémisphèroSde creux. Dans ce cas, le grand axe de la sphère paut coïncider avec le diamètre intérieur de la tubulure 34 de sortie de vapeur comme le montre la figure 4, ou le petit axe peut coïncider avec lui comme le montre la figure 5. Dans un autre mode de réalisation représenté sur la figure 6, les tubulure 36 d'entrée d'eau et les tubulures 34 de sortie de vapeur peuvent être prévues à la périphérie et au centre de la joue supérieure 26. Les tubulures d'entrée 36 pour l'agent de refroidissement secondaire et la tubulure de sortie 34 pour l'agent de refroidissement secondaire peuvent être montées sur la circonférence extérieure supérieure de la coque 24 et au centre de la partie infériure de la joue inférieure 28. Dans ce cas chaque tube 42 , une forme en U comme le montre la figure. Dans ce mode de réalisation, les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner des éléments sem blazers qui ne seront d-c pas dcrit. REVENDICATIONS -------------------------- 1 - Générateur de vapeur, caractérisé en ce qu' il comporte une enveloppe (22) dans laquelle circule 'iii agent de refroidisse,nent à haut terêrature, au moins une première partie (35) prévue su ladite enveloppe pour in traire de l'eau ladite première partie étant un corps creux avec une première ouverture et une seconde ouverture, ladite première ouverture communiquant avec l'extérieur de ladite enveloppe et ladite seconde ouverture communiquant avec ltintérieur de ladite enveloppe, au moins une seconde - rtie (34) prévue sur ladite enveloppe pour la sortie de vapeur, ladite seconde partie étant un corps creux avec une troisième ouverture et une quatrième ouverture, ladite troisième ouverture communiquant avec l'exté- rieur de ladite enveloppe et ladite quatrième ouverture communiquant avec l'intérieur d ladite enveloppe, une première plaque d'extrémité (40) pour fermer ladite seconde ouverture, ladite première plaque d'extrémité comportant au moins un premier trou et délimitant une surface intérieure incurvée et une surface extérieure incurvée qui s étend à partir de la seconde ouverture, une seconde plaque d'extrémité (38) pour fermer ladite quatrième ouverture, ladite seconde plaque d'extrémité comportant au moins un second trou et délimitant une surface intérieure incurvée et une surface extérieure incurvée qui s'étendent à partir de ladite quatrième ouverture, et au moins un tube (42) disposé dans ladite enveloppe, une extrémité du tube communiquant avec l'un desdits premiers trous et étant fixée sur ladite première plaque d'extrémité et son autre extrémité communiquant avec 1' un desdits second trous et étant fixée sur ladite seconde plaque d'extrémité. 2 - Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde parties (56,34) sont en orme t cylindres creux, lesdites première et seconde plaques d'extrémité (40,38) étant en forme d'émisphère d'une épaisseur de paroi prédéterminée. 3 - Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première plaque d'extrémité (40) a un diamètre extérieur égal au diamètre extérieur de ladite premire partie (36), ladite seconde plaque d'extrémité (38) ayant un diamètre extérieur égal au diamètre extérieur de ladite seconde partie (34). 4 - Générateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdites première et seconde parties (76, 34) sont en forme de cylindres creux, lesdites première et seconde plaques d'extrémités (40,38) étant en forme d'hémisphèreide d'une épaisseur de paroi prédéterminée. 5 - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite première plaque d'extrémité (26) a un grand axe dont la longueur est égale au diamètre extérieur de ladite première partie, et ladite seconde plaque d'extrémité (38) a un grand axe dont la longueur est égale au diamètre extérieur de ladite seconde partie, les grands axes respectifs coupant perpendiculairement les axes longitudinaux respectivement de la première et de la seconde partie. 6 - Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite première plaque d'extrémité (40) a un petit axe dont la longueur est égale au diamètre extérieur de ladite première partie et ladite seconde plaque d'extrémité (38) a un petit axe dont la longueur est égale au diamètre extérieur de ladite seconde partie, les petis axes coupant perpendiculairement les axes longitudinaux, respectivement des première et seconde parties. 7 - Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite enveloppe '22, comporte une coque cylindricue creuse (24) avec des extrémités ouvertes, l'axe longitudinal de ladite coque étant dirigé dans une direction perpendiculaire, une joue supérieure (26) en forme de panneau pour fermer la partie d'extrémité supérieure ouverte de ladite coque et une joue inférieure (28) en forme de panneau pour fermer la partie d'extrémité inférieure ouverte de ladite coquille. 8 - Générateur selon la revendication 7, carac téris en ce que ladite joue supérieure (26) comporte un orifice d'entrée (30) pour l'agent de refroidissement dans a partie médiane, la joue inférieure (28) comportent un orifice de sortie (,2) Cour l'agent de refroidissement dans sa partie médiane. 9 - Générateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite première partie (36) est montée sur la partie d'extrémité inférieure ouverte de ladite coque 24) et la seconde partie (74) est montée sur la partie d'extrémité supérieure ouverte de ladite coque. 10 - Générateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite coque (24) comporte un orifice d'entrée (30) pour l'agent de refroidissement à sa partie d'extrémité supérieure ouverte, tandis que la joue inférieure (28) comporte un orifice de sortie (32) pour 1' agent de refroidissement dans sa partie médiane. il - Générateur selon a revendication 10, caractérisé en ce que lesdites première et seconde parties (34,36) sont toutes deux montées sur ladite joue supérieure (26).