Brevet FR2505078A1 — publié le 19821105

L'invention concerne un dispositif de refroidissement de la cuve prin- cipale d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides de type intégré comportant une cuve à symétrie de révolution autour d'un axe vertical appelée "cuve prin- cipale". Dans ce type de réacteur, la cuve principale contient un liquide de refroidissement à l'intérieur duquel est immergé le coeur du réacteur cons- titué par des assemblages combustibles juxtaposés et dégageant de la chaleur produite par fission qui est cédée au liquide de refroidissement remplissant la cuve, généralement du sodium liquide. La cuve est fermée à sa partie supérieure par une dalle de forte épais- seur qui est elle-même supportée par le caisson en béton du réacteur La cuve principale est généralement fixée sur la dalle, si bien que l'ensemble de la cuve, des composants et du sodium qu'elle contient est suspendu à la dalle par l'intermédiaire de la partie supérieure de la cuve qui subit ainsi des contraintes importantes. Il est donc nécessaire d'éviter que la température de la cuve princi-. pale, en contact avec le sodium liquide, soit portée à une température éle- vée ou subisse des variations de température, pendant le fonctionnement du réacteur. D'autre part, une cloison à symétrie de révolution, généralement dou- ble, sépare le volume intérieur de la cuve principale en deux zones dont l'une contient le coeur du réacteur Dans cette zone, le sodium liquide traversant le coeur de bas en haut ressort du coeur à une température de l'ordre de 5600 C, alors que le sodium pénètre dans le coeur, à la partie inférieure de celui-ci, à une température de l'ordre de 4000 C. Pour cette raison, le sodium sortant du coeur et remplissant la pre- mière zone de la cuve principale est appelé "sodium chaud" alors que le so- dium entrant dans le coeur du réacteur est appelé "sodium froid". Un ensemble d'échangeurs de chaleur appelés "échangeurs intermédiaires" est d'autre part disposé à l'intérieur de la cuve principale, de façon que l'entrée de fluide primaire dans ces échangeurs soit disposée à l'intérieur de la première zone contenant le sodium chaud et que la sortie de fluide primaire débouche dans la seconde zone ménagée dans la cuve principale par la cloison de séparation A l'intérieur de ltéchangeur intermédiaire, le so- dium remplissant la cuve appelé "sodium primaire" échauffe du sodium appelé "sodium secondaire" qui est envoyé à des générateurs de vapeur dans lesquels il produit la vaporisation de l'eau alimentaire Le sodium primaire venant de la première zone s'est refroidi en échauffant le sodium secondaire, si bien que la seconde zone de la cuve principale reçoit du sodium froid qui est envoyé à partir de cette zone, grâce à un ensemble de pompes immergées dans la cuve, à la partie inférieure du coeur du réacteur, sous les assem- blages, grâce aux tuyauteries de sortie des pompes qui sont en communication avec cette partie du coeur. Pour assurer le refroidissement et le maintien à température constante de la cuve principale, on provoque d'autre part une circulation de sodium froid en contact avec la surface intérieure de celle-ci, au moins dans sa partie supérieure Pour celà, on dispose au moins deux viroles cylindriques à l'intérieur de la cuve et coaxialement à celle-ci. La virole de plus grand diamètre, ou virole externe, ménage entre sa surface externe et la surface intérieure de la cuve principale un espace annulaire qui est mis en communication avec la partie inférieure du coeur c'est-à-dire la zone o est injecté le sodium froid. Les deux viroles ménagent entre elles un second espace annulaire qui est mis en communication avec la seconde zone ménagée dans la cuve renfer- mant le sodium froid Ces deux espaces annulaires débouchent à leur partie supérieure dans une zone comprise entre la dalle et le niveau supérieur de sodium dans la cuve qui est rempli par une couverture de gaz inerte proté- geant la dalle. Une partie du sodium froid injecté par les pompes est envoyée dans le passage annulaire externe et circule dans celui-ci de bas en haut en contact avec la surface interne de la cuve principale qu'il refroidit et maintient à la température du sodium froid A la partie supérieure de l'espace exter- ne, le sodium s'écoule dans le second espace annulaire pour redescendre par gravité dans la seconde zone de la cuve renfermant le sodium froid. On a imaginé divers perfectionnements à ce dispositif de refroidisse- ment par circulation de sodium froid mais dans tous les cas la virole exter- ne subit sur sa surface externe la pression du sodium liquide à sa partie supérieure o cette pression n'est pas équilibrée par la pression du sodium contenu dans le second espace annulaire, à cause de la différence de niveau du sodium dans ces deux espaces, permettant son écoulement d'un espace vers l'autre. De la même façon, la partie inférieure de la virole subit une pression différentielle due à la différence de hauteur des colonnes de sodium dans les deux espaces annulaires. Il est donc nécessaire de prévoir des viroles résistantes et donc d'une épaisseur importante Le poids de l'ensemble supporté par la cuve principale en est augmenté d'autant. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de refroidis sement de la cuve principale d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, de type intégré, comportant une cuve à symétrie de révolution autour d'un axe vertical, appelée "cuve principale", renfermant un liquide de refroidisse- ment et à l'intérieur de laquelle sont disposés le coeur du réacteur, une pluralité d'échangeurs de chaleur utilisant coime fluide primaire le liqui- de de refroidissement, une cloison à symétrie de révolution autour de l'axe de la cuve disposée à une certaine hauteur dans la cuve et à la périphérie du coeur ménageant dans cette cuve deux zones distinctes dont l'une contien le coeur et le sodium échauffé au contact de ce coeur qui sort de cette première zone par l'entrée de fluide primaire des échangeurs de chaleur don la sortie de fluide primaire se trouve dans la seconde zone contevant du li. quide refroidi par les échangeurs de chaleur qui est entrainé par les pou- pes et injecté à la partie inférieure du coeur, et au moins deux viroles coaxiales par rapport à la cuve principale et disposées à l'intérieur de celle-ci sur une certaine hauteur, au-dessus de la cloison ménageant entre elles et entre la virole de plus grand diamètre ou virole externe et la cu- ve, au moins deux espaces annulaires pour le passage du liquide de refroi- dissement débouchant l'un à la partie inférieure du coeur et l'autre dans la seconde zone, ces deux espaces annulaires étant d'autre part en commu- nication, à leur partie supérieure avec une zone située à la partie supé- rieure de la cuve et remplie par du gaz inerte de couverture, ce disposi- tif de refroidissement devant permettre d'utiliser des viroles de résis- tance mécanique moindre et donc d'épaisseur moindre, pour délimiter les es- paces de circulation du sodium froid et conduire ainsi à un gain de poids sur l'ensemble des composants disposés à l'intérieur de la cuve. Dans ce but, l'espace annulaire limité par la cuve principale et la virole externe, ou espace externe, est en communication avec la seconde zone contenant du liquide refroidi et l'espace interne limité par les deux viroles entre elles est en communication, par l'intermédiaire d'au moins un conduit, avec la partie inférieure du coeur o est injecté le liquide froid dont une partie est ainsi amenée à circuler de bas en haut dans le second espace, avant de s'écouler dans l'espace externe, au niveau de la zone supérieure de la cuve occupée par la couverture gazeuse et de redes- cendre par gravité jusqu'à la partie inférieure du coeur en restant en con- tact avec la surface intérieure de la cuve principale, assurant ainsi le refroidissement de cette cuve. On va maintenant décrire à titre d'exemples non limitatifs, en se ré- férant aux figures jointes en annexe, deux modes de réalisation d'un dispo- sitif de refroidissement suivant l'invention par comparaison avec un dis- positif de refroidissement suivant l'art antérieur. La figure 1 représente, dans une demi-vue en coupe par un plan de symétrie vertical, la cuve d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides de type intégré, comportant un dispositif de refroidissement suivant l'art an- térieur. La figure 2 représente une demi-vue en coupe par un plan vertical de symétrie d'une cuve de réacteur nucléaire à neutrons rapides comportant un dispositif de refroidissement de la cuve principale suivant un premier mo- de de réalisation de l'invention. La figure 3 représente dans une demi-vue en coupe par un plan de sy- métrie, une cuve d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, munie d'un dispositif de refroidissement de la cuve principale suivant l'invention, selon un second mode de réalisation. Sur la figure 1, on voit le caisson 1 d'un réacteur nucléaire à neu- trons rapides sur lequel est fixée la dalle 2 recouvrant la cuve du réacteur. La cuve principale 3 est fixée sur la dalle à sa partie supérieure cependant que la cuve de sécurité 4 recouverte d'une couche de matière iso- lante 5 est fixée sur le caisson La cuve principale 3 contient du sodium liquide jusqlau rniveau 6 dans lequel plonge le coeur 7 du réacteur reposant sur un sotmier/et un platelage 9 reposant lui-même sur le fond de la cuve principale 3 Le volume interne de la cuve principale 3 est séparé en deux zones distinctes par une double cloison 10 en appui sur le platelage 9 à la périphérie du coeur et constituée par une paroi torique 11 et une paroi cylindro-conique 12 Cette double cloison, encore appelée redan, permet d'isoler le sodium contenu dans la zone supérieure 14 renfermant le coeur 7, du sodium contenu dans la zone inférieure torique 15. Des échangeurs de chaleur intermédiaires et des pompes non représen- tés permettent d'une part le refroidissement du sodium chaud contenu dans la zone 14 au contact du sodium secondaire, le passage de ce sodium de la zone 14 à la zone /15 et enfin l'injection du sodium froid prélevé dans la zone 15 à la partie inférieure du coeur, dans le sommier 8. Le sodium froid réinjecté à la base du coeur traverse celui-ci de bas en haut, se réchauffe puis passe de la zone 14 à la zone 15 par les échan- geurs intermédiaires. En plus du redan, sont disposées dans la cuve et coaxialement à celle-ci une virole externe 16 et une virole interne 17 dont les parties situées au- dessus de la zone 15 limitent entre elles et entre la virole externe et la cuve principale 3 deux espaces annulaires 19 et 20 dans lesquels circule le sodium froid. Pour permettre cette circulation de sodium froid, la virole 16 est prolongée de façon à mettre en communication l'espace 19 avec la base du coeur, sous le sommier 8, à l'endroit o l'injection de sodium froid est effectuée. Ainsi qu'il est montré par les flèches 21, une circulation de sodium froid s'établit de bas en haut dans l'espace annulaire 19 ménagé entre la virole externe 16 et la cuve principale 3. A la partie supérieure du passage annulaire 19 qui débouche sous la dalle 2 dans l'espace 24 ménagé entre la dalle et le niveau 6 du sodium liquide et rempli par un gaz inerte, par exemple de l'argon, le sodium li- quide froid s'écoule le long de la virole 16 à l'intérieur de l'espace an- nulaire 20, ce sodium redescendant par gravité dans la partie 15 de la cu- ve contenant le sodium froid. Le passage annulaire 20 est mis en communication avec la zone 15 con- tenant le sodium froid par l'intermédiaire d'un orifice calibré 25 permet- tant de régler la perte de charge lors de la circulation du sodium. La circulation du sodium froid en contact avec la paroi interne de la cuve principale 3 permet de refroidir celle-ci et de la maintenir à une tem- pérature pratiquement constante et correspondant à la température du sodium avant son entrée dans le coeur. Le pompage du sodium liquide et les pertes de charge lors de sa cir- culation permettent de maintenir une différence de niveau entre le sodium remplissant le conduit 19 et le sodium s'écoulant dans le conduit 20. Sur la figure 2 on a représenté les éléments correspondant à ceux re- présentés sur la figure 1 affectés des mêmes repères. A la différence du mode de réalisation du dispositif de refroidisse- ment représenté à la figure 1 et correspondant à l'art antérieur, l'espace annulaire 19 est mis en communication par un ensemble d'ouvertures cali- brées 30 permettant d'assurer une perte de charge réglée lors de la circu- lation du sodium, avec la zone annulaire 15 renfermant le sodium froid, alors que l'espace annulaire 20 est mis en communication par l'intermédiai- re de conduits 31 avec la zone de la cuve disposée en dessous du sommier 8 o est injecté le sodium froid. De cette façon, la circulation du sodium froid se fait suivant la di- rection et le sens indiqués par les flèches 32 Le sodium froid circule donc d'abord à l'intérieur des conduits 31 par lesquels il parvient dans l'es- pace annulaire 20 qu'il parcourt de bas en haut jusqu'au niveau de l'espa- ce compris entre la dalle et le niveau 6 du sodium liquide o se situe l'ex- trémité supérieure de la virole externe 16. Le sodium froid s'écoule alors par gravité dans l'espace annulaire 19 le long de la surface externe de la virole 16. Une différence de niveau du sodium dans les espaces annulaires 20 et 19 respectivement est maintenue comme précédemment gr 9 ce au pompage et par les pertes de charge en particulier au niveau des ouvertures 30. Dans l'espace annulaire externe 19, le sodium s'écoule vers le bas par gravité, en contact avec la surface intérieure de la cuve principale 3, qu'il refroidit et maintient à la température du sodium froid c'est-à-dire vers 4000 C Le retour du sodium froid dans la zone 15 se fait par l'inter- médiaire des ouvertures calibrées 30. On voit que par rapport au dispositif selon l'art antérieur représen- té sur la figure 1, le dispositif suivant l'invention a l'avantage de met- tre la virole externe 16 sous pression interne alors que cette virole est sous pression externe dans le dispositif de l'art antérieur De même, la partie inférieure du baffle qui prolonge la virole 16 jusqu'au niveau du sommier 8 n'est plus soumise qu'à une pression différentielle interne de faible amplitude. De cette façon on peut réduire l'épaisseur de la virole 16 et ainsi obtenir un gain de poids substantiel lors de la conception du réacteur. La différence de niveau h entre le sodium remplissant l'espace annu- laire et le sodium en écoulement dans l'espace annulaire 19 est de l'ordre de deux mètres pour les réacteurs nucléaires construits actuellement, dont la cuve a un diamètre de l'ordre de vingt mètres. La partie de la cuve principale 3 disposée sur cette hauteur h, entre le niveau du sodium dans l'espace 20 et le niveau du sodium dans l'espace 19, n'est pas en contact avec le sodium comme dans le cas du dispositif de l'art antérieur. Cependant, ceci n'entratne pas de fortes différences de température entre les points de la cuve en contact avec ce sodium et les points de la cuve en contact avec le gaz surmontant le sodium car, d'une part la cuve de sécurité 4 est calorifugée, ce qui évite les déperditions thermiques de la cuve principale, et d'autre part l'apport calorifique du rayonnement de la virole externe 16 au niveau de la zone de hauteur h maintient la cuve principale, dans cette zone, à une température proche de la température du reste de la cuve. Sur la figure 3 on a représenté un second mode dé réalisation du dis- positif de refroidissement suivant l'invention, o la virole 17 est d'une hauteur réduite et o l'espace 20 est en communication par sa partie infé- rieure avec la partie inférieure du coeur par l'intermédiaire de conduits tels-que 35 passant dans l'espace central de la cloison 10 disposé entre les deux parties de la cloison constituant le redan. L'espace annulaire 19 communique, comme pour le dispositif représen- té à la figure 2 avec la zone 15 renfermant le sodium froid par des orifi- ces calibrés tels que 30. Le fonctionnement du dispositif est pratiquement identique au fonc- tionnement du dispositif représenté à la figure 2, une petite partie du sodium froid injecté sous le sommier 8 passant dans le conduit 35 et de là, dans l'espace annulaire 20 constituant un déversoir pour l'écoulement du sodium dans l'espace annulaire 19, pour le refroidissement de la cuve prin- cipale 3 et le retour du sodium dans la zone torique par les ouvertures 30. Ce dispositif présente les mêmes avantages que le dispositif repré- senté à la figure 2. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on peut imaginer d'autres moyens pour relier l'espace annulaire 20 constituant un déversoir pour le sodium liquide avec la par- tie inférieure du coeur. On peut également imaginer un mode de liaison quelconque entre l'es- pace 19 ménagé entre la cuve principale et la virole externe et la zone telle que 15 renfermant le sodium froid, pour le recyclage de celui-ci. Le dispositif suivant l'invention peut s'appliquer quelles que soient la forme et la constitution du redan, que celui-ci soit constitué par une cloison simple ou par une cloison double. Enfin, le dispositif suivant l'invention s'applique dans le cas de tous les réacteurs à neutrons rapides de type intégré. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement de la cuve principale ( 3) d'un réac- teur nucléaire à neutrons rapides de type intégré comportant une cuve à sy- métrie de révolution autour d'un axe vertical appelée cuve principale ren- fermant un liquide de refroidissement et à l'intérieur de laquelle sont disposés le coeur ( 7) du réacteur, une pluralité de pompes pour la mise en circulation du liquide de refroidissement et une pluralité d'échangeurs de chaleur utilisant comme fluide primaire le liquide de refroidissement, une cloison ( 10), à symétrie de révolution autour de l'axe de la cuve disposée à une certaine hauteur dans la cuve ( 3) et à la périphérie du coeur ( 7) ménageant dans cette cuve des zones distinctes dont l'une ( 14) contient le coeur ( 7) et le sodium échauffé au contact de ce coeur qui sort de cette première zone par l'entrée de fluide primaire des échangeurs de chaleur dont la sortie de fluide primaire se trouve dans la seconde zone ( 15) con- tenant du liquide refroidi par les échangeurs de chaleur qui est entraîné par les pompes et injecté à la partie inférieure du coeur, et au moins deux viroles ( 16, 17) coaxiales par rapport à la cuve principale ( 3) et dispo- sées à l'intérieur de celle-ci sur une certaine hauteur au-dessus de la cloison ( 10) et ménageant entre elles et entre la virole ( 16) de plus grand diamètre ou virole externe et la cuve ( 3) au moins deux espaces annulaires ( 19, 20) pour le passage du liquide de refroidissement débouchant l'un à la partie inférieure du coeur ( 7) et l'autre dans la seconde zone ( 15) ces deux espaces annulaires étant d'autre part en communication, à leur partie supérieure, avec une zone ( 24) située à la partie supérieure de la cuve et remplie par du gaz inerte de couverture caractérisé par le fait que l'es- pace annulaire ( 19) limité par la cuve principale ( 3) et la virole externe ( 16) ou espace externe, est en communication avec la seconde zone ( 15) con- tenant du liquide refroidi et que l'espace interne ( 20) limité par les deux viroles ( 16, 17) entre elles est en communication, par l'intermédiaire d'au moins un conduit ( 31, 35) avec la partie inférieure du coeur ( 7) o est in- jecté le liquide froid dont une partie est ainsi amenée à circuler de bas en haut dans le second espace ( 201 avant de s'écouler dans l'espace externe ( 19),au niveau de la zone supé- rieure ( 24) de la cuve occupée par la couverture gazeuse et de redescendre par gravité jusqu'à la partie inférieure du coeur en restant en contact avec la surface intérieure de la cuve principale ( 3) assurant ainsi le re- froidissement de cette cuve. 2. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, carac- térisé par le fait que le ou les conduits ( 31) mettant en communication l'espace interne ( 20) limité par les deux viroles ( 16, 17) avec la partie inférieure du coeur ( 7) traversent la seconde zone ( 15) de la cuve renfer- mant le sodium liquide froid. 3. Dispositif de refroidissement, dans le cas o la cloison ( 10) séparant le volume interne de la cuve principale ( 3) en deux parties, ou redan, est constituée par deux parois ( 11, 12) entre lesquelles existe un espace libre, caractérisé par le fait que le ou les conduits ( 35) mettant en communication l'espace annulaire interne ( 20) ménagé entre les deux vi- roles ( 16, 17) et la partie inférieure du coeur ( 7) sont disposés à l'in- térieur de l'espace libre ménagé entre les deux parties du redan ( 10).