Brevet FR2507373A1 — publié le 19821210

La présente invention se rapporte à un dis- positif de refroidissement post-accidentel de l'en- ceinte de confinement d'un réacteur nucléaire à eau sous pression. Les réacteurs nucléaires refroidis à l'eau ordinaire sous pression, producteurs d'énergie élec- trique, sont disposés dans des enceintes de confine- ment étudiées pour parer des accidents potentiels de rupture de la paroi contenant de l'eau sous pression. Ces enceintes peuvent résister aux conditions de pres- sion et de température dues -à la détente rapide de l'eau chaude résultant d'une telle pression Toute- fois, il est nécessaire de refroidir ensuite le coeur du réacteur et l'enceinte elle-même pour éviter une montée progressive de la pression et de la température due à la production de puissance radioactive résiduel- le dans le coeur. Divers moyens ont déjà été proposés pour as- surer le refroidissement de l'enceinte dans des condi- tions accidentelles On peut notamment effectuer une aspersion interne d'eau en refoulant par des pompes de l'eau prélevée d'un réservoir extérieur On peut aussi installer à l'intérieur de l'enceinte une réserve de glace susceptible de refroidir l'enceinte pendant un temps important sans qu'il soit nécessaire d'avoir re- cours à un apport d'énergie externe. Cependant, d'une manière générale, les dis- positifs de refroidissement de l'enceinte d'un réac- teur connus à ce jour rendent nécessaire un apport d'énergie externe dans un délai plus ou moins impor- tant si l'on veut éviter d'atteindre des conditions de température et de pression dangereuses pour l'encein- te La disponibilité de cette énergie nécessite des installations spéciales et pose un problème de fiabi- lité, de telle sorte qu'il est évidemment souhaitable de pouvoir disposer d'un dispositif pouvant fonction- ner de façon autonome sans aucun apport d'énergie ex- terne. La présente invention a précisément pour objet un dispositif de refroidissement de l'enceinte d'un réacteur nucléaire à eau sous pression ne présen- tant pas les inconvénients des dispositifs connus de la technique antérieure et pouvant notamment fonction- ner de façon autonome sans qu'aucun apport d'énergie soit nécessaire Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif fonctionnant selon un cycle à con- densation à partir d'un échange thermique entre l'air chaud, humide et sous pression contenu dans l'enceinte et un fluide caloporteur froid externe, pour obtenir une énergie mécanique permettant de réaliser toutes les fonctions nécessaires à la sauvegarde de l'instal- lation et, en particulier, les pompages de refroidis- sement. A cet effet et conformément à la présente invention, il est proposé un dispositif de refroidis- sement post-accidentel de l'enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, caracté- risé en ce qu'il comprend en série une turbine alimen- tée par l'air chaud humide contenu dans l'enceinte, un condenseur, dans lequel l'air sortant de la turbine est asséché et refroidi par contact thermique avec un fluide de refroidissement externe, et un compresseur actionné par la turbine et renvoyant l'air asséché dans l'enceinte. L'ensemble turbine-compresseur se maintient en effet en rotation après lancement lorsque la puis- sance mécanique fournie par la turbine, qui détend un mélange d'air chaud et de vapeur, est égale ou supé- rieure à celle absorbée par le compresseur, qui recom- prime le même débit d'air refroidi et un débit de va- peur largement diminué par passage dans le condenseur. Cette rotation assure la circulation dans l'appareil, avec recyclage, de l'ensemble de l'air humide contenu dans l'enceinte de confinement, jusqu'à ce que la dif- férence de température entre cet air et le fluide de refroidissement devienne insuffisante. Conformément à un mode de réalisation préfé- ré de l'invention, la turbine est également utilisée pour actionner une première pompe permettant d'alimen- ter le condenseur en fluide de refroidissement à par- tir d'au moins un réservoir disposé de préférence à l'extérieur de l'enceinte Le dispositif selon l'in- vention assure ainsi lui-même la circulation du fluide de refroidissement dans le condenseur sans apport d'énergie extérieure. De préférence, l'air renvoyé par le compres- seur traverse un échangeur de refroidissement avant de revenir dans l'enceinte La température de l'air reje- té dans l'enceinte est ainsi sensiblement inférieure à la température de l'air contenu dans l'enceinte Bien entendu, le fluide de refroidissement utilisé dans l'échangeur peut être le même que celui qui est utili- sé dans le condenseur La même pompe actionnée par la turbine peut alors assurer la circulation de ce fluide dans le condenseur et dans l'échangeur. Le retour du fluide de refroidissement dans le réservoir peut notamment être réalisé au moyen d'une rampe d'aspersion disposée au-dessus de ce ré- servoir, ce qui permet d'assurer le refroidissement du fluide en le mettant en contact avec l'atmosphère ex- terne avant qu'il revienne dans le réservoir. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, la turbine dont la rotation est commandée par la dépression créée dans le condenseur peut égale- ment servir à actionner une deuxième pompe permettant d'injecter de l'eau borée contenue dans un réservoir approprié directement dans le circuit primaire du réacteur, alors que cette injection de sécurité serait normalement assurée par une source externe d'énergie; la fonction d'injection peut évidemment être assurée, de manière redondante, par l'énergie de la turbine et par l'énergie externe Cette caractéristique est par- ticulièrement avantageuse, car elle permet au disposi- tif selon l'invention d'assurer simultanément le re- froidissement du coeur du réacteur, même en cas de défaillance d'énergie externe, ce qui évite pratique- ment la formation de gaz incondensables qui entrave- raient le fonctionnement du cycle à condensation en cas de détérioration du coeur. Conformément à encore une autre caractéris- tique de l'invention, la turbine peut aussi servir à actionner une'troisième pompe permettant d'extraire du condenseur l'eau de condensation pour la réinjecter à l'intérieur de l'enceinte du réacteur par l'intermé- diaire d'une rampe d'aspersion placée à la partie su- périeure de celle-ci Il est ainsi possible de mainte- nir la quantité de vapeur contenue dans l'enceinte à un niveau relativement constant, ce qui assure un fonctionnement correct du cycle de condensation. Bien entendu, le lancement de la turbine et du compresseur du dispositif selon l'invention lors d'une élévation de pression dans l'enceinte résultant d'un accident nécessite la mise en oeuvre de moyens particuliers Ainsi, on peut notamment avoir recours à une énergie stockée en utilisant par exemple un lan- cegr à air comprimé ou un démarreur électrique sur batterie mis en oeuvre automatiquement lors d'une élé- vation anormale de pression dans l'enceinte Toute- fois, pour des raisons de fiabilité qui ont déjà été évoquées, il est préférable de disposer également lors du lancement de moyens autonomes ne nécessitant aucun apport d'énergie extérieure. Conformément à un premier mode de réalisa- tion de l'invention, l'espace interne du condenseur peut notamment être relié à l'extérieur de l'enceinte par une tuyauterie de rejet munie d'un clapet de dé- marrage autorisant le débit uniquement vers l'exté- rieur, ladite tuyauterie étant équipée de moyens de rétention et de filtrage limitant les rejets radioac- tifs De préférence, le clapet de démarrage s'ouvre lorsqu'une surpression donnée s'établit dans l'en- ceinte On comprend qu'à-l'ouverture du clapet résul- tant de la différence de pression entre l'air contenu dans l'enceinte et l'atmosphère externe, il s'établit ainsi dans le dispositif une circulation d'air permet- tant de lancer la turbine et le condenseur et assurant ainsi l'autonomie du dispositif - Conformément à un deuxième mode de réalisa- tion de l'invention, l'espace interne du condenseur est initialement isolé de l'air contenu dans l'encein- te à l'amont par une membrane claquante qui se rompt lorsqu'une surpression donnée s'établit dans l'en- ceinte et à l'aval par un clapet De la même manière, on comprend que la différence de pression entre l'air contenu dans l'enceinte et l'air contenu dans le con- denseur provoquant la rupture de la membrane claquante permet d'établir vers le condenseur un courant d'air qui assure le lancement de la turbine et du compres- seur après ouverture du clapet. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, deux modes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe schémati- que montrant l'implantation d'un premier mode de réa- lisation du dispositif selon l'invention sur une cen- trale nucléaire à eau pressurisée dont on n'a repré- senté que la cuve du réacteur et l'enceinte de confi- nement de ce réacteur; et la figure 2 est une vue en coupe schémati- que partielle illustrant un deuxième mode de réalisa- tion des moyens assurant le démarrage du dispositif de la figure 1. Le dispositif selon l'invention est destiné à assurer le refroidissement de l'enceinte d'un réac- teur nucléaire refroidi à l'eau ordinaire sous pres- sion Ces réacteurs étant par ailleurs bien connus, on n'a représenté sur la figure 1 que les éléments néces- saires à la bonne compréhension de l'invention Ainsi, on voit sur cette figure la cuve sous pression 10 du réacteur contenant le coeur nucléaire 12, ainsi que les tubulures d'entrée et de sortie 14 de l'eau sous pression assurant le transfert de la chaleur dégagée dans le coeur jusqu'à un circuit eau-vapeur (non re- présenté) par l'intermédiaire de générateurs de vapeur appropriés On a également représenté sur la figure 1 l'enceinte de confinement 16 dans laquelle est logée la cuve 10 Après un accident éventuel, l'atmosphère interne 18 de l'enceinte est formée d'un mélange d'air et de vapeur. Conformément à l'invention, un dispositif utilise la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère interne 18 pour obtenir de l'énergie mécanique permettant de remplir toutes les fonctions nécessaires à la sauvegarde de l'installation Plus précisément, le dispositif 20 comprend une turbine 22 dans laquelle l'air contenu dans l'enceinte est admis par une tuyère 24 L'air humide sortant de la turbine 22 est acheminé par une canalisation 26 dans un con- denseur 28 Il ressort de ce condenseur par une cana- lisation 30 qui l'amène jusqu'à un compresseur 32 qui communique par une canalisation 34 avec un échangeur de refroidissement 36 L'air sec refroidi sortant de l'échangeur 36 est rejeté dans l'atmosphère interne 18 par une tubulure 38 Comme l'illustre de façon schéma- tique la figure 1, le compresseur 32 est entraîné en rotation par la turbine 22 Il peut notamment être monté directement sur l'arbre 22 a de cette dernière. Dans cette configuration, les canalisations 26 et 30 sont placées à angle droit par rapport à la turbine 22 et au compresseur 32, de telle sorte qu'il est néces- saire de prévoir des déflecteurs 40, 42. La condensation de la vapeur d'eau dans le condenseur 28 est obtenue par échange thermique entre l'air humide circulant dans ce dernier entre les cana- lisations 26 et 30 et un fluide de refroidissement tel que de l'eau froide circulant entre un collecteur d'entrée 28 a et un-collecteur de sortie 28 b dans des tubes d'échange, ou analogues 28 c L'eau froide admise dans le collecteur d'entrée 28 a est puisée dans un réservoir de reprise 44 alimenté gravitairement par une réserve d'eau froide 46 de grand volume qui commu- nique avec le réservoir 44, par une canalisation 48 équipée d'une vanne Cette réserve d'eau froide 46 peut notamment être constituée par le bassin de pied d'un réfrigérant atmosphérique utilisé pour la produc- tion d'énergie électrique, de tels réfrigérants attei- gnant de très grandesdimensions mais étant habituelle- ment situés à plusieurs centaines de mètres de l'en- ceinte, ce qui justifie l'implantation d'un réservoir de reprise 44 plus proche de celle-ci La canalisation mettant en communication le réservoir 44 avec le collecteur 28 a est équipée d'une pompe 52 De préfé- rence, cette pompe 52 est également entraînée par la turbine 22, comme on l'a représenté de façon symboli- que en 54 sur la figure 1 L'eau sortant du condenseur 28 par le collecteur de sortie 28 b s'échappe de l'en- ceinte de confinement par une canalisation 56 qui aboutit à une rampe d'aspersion 58 assurant sa réfri- gération atmosphérique On a représenté un retour à la réserve d'eau froide 46 mais si celle-ci est éloignée il peut être plus avantageux de placer la rampe d'as- persion 58 au-dessus du réservoir de reprise 44. De façon comparable, le refroidissement de l'air sec parvenu dans l'échangeur 36 est obtenu par échange thermique avec un fluide de refroidissement qui circule dans l'échangeur entre un collecteur d'en- trée 36 a et un collecteur de sortie 36 b au travers d'un faisceau de tubes 36 c ou analogue De préférence, ce fluide de refroidissement est également de l'eau froide prélevée dans le réservoir 44 et dont la circu- lation est également assurée par la pompe 52 entraînée par la turbine 22 A cet effet, la canalisation 50 présente en aval de la pompe 52 une bifurcation défi- nissant une première canalisation 50 a qui débouche dans le collecteur 28 a du condenseur et une seconde canalisation 50 b qui débouche dans le collecteur 36 a de l'échangeur De même, la canalisation 60 par la- quelle l'eau de refroidissement sort du collecteur 36 b de l'échangeur rejoint à l'intérieur de l'enceinte 16 la canalisation 56 par laquelle l'eau de refroidisse- ment sort du collecteur 28 b du condenseur L'eau de refroidissement sortant du condenseur à une tempéràtu- re modérée, par exemple 600 C, et la puissance thermi- que à extraire de l'échangeur 36 étant nettement moin- dre que celle à extraire du condenseur, on peut aussi, dans une variante non représentée, refroidir l'échan- geur 36 en série avec l'eau de refroidissement sortant du condenseur 28. Toujours comme on l'a représenté de façon symbolique en 54, la turbine 22 peut également entrai- ner une pompe 62 permettant d'extraire l'eau condensée du condenseur 28 et de l'acheminer par une canalisa- tion 64 jusqu'à une rampe d'aspersion 66 placée à la partie supérieure de l'enceinte 16 Cette aspersion contribue à refroidir l'atmosphère interne de l'en- ceinte tout en y maintenant une quantité de vapeur suffisante pour assurer le fonctionnement du cycle de condensation du dispositif 20. Dans les réacteurs à eau sous pression, la fusion du coeur, sous-l'effet de la puissance rési- duelle après perte de réfrigérant, est évitée grâce à des dispositifs d'injection d'eau borée sur le coeur, actionnés par des sources externes d'énergie qui doi- vent présenter une grande fiabilité Le dispositif se- lon l'invention permet d'actionner ces dispositifs mê- me en cas de défaillance de telles sources A travers la transmission représentée symboliquement en 54, la turbine 22 entraîne ainsi une troisième pompe 68 pré- levant de l'eau borée dans un réservoir 70 contenu à l'intérieur de l'enceinte 16, pour l'injecter directe- ment dans le circuit primaire du réacteur par une ca- nalisation 72 Sur la figure 1, cette injection se fait directement à l'intérieur de la cuve 10, au-des- sus du niveau supérieur du coeur 12. Lors d'une élévation de pression dans l'en- ceinte 16 résultant d'un accident de rupture de la paroi du circuit primaire, le lancement de la turbine 22 et du compresseur 32 peut notamment être obtenu en ayant recours automatiquement à une énergie stockée (lanceur à air comprimé, démarreur électrique sur bat- terie, etc). Sur la figure 1, on a représenté une autre solution qui consiste à isoler l'espace de condensa- tion défini à l'intérieur du condenseur 28 tant que la pression dans l'enceinte 16 n'atteint pas une valeur suffisante pour le lancement Cet isolement est réali- sé au moyen d'une membrane claquante 74 placée à l'en- trée de la tuyère 24 et d'un clapet 76 placé à la sortie de la tubulure 38 Lorsque la pression dans l'enceinte 16 dépasse une valeur déterminée par la membrane 74, celle-ci se rompt et l'air s'engouffre par la tuyère 24 et circule alors dans le sens des flèches sur la figure entre la turbine 22 et le clapet 76 La pression de rupture de la membrane 74 est cal- culée de telle sorte que le courant d'air qui en ré- sulte dans la turbine 22 est suffisante pour assurer ensuite l'entretien du cycle de condensation ainsi réalisé dans le dispositif 20. Sur la figure 2, on a représenté un autre mode de réalisation selon lequel le lancement de la turbine et du compresseur est obtenu en utilisant la différence de pression qui existe lors d'un accident entre la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte 116 et la pression atmosphérique externe Dans ce cas, la membrane 74 est supprimée et l'on maintient le cla- pet 176 au débouché de la tubulure 138; une tuyaute- rie de rejet 178 relie cette tubulure 138 à la partie inférieure d'une cheminée 180 disposée à l'extérieur de l'enceinte et comportant des moyens propres à limi- ter les rejets radioactifs, tels qu'un barboteur 182, des chicanes 184 et un filtre 186 Cette tuyauterie 178 est fermée par une vanne automatique 188; lorsque celle-ci est ouverte, il s'établit du fait de la pres- sion dans l'enceinte un courant gazeux traversant l'ensemble du dispositif selon l'invention et assurant son lancement; l'automatisme de la vanne 188 doit être tel que le lancement est assuré avec le minimum de pertes radioactives à l'extérieur. A cet effet, le déplacement de l'obturateur de la vanne 188 est commandé, d'une part, par un pis- il ton ou membrane 190 sur lequel s'exerce la différence de pression entre l'atmosphère interne de l'enceinte 116 et l'atmosphère externe, d'autre part, par un pis- ton ou membrane 192 attelé au précédent et sur lequel s'exerce la pression régnant dans le condenseur; un ressort 194 presse l'obturateur en fermeture, et un dispositif connu non représenté assure un fonctionne- ment brusque en ouvertures ou fermetures complètes Le rôle du premier piston 190 est d'assurer une ouverture de l'obturateur lorsque la pression interne dépasse une certaine valeur, ce qui assure le lancement du dispositif selon l'invention; le rôle du deuxième piston 192 est d'assurer la fermeture de l'obturateur lorsque le dispositif est lancé et que le condenseur se trouve ainsi à faible pression L'obturateur se rouvrirait toutefois si la pression dans l'enceinte atteignait une haute valeur, rendant souhaitable un rejet vers l'extérieur Un tel système de lancement peut être réglé pour fonctionner à une valeur déjà élevée de la surpression, pour suppléer aux défaillan- ces d'autres systèmes de lancement. Dans le-dispositif selon l'invention, il est à noter que la régulation de vitesse de l'ensemble turbocompresseur est automatique, d'une part du fait des caractéristiques des pompes entraînées, d'autre part parce qu'une éventuelle baisse de pression sup- plémentaire au-condenseur due à une survitesse accroît moins la puissance recueillie à la turbine que la puissance absorbée par le compresseur. A titre d'exemple, si l'on suppose qu'il rè- * gne dans l'enceinte une température de 1300 C et une pression totale de 4, 332 bars (pression de vapeur 2,856 bars et pression d'air 1,476 bars), la tempéra- ture sera de l'ordre de 900 C à la sortie de la turbine et la pression totale de 0,9 bar Le condenseur amène alors le mélange à 501 C sous 0,9 bar avant que le com- presseur ne le remonte à 4,382 bars et environ 2500 C. Le refroidissement dans l'échangeur 36 ramène ce mé- lange à 901 C avant son rejet dans l'enceinte. Si l'on choisit alors un débit nominal de kg/seconde d'air, la puissance extraite au conden- seur est de 34 MW, ce qui convient pour évacuer la puissance résiduelle d'un réacteur de 3000 MW thermi- ques La puissance mécanique fournie par la turbine est de l'ordre de 5 MW et la puissance absorbée par le compresseur de l'ordre de 2,5 MW, laissant une puis- sance disponible largement suffisante pour les pompa- ges d'eau envisagés. Par analogie avec des turbines à gaz exis- tantes, il semble ainsi possible de recourir à des turbines et à des compresseurs de diamètre inférieur à 0,6 m, le condenseur et l'échangeur ne dépassant pas eux-mêmes environ 10 m 3 Le dispositif selon l'inven- tion est donc peu encombrant et il apporte une grande fiabilité aux fonctions de refroidissement de l'en- ceinte après un accident de rupture du circuit primai- re du réacteur, et de refroidissement du coeur lui- même, en cas de perte totale d'énergie externe Bien entendu, plusieurs dispositifs selon l'invention peu- vent être installés en parallèle dans une même encein- te, de l'énergie mécanique étant alors prélevée sur le premier qui a démarré pour assurer le lancement des autres Cette disposition permet de réduire les dimen- sions de l'appareil dont on doit assurer la mise au point industrielle, tout en accroissant la fiabilité de la fonction de refroidissement. REVENDICATIONS 1 Dispositif de refroidissement post-acci- dentel de l'enceinte de confinement ( 16, 116) d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend en série une turbine ( 22) alimentée par l'air humide contenu dans l'enceinte, un conden- seur ( 28) dans lequel l'air sortant de la turbine est asséché et refroidi par un fluide de refroidissement externe et un compresseur ( 32) actionné par la turbine et renvoyant l'air asséché dans l'enceinte. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comprend de plus au moins un réservoir ( 44, 46) contenant le fluide de refroidisse- ment et au moins une première pompe ( 52) actionnée par la turbine ( 22) pour alimenter le condenseur ( 28) en fluide de refroidissement. 3 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'air renvoyé par le compresseur ( 32) traverse un échangeur de refroidissement ( 36) avant de revenir dans l'en- ceinte. 4 Dispositif selon la revendication 3, prise en combinaison avec la revendication 2, caracté- risé en ce que l'air renvoyé par le compresseur ( 32) est refroidi dans l'échangeur ( 36) par ledit fluide de refroidissement sous l'action de la première pom- pe ( 52). Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 2 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend de plus au moins une rampe d'aspersion ( 58) disposée au-dessus du réservoir ( 44, 46) contenant le fluide de refroidissement pour assurer simultanément le refroi- dissement de ce fluide et son retour dans ledit réser- *voir. 6 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'il com- prend de plus au moins un réservoir d'eau borée ( 70) et au moins une deuxième pompe ( 68) actionnée par la turbine ( 22) pour injecter cette eau borée dans le circuit primaire du réacteur. 7 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'il com- prend de plus au moins une rampe d'aspersion ( 66) pla- cée à la partie supérieure de l'enceinte ( 16, 116) et au moins une troisième pompe ( 62) actionnée par la turbine ( 22) pour alimenter ladite rampe à partir de l'eau de condensation recueillie dans le conden- seur ( 28). 8 Dispbsitif selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'es- pace situé à l'aval du compresseur ( 32) est relié, d'une part, à l'intérieur de l'enceinte par l'intermé- diaire d'un clapet ( 176), d'autre part à l'extérieur de l'enceinte par une tuyauterie de rejet ( 178, 182) équipée de moyens de rétention et de filtrage ( 184, 186) limitant les rejets radioactifs, ladite tuyaute- rie étant munie d'une vanne ( 188) commandée, de maniè- re antagoniste, en ouverture par la surpression dans l'enceinte relativement à l'atmosphère, et en fermetu- re par la dépression dans le condenseur, relativement à l'enceinte. 9 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'espace interne du condenseur ( 28) est initialement isolé de l'air contenu dans l'enceinte ( 16) à l'amont par une membrane claquante ( 74) qui se rompt lorsqu'une sur- pression donnée s'établit dans l'enceinte et à l'aval par un clapet ( 76).