Brevet FR2500676A1 — publié le 19820827

L'invention concerne un dispositif de re- froidissement de secours du coeur d'un réacteur nu- cléaire à eau pressurisée. On sait en effet, que dans ce type de réac- teur, le coeur est immergé dans de l'eau ordinaire chaude (voisine de 3000C) sous une pression élevée (de l'ordre de 155 bars) et qu'il est de la plus haute im- portance qu'en toute circonstance, pendant le fonction- nement ou après l'arrêt du réacteur, le coeur reste en permanence immergé dans cette eau. De plus, celle-ci doit toujours pouvoir être réfrigérée pour éviter tout échauffement anormal du combustible lequel pourrait à la limite, si tout ou partie du coeur est asséché, mon- ter en température et fondre au moins partiellement, ce qui conduirait à des dégâts inacceptables, dangereux et irréversibles. Dans les installations connues actuellement, il existe généralement un système d'injection de se- cours destiné à empêcher la cuve renfermant le coeur, de se vider ou à renoyer le coeur en cas de fuite sur le circuit primaire, et un système de refroidissement de secours et d'arrêt permettant d'évacuer la puissance résiduelle et de refroidir le circuit primaire pour passer à l'arrêt froid. Le système d'injection de secours comporte généralement des pompes haute pression, des accumula- teurs moyenne pression et des pompes basse pression. Le système de refroidissement de secours et d'arrêt utilise, jusqu'à moyenne pression, un système d'alimentation en eau et d'extraction en vapeur des gé- nérateurs de vapeur, et un système de refroidissement direct du circuit primaire par échangeur spécial pour le refroidissement final. Les accumulateurs remplis d'eau sous pres- sion, qui communiquent avec le circuit de refroidisse- ment primaire du réacteur par l'intermédiaire de cla- pets d'isolement sensibles à une valeur inférieure dé- terminée de la pression régnant dans ce circuit primai- re. L'eau remplissant les accumulateurs est pressurisée par de l'azote. Ce dispositif connu présente différents in- convénients. Ainsi, l'injection d'eau en provenance des accumulateurs de refroidissement de secours du coeur ne se produit par forcément au moment le plus favorable. En effet, lorsque la baisse de pression dans le circuit primaire résulte d'une rupture de tuyauterie relative- ment peu importante ou ayant tendance à se refermer spontanément, il peut y avoir une vidange importante du circuit primaire sans diminution suffisante de la pres- sion primaire pour déclencher la vidange des accumula- teurs ou la mise en route de l'injection de secours basse pression. Le circuit primaire peut alors être rempli par des pompes de sécurité haute pression pré- vues à cet effet; mais celles-ci puisent dans des ré- servoirs de capacité limitée et ne constituent en aucun cas les sources ultimes de refroidissement. D'autre part, la vidange des accumulateurs est liée à une va- leur de la pression du circuit primaire et non à une valeur critique du niveau d'eau dans la cuve qui est la grandeur physique la plus significative du besoin de remplissage en eau du circuit primaire. Par ailleurs, l'injection d'eau dans le cir- cuit primaire se termine généralement par une injection dans ce dernier de l'azote qui a servi à pressuriser l'eau dans les accumulateurs. Ce gaz peut alors être piégé soit dans les tubes en U renversés des généra- teurs de vapeur, soit dans les parties hautes des bran- ches chaudes du circuit primaire lorsque les généra- teurs de vapeur sont du type dit "à simple passe", dans lesquels le fluide primaire pénètre dans le générateur à son extrémité supérieure et en ressort à son extrémi- té inférieure. Il en résulte dans les deux cas une per- te de l'efficacité de la source froide que constituent les générateurs de vapeur. La présente invention a pour objet un dispo- sitif de refroidissement de secours qui pallie certains des inconvénients de l'art antérieur rappelé précédem- ment, et permet de supprimer les accumulateurs d'injec- tion de secours à haute pression, voire les pompes d'injection de sécurité à haute pression, en faisant baisser rapidement la pression du circuit primaire en dessous du seuil de déclenchement d'injection de sécu- rité basse pression dès que cette pression dans le cir- cuit primaire tend à s'élever par suite d'un manque de réfrigération. Ce dispositif de refroidissement de secours d'un réacteur nucléaire refroidi à l'eau, ce réacteur étant du type de ceux qui comprennent, de façon connue, un dispositif d'injection d'eau de secours sous basse pression dans la cuve du réacteur à partir d'un réser- voir d'eau froide reliée au sommet de ladite cuve par une canalisation sur laquelle se trouvent en série au moins une pompe basse pression et au moins une vanne amont normalement fermée, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur de chaleur intégré dans la cuve et baignant normalement dans l'eau du réacteur, le circuit dudit échangeur étant relié, à l'une de ses extrémités, par l'intermédiaire d'un clapet à trois voies, à ladite vanne amont, et, à l'autre de ses ex- trémités, au travers d'une vanne aval et d'un deuxième échangeur réfrigérant fonctionnant à l'eau brute, audit réservoir d'eau froide. L'établissement selon l'invention d'une cir- culation fermée entre le réservoir d'eau froide d'in- jection d'eau de secours à basse pression et un échan- geur thermique situé dans l'eau de la cuve du réacteur permet ainsi, en liaison avec un échangeur réfrigérant, placé à l'extérieur du réacteur, en série dans ce même circuit, d'apporter à chaque instant toutes les frigo- ries nécessaires dans la cuve pour refroidir l'eau pri- maire et obtenir la condensation de la vapeur formée à la suite d'une fuite primaire plus ou moins importante. La condensation puis la dépressurisation intervenant quelle que soit l'évolution de la fuite, la pression baisse dans la cuve jusqu'à atteindre le seuil à partir duquel fonctionne spontanément l'injection d'eau de se- cours à basse pression. Selon une disposition intéressante du dispo- sitif de secours, objet de l'invention, deux vannes en parallèle dont l'une normalement fermée a un débit beaucoup plus important que l'autre normalement ouver- te, sont situées sur la conduite de liaison de l'extré- mité -de l'échangeur intégré, reliée au clapet à trois voies. Cette disposition permet notamment d'avoir au choix un débit plus ou moins important dans l'échangeur intégré selon la quantité de frigories que l'on désire apporter dans la cuve lors des opérations normales de refroidissement. La vanne normalement ouverte sert en général au début d'une phase de refroidissement et la deuxième vanne normalement fermée à débit beaucoup plus important n'est ouverte que lorsque l'on atteint la fin du refroidissement. Selon l'invention, un détecteur de fuite ser- vant le cas échéant de purge pour le circuit de l'échangeur intégré, est située entre cet échangeur et la vanne d'isolement aval normalement fermée.- Enfin, le dispositif de refroidissement de secours selon l'invention est avantageusement complété par la présence entre la vanne d'isolement aval norma- lement fermée et le deuxième échangeur réfrigérant, d'un clapet anti-coup de bélier permettant, au démarra- ge, lors des opérations de remplissage du système en eau, d'éviter un choc hydraulique dans la partie haute pression du circuit. Parmi les avantages importants de la présente invention, figure par conséquent la possibilité en uti- lisant un seul réservoir d'eau froide du type prévu jusqu'à présent pour les injections sous basse pres- sion, de réaliser le refroidissement d'arrêt et de se- cours et l'injection d'eau de secours d'un réacteur nu- cléaire refroidi à l'eau, lors d'une défaillance quel- conque du circuit primaire conduisant à un défaut de réfrigération important. En particulier, ce dispositif de refroidissement permet de supprimer les accumula- teurs d'injection de secours à haute pression dont les inconvénients ont été rappelés précédemment, voire les pompes d'injection de sécurité à haute pression prévues de façon classique jusqu'à maintenant sur tous les réacteurs nucléaires de ce type dans le circuit primai- re. Bien entendu, ce dispositif permet également si on le souhaite d'obtenir le refroidissement de l'eau du circuit primaire consécutivement à un arrêt normal du réacteur, c'est-à-dire de remplir la fonction classique du refroidissement du réacteur à l'arrêt lorsque, les barres de contrôle ayant été descendues et la réaction en chaine arrêtée, un dégagement de calories important continue néanmoins à se produire sous l'effet de la radioactivité induite qui continue à se manifester dans le coeur. De toute façon, l'invention sera mieux com- prise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre du dispositif de refroidisse- ment de secours objet de l'invention. Ce dispositif sera décrit en se référant à la figure unique ci-jointe qui représente schématiquement la cuve d'un réacteur nucléaire refroidi à l'eau équipé du dispositif objet de l'invention. La description qui sera faite maintenant en se référant à cette figure unique est relative à un réacteur nucléaire du type PWR refroidi à l'eau, parce que c'est dans ce cas que la présente invention trouve son application la plus immédiate, mais il doit être entendu que d'autres types de réacteurs nucléaires re- froidis à l'eau et notamment les réacteurs bouillants pourraient aussi bien être équipés d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. Sur la figure, on a représenté la cuve 1 d'un réacteur PWR rempli d'eau ordinaire jusqu'à un niveau 2 correspondant à une situation dégradée o, à la suite d'une fuite accidentelle, une partie de l'eau primaire a déjà été perdue. Dans cette cuve 1 se trouve le coeur 3 d'un réacteur nucléaire baignant dans l'eau primaire 4 de ce réacteur. Le circuit primaire d'échange de cha- leur du réacteur 3 n'a pas été représenté car il n'est pas nécessaire à la compréhension de la présente des- cription, mais il est bien entendu que, de façon con- nue, un tel réacteur possède un circuit primaire muni d'au moins une pompe à haute pression pour faire circu- ler en permanence cette eau primaire vers les généra- teurs de vapeur. Un système de pressurisation, égale- ment non représenté, assure dans la cuve 1 le maintien d'une pression élevée, de l'ordre de 160 bars, pour em- pêcher l'ébullition de l'eau 4. De façon connue, l'installation comporte un réservoir d'eau froide 5 relié par une canalisation 6a au travers d'une pompe à basse pression 7, d'une vanne amont 8 normalement fermée et d'une buse d'injection d'eau de secours 9, un ensemble permettant l'injection d'eau de secours à basse pression dans la cuve 1 du réacteur. Selon l'invention, l'installation précédente de type connu est complétée par un dispositif de re- froidissement de secours comprenant un second circuit 6b reliant la sortie de la vanne amont 8 au réservoir d'eau froide 5 par l'intermédiaire de deux échangeurs de chaleur en série dont le premier, l'échangeur 10 est intégré dans la cuve 1 du réacteur 3 et baigne dans l'eau de réfrigération 4 de ce réacteur, et dont le deuxième 11 joue le r8le de réfrigérant et est alimenté en eau brute froide par l'intermédiaire d'une double canalisation 12. Entre le premier échangeur 10 et le deuxième échangeur 11 se trouve située une vanne aval 13 normalement fermée; la sortie de l'échangeur 10 op- posée à l'échangeur 11 est reliée à la vanne amont 8 par l'intermédiaire d'un clapet à trois voies 14 et d'un système de deux vannes en parallèle 15 et 16. La vanne 15 normalement ouverte autorise un débit relati- vement faible par rapport à celui de la vanne 16 norma- lement fermée. L'installation est encore complétée par un détecteur de fuite 17 munie d'une vanne 18, l'ensemble étant situé entre la vanne d'isolement aval 13 et le premier échangeur intégré 10; un clapet anti-coup de bélier 19 est avantageusement situé entre la vanne d'isolement aval 13 et le deuxième échangeur réfrigé- rant 11. Le fonctionnement du dispositif de refroi- dissement de secours qui vient d'être décrit est le suivant. Lorsque le réacteur 3 fonctionne normalement et que le circuit primaire est normalement refroidi par le passage de l'eau primaire à travers les générateurs de vapeur, toutes les vannes représentées sur le schéma (8, 13, 18, 16) sont fermées. Aucune injection de se- cours n'intervient par la buse 9 ni aucun refroidisse- ment par l'échangeur intégré 10. Si à la suite d'une rupture d'un circuit pri- maire l'eau 4 de la cuve 1 vient à manquer au moins partiellement, il-en résulte une mise en route de la circulation de refroidissement de secours dans le cir- cuit 6a, 6b en ouvrant les vannes 8 et 13 et en admet- tant de l'eau de refroidissement 12 dans le deuxième échangeur réfrigérant 11. L'eau froide qui circule ain- si dans l'échangeur intégré 10 abaisse la température de l'eau 4 contenue dans la cuve 1, ce qui provoque une condensation de la vapeur formée et par là même une diminution de la pression à l'intérieur de la cuve 1. La pompe 7 est dimensionnée pour assurer à travers la vanne 16 (la vanne 15 étant obligatoirement maintenue fermée) le débit de réfrigération correspondant au dé- bit d'injection qui sera nécessaire lorsque la pression dans la cuve devenant inférieure à la pression de re- foulement de la pompe 7, le clapet trois voies 14 s'ou- vrira en arrêtant la réfrigération au profit de l'in- jection. On doit encore remarquer que les vannes d'isolement amont 8 et aval 13 séparent la partie haute pression du côté de la cuve 1 et la partie basse pres- sion du coté de l'échangeur Il et du réservoir 5. Ceci signifie que la pression élevée régnant dans la cuve 1 et qui pourrait par la canalisation 6a et la buse 9 pénétrer dans une partie de la canalisation 6b est ar- rêtée automatiquement par ces deux vannes 8 et 13 pré- cédentes. Ceci réalise notamment une protection inté- ressante du deuxième échangeur réfrigérant 11 en raison de la faible pression régnant dans le circuit de re- froidissement au niveau de cet échangeur 11. En effet, dans le cas o les tubes de ce dernier viendraient à fuir, il n'y aurait pas de fuite du circuit de refroi- dissement vers l'eau brute 12, mais au contraire péné- tration de l'eau brute 12 dans le circuit de refroidis- sement ce qui est une garantie contre des fuites radio- actives que l'on pourrait craindre au niveau de cet échangeur 11 vers l'eau brute 12; ce même rapport des pressions constitue également une garantie contre les vidanges intempestives du réservoir d'eau froide 5 dans l'eau brute 12, toujours dans l'hypothèse d'une fuite de l'un des tubes de l'échangeur 11. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement de secours d'un réacteur nucléaire (3) refroidi à l'eau (4), ce réacteur (3) étant-du type de ceux qui comprennent, de façon connue, un dispositif d'injection d'eau de se- cours sous basse pression (5, 6a) dans la cuve (1) du réacteur à partir d'un réservoir d'eau froide (5) re- liée au sommet de ladite cuve par une canalisation (6a, 9) sur laquelle se trouvent en série au moins une pompe basse pression (7) et au moins une vanne amont normale- ment fermée (8), caractérisée en ce qu'il comprend au moins un échangeur de chaleur (10) intégré dans la cuve (1) et baignant normalement dans l'eau (4) du réacteur, le circuit dudit échangeur (10) étant relié, à l'une de ses extrémités, par l'intermédiaire d'un clapet à trois voies (14), à ladite vanne amont (8), et, à l'autre de ses extrémités, au travers d'une vanne aval (13) et d'un deuxième échangeur réfrigérant (11) fonctionnant à l'eau brute, audit réservoir d'eau froide (5). 2. Dispositif de refroidissement de secours selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur la conduite de liaison (6b) de l'extrémité de l'échangeur intégré (10) reliée au clapet à trois voies (14), se trouvent en outre deux vannes en parallèle, dont l'une normalement fermée- (16), a un débit beaucoup plus im- portant que l'autre (15), normalement ouverte. 3. Dispositif de refroidissement de secours selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, ca- ractérisé en ce que sur la conduite de liaison de l'ex- trémité de l'échangeur intégré (10) reliée à la vanne aval (13) se trouve un détecteur de fuite (17). 4. Dispositif de refroidissement de secours selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac- il térisé en ce qu'un dispositif anti-coup de bélier (19) est prévu entre l'échangeur réfrigérant (11) et la van- ne aval (13).