Brevet FR2509841A1 — publié le 19830121

La présente invention concerne un perfectionnement aux généra- teurs de vapeur du type sodium-eau utilisés notamment dans les centrales nucléaires. Dans les centrales électriques, une chaudière apporte de la cha- leur au fluide d'un circuit en boucle fermée, ce fluide échauffédcirculant alors dans un générateur de vapeur afin de céder sa chaleur à/l'eau qui est transformée en vapeur, cette vapeur étant alors envoyée dans les turbi- nes de la centrale. Dans certaines centrales nucléaires, notamment du type à neutrons rapides, il est connu d'utiliser comme fluide servant au transport des calo- ries depuis la chaudière vers le générateur de vapeur, du sodium liquide. Dans ce cas, le générateur de vapeur est constitué d'un échangeur de chaleur dont le circuit primaire renferme du sodium liquide et dont le circuit secon- daire renferme de l'eau transformée en vapeur. Dans de tels générateurs de vapeur, des précautions toutes particu- lières sont prises pour éviter tout contact entre le sodium liquide du cir- cuit primaire et lteau du circuit secondaire En effet, il est connu que le mélange de sodium et d'eau à haute température provoque des réactions chimi- ques très violentes, avec dégagement de gaz et augmentation brutale de la pression régnant dans le sodium liquide Ces réactions chimiques brutales, accidentelles qui peuvent s'apparenter à une explosion à l'intérieur du géné- rateur de vapeur, peuvent provoquer la détérioration partielle de certaines parties du générateur de vapeur, mais aussi, du fait de la propagation de l'onde de pression dans les canalisations du circuit primaire provoquée par l'explosion accidentelle dans le générateur de vapeur, peuvent provoquer l'en- dommagement du coeur du réacteur ou des échangeurs intermédiaires, ou l'en- dommagement des pompes de circulation ou toute autre installation située sur ce circuit primaire. Il est connu de disposer dans différentes parties du circuit de so- dium divers appareils permettant de limiter les effets de la réaction so- dium-eau Il est connu par exemple de brancher en dérivation sur la sortie du sodium du générateur de vapeur une liaison vers un réservoir de stockage obturée par une membrane de rupture, cette membrane étant prévue pour se rompre rapidement aussitôt que la pression du sodium dépasse une valeur pré- déterminée, afin d'établir une dérivation du sodium en surpression vers un réservoir de stockage Il est connu aussi de brancher en dérivation sur la tuyauterie du circuit primaire parvenant aux pompes de circulation et aux échangeurs intermédiaires un réservoir d'expansion permettant d'atténuer fortement Itintensité de l'onde de pression, avant qu'elle ne se propage dans ces pompes et ces échangeurs intermédiaires. Il est d'autre part -connu de disposer le générateur de vapeur de façon que dans sa zone supérieure on enferme une poche de gaz inerte, ce qui permet de créer un niveau libre qui atténue très fortement les ondes *de pression émises dans les tuyauteries d'arrivée de sodium. Lorsqu'un circuit primaire contenant du sodium liquide comprend un générateur de vapeur dont la partie supérieure enferme une poche de gaz et comprend d'autre part un réservoir d'expansion branché sur le circuit par une tuyauterie de grand diamètre, situé à une certaine distance du générateur de vapeur, il a été constaté un phénomène d'oscillations en masse entre les deux poches de gaz lors des réactions accidentelles sodium-eau ou lors des simula- tions de ces réactions qui sont faites pour tester l'installation Ce phéno- mène de balancement est similaire à celui qui existerait dans un système de vases communicants fermés à leur partie supérieure et o l'on injecterait brutalement un très fort débit gazeux dans l'un des deux vases De la même façon, dans une installation classique comprenant un générateur de vapeur mu- ni d'un niveau libre et un réservoir d'expansion branché dans le circuit, plus l'inertie de la masse de sodium liquide qui se situe entre les deux ni- veaux libres est importante, plus les amplitudes des oscillations sont impor- tantes Alors que le réservoir d'expansion est destiné à limiter les effets de l'onde de pression, on voit qu'il ne peut supprimer des surpressions im- portantes dans le circuit, néfastes pour l'ensemble de l'installation et no- tamment pour les échangeurs intermédiaires qui sont fréquemment installés pour isoler un premier circuit de sodium liquide passant dans le coeur du réacteur du circuit de sodium liquide passant dans les générateurs de vapeur. La présente invention vise à pallier principalement ces différents inconvénients. La présente invention concerne donc un générateur de vapeur du type sodium-eau, notamment pour centrales nucléaires, comprenant un circuit pri- maire constitué d'une enceinte allongée dans laquelle circule du sodium liqui- de introduit dans l'enceinte au niveau d'une zone d'entrée et évacué de l'en- ceinte au niveau d'une zone de sortie, et un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes de circulation d'eau s'étendant à l'intérieur de l'enceinte. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, à l'inté de l'enceinte allongée, est disposé un réservoir ouvert seulement vers bas, immergé dans le sodium contenu dans l'enceinte, et rempli au moins partiellement d'un gaz inerte, de façon à constituer dans l'enceinte, a niveau de la zone de sortie du sodium, un réservoir d'expansion limitan la propagation d'une onde de pression résultant d'une réaction chimique accidentelle entre le sodium et l'eau. L'invention concerne aussi l'ensemble d'un circuit caloporteur notamment pour centrales nucléaires, comprenant du sodium liquide circu lant en boucles fermées. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un tel c cuit caloporteur comporte en dérivation un réservoir d'expansion relié circuit par une tuyauterie de petit diamètre permettant, de façon connu les transferts de sodium du réservoir vers le circuit ou vice-versa, la des variations thermiques, et d'autre part traverse le circuit primaire d'un générateur de vapeur tel que décrit précédemment, c'est-à-dire un nérateur de vapeur comprenant, à l'intérieur de son enceinte du circuit maire, au niveau de la zone de sortie du sodium, un réservoir ouvert se ment vers le bas, immergé dans le sodium contenu dans l'enceinte, et r E au moins partiellement de gaz inerte de façon à constituer un niveau h I limitant la propagation d'une onde de pression résultant d'une réaction mique accidentelle entre le sodium et l'eau. On décrira à présent, à titre d'exemple, non limitatif, une fox de réalisation préférée de l'invention, en référence aux dessins annexé dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un circuit de refroidis ment pour centrales nucléaires conforme à l'invention, la figure 2 représente schématiquement en coupe longitudinale générateur de vapeur conforme à la présente invention. En se reportant à la figure 1, on distingue un circuit seconda de refroidissement pour centrales nucléaires dont le schéma général est toutà-fait classique On y retrouve, de façon connue, un ensemble de ce lisations 1, 2, 3 qui transportent en circuit fermé du sodium liquide. sodium liquide circule de façon à prendre les calories dans l'échangeui termédiaire 5 pour les céder au générateur de vapeur 6 en provoquant, c ce générateur de vapeur, la transformation d'eau en vapeur dans le cir( secondaire, cette vapeur étant utilisée de façon classique pour faire 1 ner les turbines de la centrale Après être passé dans le générateur dq peur, le sodium liquide retourner par la canalisation 3 à la pompe de cir- culation 4, avant de recommencer son cycle. Le générateur de vapeur 6 est donc un échangeur de chaleur dont le circuit primaire contimnt du sodium liquide et dont le circuit secondaire contient de l'eau Si une rupture se produit dans ce générateur de vapeur entrainant un mélange d'une certaine quantité de sodium avec l'eau, il s'ensuit une réaction chimique brutale qui a les effets dtune explosion à Itintérieur du générateur de vapeur, et qui entraine une élévation brutale de la pression dans le circuit de sodium Sur une installation classique, londe de pression qui résulte de cette explosion peut se propager par la canalisation 3 puis par la canalisation 1, arriver dans l'échangeur inter- médiaire 5 et provoquer sa rupture Pour protéger cet échangeur intermédi- aire 5 qui constitue une barrière entre le sodium liquide radioactif traver- sant le coeur du réacteur et le sodium liquide non contaminé traversant le générateur de vapeur, il a déjà été proposé de disposer en dérivation sur la canalisation amenant le sodium à l'échangeur intermédiaire 5 un réservoir d'expansion de grande capacité, relié à la canalisation par une tubulure de grand diamètre Nous avons, pour illustrer, cette solution connue, dispo- sé en pointillés sur la figure 1 un tel branchement en dérivation d'un réser- voir d'expansion 7 D'autre part, nous avons représenté un générateur de vapeur 6 dont la chambre d'introduction 8 du sodium est-disposée de façon classique à la partie supérieure du générateur de vapeur et renferme une po- che de gaz inerte 9 qui détermine un niveau libre du sodium Nous avons re- marqué que lorsqu'on disposait ainsi de façon connue l'ensemble de ce géné- rateur de vapeur 6 relié par les canalisations 1, 2 et 3 à ce réservoir d'ex- pansion 7, lors des simulations des réactions sodium-eau qui ont été faites pour tester l'installation, les masses de sodium contenues dans les canali- sations sont entraînées dans des oscillations de grandes amplitudes associées à des variations importantes de pression dans le circuit qui peuvent être du m 9 me ordre de grandeur que les ondes de pression qui existeraient sil n'y avait pas de réservoir d'expansion On remarque donc que ce réservoir d'ex- pansion 7 n'est pas très efficace. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en concevant un générateur de vapeur 6 comportant certaines dispositions nouvelles qui permettent d'éviter le branchement du réservoir d'expansion 7 au circuit par l'intermédiaire d'une tuyauterie de grand diamètre 24 destiné à limiter la propagation d'une onde de pression. Le générateur de vapeur propre à notre invention, permettant d'évi- ter un tel branchement, est représenté en figure 2 de façon plus détaillée. Ce générateur de vapeur comporte une enceinte cylindrique 1 de forme al- longée et disposée verticalement, remplie de sodium liquide en circulation constituant le circuit primaire Le sodium liquide arrive au générateur de vapeur 6 par les canalisations 2, est introduit dans la chambre d'entrée 8 située à la partie supérieure du générateur de vapeur, circule de haut en bas à l'intérieur de l Penceinte cylindrique 1, parvient à la zone de sortie 9 située à la partie inférieure du générateur de vapeur d'o il est évacué par la canalisation 11 Le générateur de vapeur représenté dans cet exemple de réalisation comporte un circuit secondaire constitué d'une mul- titude de tubes disposés hélicoldalement 12 et dans lesquels circule de l'eau introduite par la partie inférieure 13 des tubes et ressortant par la partie supérieure 14 des tubes sous forme de vapeur Comme les tubes 12 ne peuvent pas être enroulés hélicoïdalement avec un rayon trop petit, la par- tie centrale du générateur de vapeur n'est pas occupée par les tubes 12 et il est donc prévu d'y installer un cylindre 15 de forme allongée Cette en- veloppe cylindrique 15 s'étendant longitudinalement au centre du générateur de vapeur n'est pas complètement inutile puisqu'elle contribue avantageuse- ment à la rigidité de l'eneemble et/ou au maintien en place des tubes 12. Mais dans le générateur de vapeur 6 conforme à la présente invention cette enveloppe cylindrique 15 comporte en outre divers aménagements qui lui per- mettent de remplir d'autres fonctions que nous allons décrire par la suite et qui constituent la particularité essentielle de cette invention. L'enveloppe cylindrique 15 est disposée longitudinalement au centre du générateur de vapeur, verticalement, est fermée à sa partie supérieure 16 et comporte des ouvertures 17 à sa partie inférieure D'autre part, l'in- térieur de cette enveloppe 15 est remplie d'une certaine quantité d'un gaz inerte 18 qui forme à la partie supérieure de l'enveloppe 15 une poche et qui définit une surface libre 19 du sodium liquide Un tube 20 amène dans la partie supérieure de l'enveloppe 15 le gaz inerte nécessaire, et un tube 21 s'étend verticalement à l'intérieur de l'enceinte 15, son extrémité infé- rieure étant située relativement bas dans l'enveloppe 15, de façon que, lors- que l'on introduit le gaz inerte dans la chambre 18 par le tube 20, le ni- veau de la surface libre 19 du sodium liquide ne descende pas en-dessous du point le plus bas du tube 21 Si dans le générateur de vapeur 6 tel que dé- crit précédemment une explosion due à une réaction violente sodium-eau se -produit, l'onde de pression qui en résulte est considérablement amortie, à l'intérieur même du générateur de vapeur, du fait de l'élasticité de la poche de gaz 18, évitant ainsi que cette onde de pression ne se propage dans des proportions importantes par la canalisation de sortie-du sodium 11, en di- rection des autres appareils situés dans ce circuit, c'est-à-dire principa- lement les pompes de circulation et surtout les échangeurs intermédiaires. Autrement dit, le volume occupé par l'enveloppe cylindrique 15 qui existe parfois dans certains générateurs de vapeur connus et aménagé selon la présente invention de façon à constituer un réservoir d'expansion intérieur au générateur de vapeur, réalisé de façon économique puisqu'il est consti- tué en grande partie par des éléments qui existent de toutes façons, qui ne prend aucune place supplémentaire, et qui limite strictement au généra- teur de vapeur les sollicitations mécaniques occasionnées par une réaction accidentelle sodium-eau dans celui-ci. Blen sûr le circuit caloporteur comprenant un générateur de vapeur conforme à la présente invention, tel que représenté en figure 1, peut être complété avantageusement par une déviation, à proximité de la sortie de sodium liquide de générateur de vapeur, cette déviation étant obturée en ré- gime normal par une membrane de rupture destinée à se rompre lorsque la pres- sion de sodium liquide en sortie du générateur de vapeur dépasse une valeur prédéterminée, afin de mettre en communication cette sortie du générateur de vapeur vers le réservoir de stockage 30 On peut remarquer que cet agence- ment de membrane de rupture et de réservoir de nockage est connu en soi et joue ici un rôle tout-à-fait identique à celui qu'elle joue dans les instal- lations comprenant un générateur de vapeur classique On peut remarquer aus- si qu'il est connu qu'une telle membrane de rupture 31 ne permet d'atténuer que partiellement l'amplitude de l'onde de pression lors d'une éventuelle réaction sodium-eau dans le générateur de vapeur. Par ailleurs, il est avantageux de disposer dans l'installation pro- pre à l'invention (figure 1), au niveau de la pompe de circulation 4, un vase d'expansion 22 relié à la canalisation 3 par une tubulure de faible diamètre 23, ce vase d'expansion 22 permettant seulement de compenser les variations de dilatation du sodium Bien sur sa liaison par une tubulure de faible di- mension à la canalisation 3 n'est pas du tout adaptée à la fonction de limitation de propagation de l'onde de pression. On pourrait penser que, dans le générateur de vapeur 6 propre à notre invention, l'existence simultanée de deux surfaces libres 10 et-19 surmon- tées par une poche de gaz inerte 9 et 18 est susceptible de provoquer aussi un système d'oscillations du niveau de ces deux surfaces libres En fait, le phénomène d'oscillations ne peut prendre une ampleur notable que lorsque les 25098 W distances qui séparent les deux surfaces libres sont assez grandes, impl quant une masse de sodium liquide déplacée assez importante Or, dans 1 générateur de vapeur 6, la distance séparant les deux surfaces libres 1 t et 19 est très faible puisque ces deux surfaces sont situées dans le Mau appareil, et par conséquent la masse de sodium liquide existant entre ce deux surfaces libres est sensiblement la masse de sodium liquide content dans l'enceinte cylindrique 1 du générateur de vapeur, ce qui est trop i ble pour produire des oscillations d'ampleur notable. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit, elle en comporte au contraire toutes les variantes et ltc peut modifier les points de détail sans pour autant sortir du cadre de l vention IL est possible par exemple d'appliquer les dispositions propr( à la présente invention à un générateur de vapeur dont les tubes du cire secondaire seraient disposés autrement que hélicoldalement, ou dont les entrées et sorties de sodium liquide seraient disposées autrement. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur du type sodium-eau notamment pour cen- trales nucléaires, comprenant un circuit primaire constitué d'une enceinte allongée ( 1) remplie de sodium liquide, une zone d'entrée ( 8) de l'enceinte allongée dans laquelle est introduit le sodium liquide, une zone de sortie ( 9) de l'enceinte allongée ( 1) de laquelle est évacué le sodium liquide, et un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes ( 12) de circula- tion d'eau s'étendant à l'intérieur de l'enceinte allongée, caractérisé par le fait qu'à l'intérieur de l'enceinte allongée ( 1) est dis- posé un réservoir ( 15) ouvert seulement vers le bas, immergé dans le sodium liquide contenu dans l'enceinte, et rempli au moins partiellement d'un gaz inerte, de façon à constituer dans l'enceinte, au niveau de la zone de sor- tie ( 9) du sodium, un réservoir d'expansion destiné à limiter la propaga- tion d'une onde de pression résultant d'une réaction chimique accidentel- le entre le sodium et l'eau. 2. Générateur de vapeur du type sodium-eau selon la revendica- tion 1, dans lequel les tubes de circulation d'eau du circuit secondaire sont disposés hélicoldalement et dans lequel la zone centrale dépourvue de tubes est occupée par une enveloppe s'étendant longitudinalement à l'inté- rieur du générateur de vapeur, caractérisé par le fait que cette enveloppe constitue un réservoir étanche allongé ( 15) communiquant seulement dans sa partie inférieure avec le so- dium liquide contenu dans la zone de sortie ( 9), et que ce réservoir ( 15) est rempli à sa partie supérieure ( 18) d'un certain volume de gaz inerte, de façon à constituer un réservoir d'expansion. 3. Circuit de refroidissement notamment pour centrales nucléai- res comprenant du sodium liquide circulant en boucle fermée traversant suc- cessivement au moins une pompe de circulation ( 4), une chaudière ou un échan- geur intermédiaire ( 5) puis un générateur de vapeur, le circuit étant carac- térisé par le fait que le générateur de vapeur est conforme à l'une des re- vendications 1 ou 2.