Brevet FR2489581A1 — publié le 19820305

La présente invention a pour objet un réacteur nucléaire intégré à circulation du fluide primaire de refroidissement par convection mixte. Un réacteur nucléaire de type intégré est un réacteur pour lequel les échangeurs et les pompes pri- maires sont disposés dans une cuve qui contient tout le sodium du circuit primaire. Cette conception présente des avantages importants de compacité de sécurité de re- froidissement, de confinement du fluide actif. On connait des réacteurs nucléaires intégrés de ce type, en particulier à neutrons rapides, compor- tant une cuve suspendue, dont le coeur, disposé dans la cuve, est immergé sous un volume convenable d'un métal liquide en circulation assurant son refroidissement par extraction des calories dégagées par la fission nucléai- re dans les assemblages combustibles formant ce coeur. La cuve contenant le métal liquide, de forme générale cylindrique à fond sensiblement sphérique, est ouverte en partie haute et suspendue avec son axe verti- cal sous une dalle supérieure de protection fermant cet- te cuve et assurant la protection de l'environnement ex- térieur, cette dalle reposant par sa périphérie sur une portée d'appui prévue dans un caisson à paroi épaisse généralement en béton, délimitant une cavité recevant la cuve. La dalle supporte, outre un système de bouchons tournants disposé à la verticale du coeur et portant des moyens permettant d'accéder à celui-ci pour en assurer le contrôle et procéder à la manutention des assemblages combustibles, un ensemble d'échangeurs de chaleur et de pompes de circulation, répartis autour du coeur et plon- geant après traversée de la dalle dans le volume de métal liquide contenu dans la cuve. Le métal liquide chaud à la sortie du coeur parcourt les échangeurs o il cède les calories acquises puis est repris une fois re- froidi, dans la cuve par les pompes qui le renvoient sous une pression suffisante sous le coeur pour un nou- veau passage à travers celui-ci. On a représenté sur la figure 1, un réacteur nucléaire connu de ce type. La référence 1 désigne le coeur du réacteur nucléaire. Ce coeur 1 est disposé à l'intérieur d'une cuve 2, dite cuve principale, compor- tant notamment une virole latérale cylindrique 3 à axe vertical et un fond inférieur de forme générale sphéri- que 4. A son extrémité supérieure 5 la virole 3 est encastrée et suspendue sous une dalle horizontale 6, de notable épaisseur, fermant la cuve, cette dalle 6 com- portant à sa périphérie un épaulement 7, apte à venir reposer sur une portée d'appui correspondante 8 d'un caisson 9 en béton entourant le réacteur. La cuve 2 con- tient un volume convenable d'un métal liquide, générale- ment du sodium, dans lequel est immergé le coeur 1, le niveau supérieur 11 de ce volume de sodium dans la cuve étant lui-même surmonté sous la dalle 6 d'une atmosphère 12 de gaz inerte, généralement de l'argon. La cuve 2 est par ailleurs doublée extérieurement d'une seconde cuve à paroi parallèle 13, dite cuve de sécurité, permettant en cas d'accident sur la cuve principale 2, d'éviter que le sodium contenu dans celle-ci ne se répande, notamment à l'intérieur de la cavité 14 ménagée dans le caisson 9 et dans laquelle est disposé l'ensemble formé par les cuves 2 et 13. La dalle horizontale 6 fermant la partie supé- rieure de la cuve principale comporte, de façon connue, sensiblement au droit du coeur 1, un système de bouchons tournants 15, permettant à des organes de contrôle, de commande et de manutention, schématisés par la référence 16 et disposés sous les bouchons tournants 15 d'accéder au coeur 1 et de procéder dans celui-ci à certaines opé- rations nécessaires à son fonctionnement ou à son entre- tien. La dalle 6 supporte par ailleurs, répartis dans la cuve 2 sous le niveau 11 du sodium 10 qu'elle contient, des pompes de circulation 17 et des échangeurs de cha- leur 18, permettant au sodium 10 de circuler à l'inté- rieur de la cuve 2. Notamment, le coeur 1 est disposé à l'intérieur d'une cuve supplémentaire ou cuve interne 19, délimitant, dans la cuve principale 2, deux régions séparées, respectivement 20 et 21, le sodium chaud sor- tant du coeur et ayant acquis à la traversée de celui-ci les calories dégagées par la fission nucléaire, étant repris par les échangeurs 18 puis une fois refroidi à la sortie de ces derniers dans la région 21, aspiré par les pompes 18 pour être renvoyé par des conduits de forte section 22 dans un sommier 23 supportant le coeur 1, afin d'assurer un nouveau passage à travers celui-ci. L'invention concerne un réacteur nucléaire de type intégré dans lequel la circulation du fluide pri- maire de refroidissement s'effectue par convection mixte. Cette disposition permet notamment de réduire la masse de métal (suppression de viroles intermédiaires). Plus précisément, le réacteur nucléaire à neu- trons rapides comportant une cuve suspendue, contenant un volume d'un métal liquide de refroidissement, un coeur immergé dans le métal liquide, un circuit primaire du métal liquide remplissant la cuve circulant au tra- vers du coeur dans le sens ascendant et un circuit se- condaire d'un fluide mis en circulation par des pompes extérieures à la cuve du réacteur, le fluide primaire et le fluide secondaire échangeant des calories dans des échangeurs intermédiaires répartis à la périphérie de la cuve, se caractérise, en ce qu'il comporte un déflecteur entourant le coeur pour dévier le métal liquide sortant du coeur et en ce que la circulation du fluide primaire, dans les échangeurs intermédiaires s'effectue par con- vection naturelle. De préférence, les échangeurs intermédiaires équipant le réacteur de l'invention comportent un faisceau de tubes parallèles, dans lesquels circule le fluide secondaire, une canalisation d'entrée et une ca- nalisation de sortie du fluide secondaire, un collecteur d'entrée entre la canalisation d'entrée et le faisceau de tubes et un collecteur de sortie entre le faisceau de tubes et la canalisation de sortie, le fluide primaire circulant entre les tubes du faisceau et échangeant des calories avec le fluide secondaire. Cetéchangeur se ca- ractérise en ce que les collecteurs d'entrée et de sor- tie sont constitués chacun par une formation arborescen- te de tubes comportant plusieurs niveaux successifs, un tube d'un niveau se divisant en plusieurs tubes au ni- veau suivant, la section de passage du fluide restant constante d'un niveau à l'autre, et une virole entourant le faisceau de tube sur une partie de sa hauteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement après lecture de la description qui suit, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins anne- xés, sur lesquels: - la figure 2 représente une vue en coupe d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides de type inté- gré conforme à l'invention: - les figures 3 et 4 représentent respective- ment une vue longitudinale en coupe et une vue de dessus d'un échangeur conforme à l'invention. On a représenté-sur la figure 2 une coupe d'un réacteur nucléaire conforme à l'invention. Bien que ce réacteur soit d'un type différent de celui de la figu- re 1, on a désigné par des références identiques les parties de ce réacteur correspondant à celles du réac- teur représenté sur la figure 1. Le coeur 1, immergé dans le sodium liquide 10 contenu dans la cuve principa- le 2, est entouré par un déflecteur 25. Des pompes 17 sont disposées concentriquement au coeur. Ces pompes peuvent être par exemple identiques à celles qui équi- pent le réacteur français Phénix. Elles aspirent le so- dium 10 et l'envoient par des conduits de forte section 22 dans le sommier 23 supportant le coeur 1 afin d'assu- rer son passage au travers de celui-ci. Autour des pompes 17 sont disposés des échan- geurs intermédiaires de chaleur 24. Ces échangeurs sont répartis sur un cercle concentrique à celui des pompes 17. Les échangeurs intermédiaires 24 permettent un échange de chaleur entre le sodium chaud sortant du coeur 1 et le fluide du circuit secondaire, par exemple du sodium liquide, qui est ensuite dirigé vers un géné- rateur de vapeur (non représenté). Des pompes extérieu- res au bloc réacteur (non représentées) assurent la cir- culation du fluide secondaire dans le circuit secon- daire. Le fluide secondaire est amené à l'échangeur in- termédiaire 18 par une canalisation de forte section 29, puis après avoir traversé l'échangeur, il en est évacué par une autre canalisation 31 également de forte section. Un baffle 33 est disposé à l'intérieur de la cuve 2 à sa partie supérieure. Selon un premier mode de réalisation de l'in- vention, représenté sur la partie droite de la figure 2, la canalisation 29 d'arrivée du fluide de refroidissem- ent secondaire passe à l'intérieur du cercle de la viro- le 33. Cette solution présente l'avantage d'être démon- table. En effet, en cas d'avarie, on peut retirer l'é- changeur 24de la cuve en le faisant passer au travers d'un trou pratiqué dans la dalle 6, ce trou étant obturé par un bouchon au cours du fonctionnement normal du réacteur. Pour cette solution, il est nécessaire de re- froidir le baffle 33. Ce refroidissement est assuré au moyen d'un serpentin de refroidissement 35 fixé sur le baffle 33. Selon un second mode de réalisation représenté à la partie gauche de la figure 2, la canalisation 29 par laquelle le sodium froid pénètre dans la cuve passe entre la cuve principale 2 et le baffle 33. Le refroi- dissement de la partie supérieure de la cuve est alors assuré par le fluide secondaire froid. Contrairement au premier, ce second mode de réalisation n'est pas démontable. En effet, le baffle 33 retient l'échangeur à l'intérieur de la cuve. La circulation du sodium 10 est la suivante. Le sodium chaud sortant de 1 s'étale près de la surface libre 11, sur une hauteur de 1 m environ, et alimente les échangeurs intermédiaires 24 après avoir traversé le cercle des pompes 17. Le sodium primaire froid est aspi- ré à la partie inférieure de la cuve 2 par les pompes 17. La circulation de ce sodium primaire s'effectue de haut en bas, par convection mixte, c'est-à-dire par convec- tion naturelle et par les pompes 17 assurant l'entrée du sodium liquide dans le coeur du réacteur 1. La circula- tion du fluide secondaire s'effectue à contre-courant de la circulation du fluide primaire, c'est-à-dire de bas en haut, sous l'action des pompes de circulation exté- rieure. Dans l'exemple de réalisation décrit, les pom- pes de circulation 17 sont du même type que celles qui sont utilisées pour le réacteur français Phénix. Elles sont au nombre de seize à vingt. Ces pompes pourraient être également d'un autre type intermédiaire entre les pompes du réacteur Phénix et celles du réacteur Super- phénix. Dans ce cas, huit pompes sont suffisantes pour assurer la circulation du sodium primaire 10. Les échangeurs intermédiaires 24 sont au nom- bre de quarante-quatre. Les différences entre le réacteur nucléaire de l'invention et le réacteur de l'art antérieur résident dans le fait que les cuves internes 19 délimitant deux régions séparées dans la cuve 2 du réacteur sont suppri- nées. D'autre part, le circuit de refroidissement de la cuve principale qui existait à partir du cendrier est également supprimé. Le réacteur nucléaire de l'invention apporte ainsi une simplification de la structure du bloc réacteur. D'autre part, l'invention permet une réduction de la taille de ce dernier dont le diamètre atteint ac- tuellement 20 m pour les réacteurs nucléaires de type connu. On a représenté sur la figure 3 une vue en coupe d'un échangeur intermédiaire équipant le réacteur nucléaire représenté sur la figure 2. Cet échangeur com- porte un faisceau de tubes 40 parallèles et de faible section à l'intérieur desquels circule de bas en haut, le fluide du circuit secondaire. Le fluide secondaire est amené par quatre ca- nalisations 29 de forte section. Un collecteur d'entrée 48, raccordé à chaque canalisation 29, répartit le flui- de secondaire entre les tubes du faisceau. A la partie supérieure des tubes 40, un collecteur de sortie 50 per- met de collecter le fluide secondaire chaud sortant de l'échangeur 24 et de le diriger au moyen de la canalisa- tion de forte section 31 vers le générateur de vapeur (non représenté). Le collecteur d'entrée 48 est constitué de la manière suivante. Chaque canalisation de forte section 29 se divise en quatre canalisations 52 dont la section totale de passage est au moins égale à celle de la cana- lisation 29. C'est-à-dire que le diamètre d'une canali- sation 52 est approximativement la moitié de celui de la canalisation 29. Chacune des canalisations 52 se divise à son tour en quatre canalisations 54, la section de passage de ces quatre canalisations 54 étant au moins égale à celle d'une canalisation 52. Ainsi, la section totale de passage des seize canalisations 54 est supérieure à la section de passage de la canalisation 29. Enfin, chacune des canalisations 54 se divise elle-même en quatre cana- lisations 56 raccordées à quatre tubes 40. Le collecteur 50 est réalisé de la même ma- nière. Chacun des tubes 40 est raccordé à une canalisa- tion 58 de faible diamètre. Quatre tubes 40 débouchent dans une canalisation 60, quatre canalisations 60 débou- chant elles-mêmes dans une canalisation 62. Quatre cana- lisations 62 débouchent dans la canalisation unique 64, et enfin quatre canalisaions 64 débouchent dans la con- duite de forte section 31. Le faisceau de l'échangeur 24 se compose ainsi de mille vingt quatre tubes 40 régulièrement espacés, à l'intérieur desquels le fluide secondaire circule de bas en haut. Le fluide du circuit primaire circule autour des tubes parallèles 40 en échangeant des calories avec le fluide du circuit secondaire. Une virole extérieure 42, s'étendant sur une partie seulement de la hauteur de l'échangeur et entourant celui-ci permet notamment de supporter des grilles d'espacement des tubes du fais- ceau. La circulation du sodium primaire autour des tubes 40 s'effectue par convection naturelle. En effet, le sodium chaud sortant du coeur 1 est plus léger que le sodium froid. Il a par conséquent tendance à s'élever. Par contre, le sodium primaire qui pénètre dans l'échan- geur 24 se refroidit par échange de chaleur avec le so- dium secondaire. Sa densité augmente, il a donc tendance à descendre le long des tubes 40 de l'échangeur. On ob- tient ainsi une convection mixte, c'est-à-dire une cir- culation par convection naturelle dont le débit est accéléré par des pompes de circulation. On a représenté sur la figure 4 une vue de dessus d'un échangeur de chaleur équipant un réacteur nucléaire conforme à l'invention. On remarque la dispo- sition régulière des tubes 40 du faisceau à l'intérieur duquel circule le fluide de refroidissement secondaire, ainsi que la virole 42 entourant ce faisceau. Le fluide de refroidissement primaire circule de bas en haut dans les espaces 66 entourant les tubes 40. REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire à neutrons rapides com- portant une cuve (2) suspendue, contenant un volume d'un métal liquide (10) de refroidissement, un coeur (1) im- mergé dans le métal liquide (10), un circuit primaire du métal liquide (10) remplissant la cuve (2) circulant au travers du coeur dans le sens ascendant et un circuit secondaire d'un fluide mis en circulation par des pompes extérieures à la cuve (2) du réacteur, le fluide primai- re (10) et le fluide secondaire échangeant des calories dans des échangeurs intermédiaires (24) répartis à -la périphérie de la cuve (2), caractérisé, en ce qu'il com- porte un déflecteur (25) entourant le coeur (1) pour dévier le métal liquide (10) sortant du coeur et en ce que la circulation du fluide primaire (10), dans les échangeurs intermédiaires (24) s'effectue par convec- tion naturelle. 2. Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque échangeur intermédiaire (24) comportant un faisceau de tubes (40) parallèles, dans lesquels circule le fluide secondaire, une canali- sation d'entrée (29) et une canalisation de sortie (31) du fluide secondaire, un collecteur d'entrée (48) entre la canalisation d'entrée (29) et le faisceau de tubes (40) et un collecteur de sortie (50) entre le faisceau de tubes (40) et la canalisation de sortie faisceau et échangeant des calories avec le fluide se- condaire, caractérise en ce que les collecteurs d'en- trée (48) et de sortie (50) sont constitués chacun par une formation arborescente de tubes (52, 54, 56, 58, 60, 62) comportant plusieurs niveaux successifs, un tube d'un niveau se divisant en plusieurs tubes au niveau suivant, la section de passage du fluide variant peu d'un niveau à l'autre, et une virole (42) entourant le faisceau de tubes (40) sur une partie de sa hauteur. 3. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il com- porte un baffle (33) le long de la virole latérale cy- lindrique (3) de la cuve, ce baffle (33) étant muni dans sa partie supérieure d'un serpentin de refroidisse- ment (35). 4. Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la ca- nalisation d'amenée (29> du fluide secondaire passe en- tre le baffle (33) et la virole (3) de la cuve (2).