Brevet FR2516291A1 — publié le 19830513

Local nucléaire avec chaudière et enceinte de confinement résistants aux seismes On connatt des chaudières nucléaires dites "compactes" du type PWR à eau légère de petite ou moyenne puissance (par exemple entre 200 et 2000 MW thermiques), qui sont constituées autour d'une cuve de réacteur associée à des générateurs de vapeur par des tubulures de liaison aussi courtes que possible parcourue par le fluide caloporteur primaire. L'ensemble ainsi constitué doit -être maintenu dans une structure de supportage très rigide telle que décrite par exemple dans la demande de brevet français nO 7820 405 du 23 Juin 1978, correspondant à la demande américaine SN 48802. Cette structure permet de maintenir de telles chaudières nucléaires sans Jeu dans une position fixe bien déterminée et sans créer en aucun point de contrainte anormale, ceci quelles que soient les dilatations et les déformations relatives des appareils constituant la chaudière ou la structure de supportage elle-même. L'ensemble de la cuve de réacteur, des générateurs des vapeurs, de leurs protections biologiques et de la structure de supportage peut être appelé "bloc de production de vapeur". On connatt aussi d'autres chaudières nucléaires de puissance comparable, également du type PWR à eau légère, qui sont dites "intégrées" parce que les générateurs de vapeur sont disposés dans la cuve du réacteur. Cette cuve constitue avec sa structure de supportage le bloc de production de vapeur. Dans ces chaudières nucléaires compactes ou intégrées le bloc de production de vapeur se présente comme une colonne, de masse très élevée, de base réduite et de grande hauteur (4 fois le diamètre ou plus). Cette colonne est disposée dans une enceinte de confinement métallique et de forme sphérique ou cylindro-sphérique qui contient, outre le pressuriseur un certain nombre d'équipements auxilaires, de faible poids mais de grand volume, tout l'ensemble constituant la "chaudière". Le volume de l'enceinte doit donc être grand pour contenir ces équipements . Il doit d'autre par être grand pour limiter la surpression apparaissant en cas de perte accidentelle du réfrigérant primaire. Le volume de l'enceinte ne dépend donc pas directement des dimensions du bloc de production de vapeur. La chaudière dans son enceinte est classiquement installée dans un local qui est au moins partiellement constituée de béton et qui a pour fonction d'assurer sa protection contre les impacts extérieurs (chutes d'avions). Ce local fait partie d'un bâtiment s'appuyant sur un radier et comportant d'autres locaux pour abriter des équipements divers. On appelle ici "local nucléaire" l'ensemble de la chaudière, de son enceinte de confinement et du local qui les contient. Il est souhaitable de maintenir la chaudière et l'enceinte par rapport à la structure bétonnée du local nucléaire de telle sorte que son intégrité et si possible la continuité de son fonctionnement ne soient pas atteints par un éventuel seisme se traduisant par des déplacements horizontaux de cette structure. Ceci veut dire que les accélérations et les déplacements subis par chacun des composants de la chaudière ne dépassent pas les valeurs pour lesquelles ces composants ont été calculés. Ceci pourrait être obtenu en donnant à la chaudière et à l'enceinte de confinement la possibilité d'un déplacement d'ensemble horizontal par rapport à cette structure. Mais un tel déplacement se ferait de manière aléatoire en cas de seisme, ce qui rendrait difficile la continuation du fonctionnement de la centrale nucléaire.En l'absence d'une telle possibilité de déplacement d'ensemble, il y a donc intérêt à rendre aussi faible que possible l'amplification d'accélération inévitable résultant de la transmission des mouvements du sol à ces composants par l'intermédiaire de structures à rigidité imparfaite. Pour cela il faut en cas de seisme empêcher autant que possible les déplacements relatifs de la chaudière par rapport au sol c'est-à-dire par rapport au radier de la structure bétonnée. D'autre part l'enceinte de confinement subit, en cas de fuite accidentelle de réfrigérant une dilatation due aux augmentations de la pression et de la température intérieures. Le problème est donc de disposer la chaudière et l'enceinte de confinement dans la structure bétonnée de manière à assurer tant l'intégrité ou la non perturbation de la chaudière en cas de seisme que l'intégrité de l'enceinte en cas de fuite du réfrigérant primaire. Une solution antérieurement proposé par les inventeurs pour résoudre ce problème consiste à réaliser la base du bloc de production de vapeur de telle façon qu'elle puisse être ancrée au radier de la struc ture bétonnée d'une façon suffisamment rigide pour minimiser les déplacements relatifs. L'enceinte de confinement est alors rattachée à ce radier d'une manière permettant sa dilatation. Le radier de la structure bétonnée doit alors avoir une épaisseur suffisante pour lui permettre de résister aux efforts qu'il subit en cas de seisme. Lorsque la puissance de la centrale n'est pas petite cette épaisseur est grande en raison de la masse du bloc de production de vapeur qui se chiffre en milliers de tonnes et de sa hauteur qui se chiffre en dizaines de mètres. Le moment fléchissant appliqué à ce radier est en effet proportionnel au produit de la masse de ce bloc par la hauteur de son centre de gravité et les forces d'ancrage dans ce radier sont proportionnelles à ce moment et inversement proportionnelle aux dimensions transversales de la base. Le coût du radier augmente alors de manière génante le coût total de la chaudière nucléaire. Par ailleurs, toujours en raison de cette masse et de cette hauteur, le coût et le poids de la structure de suppportage de la chaudière est élevé, car cette structure doit présenter à partir de sa base une rigidité suffisante pour éviter qu'en cas de seisme elle ne fléchisse de façon gênante, le moment fléchissant appliqué à la base de la structure étant évidemment le même que celui qui est appliqué au radier. La présente invention a pour but la réalisation d'un local nucléaire permettant d'éviter des accélérations excessives à une chaudière nucléaire en cas de seisme, ceci sans élever exagérément le coût de construction du radier bétonné du local ni celui de la structure métallique disposée sur ce radier pour assurer le supportage de la chaudière, et sans gêner les dilatations de l'enceinte de confinement entourant cette chaudière, ni celles de la chaudière elle-même. Elle a pour objet un local nucléaire avec chaudière et enceinte de confinement résistants aux seismes, ce local comportant - une structure bétonnée avec un radier sensiblement horizontal prenant appui dans le sol et des murs latéraux s'élévant sensiblement verticalement à partir de ce radier, - une enceinte de confinement métallique à parois minces suivant des surfaces sphériques et éventuellement cylindriques à axe vertical commun, cette enceinte étant disposée entre ces murs latéraux et posée sur ce radier par une base dont l'aire est inférieure à 25% de la section maximale de l'enceinte par un plan horizontal, - une chaudière nucléaire comprenant un bloc de production de vapeur et des équipements auxiliaires, contenue dans cette enceinte de confinement, s'appuyant sur le radier par l'intermédiaire de ladite base, et présentant un centre de gravité situé, à partir du radier, à une hauteur supérieure au diamètre de la base, - et des moyens pour maintenir cette enceinte et cette chaudière par rapport au radier en cas de seisme, tout en permettant des dilatations éventuelles de l'enceinte et de la chaudière, - ce local étant caractérisé par le fait que ces moyens pour maintenir l'enceinte et la chaudière comportent - un plancher horizontal annulaire intérieur à l'enceinte de confinement, entourant le bloc de production de vapeur auquel il est fixé, et renforcé par des raidisseurs internes répartis angulairement autour de l'axe de l'enceinte, - au moins un vérin hydraulique interne fixé à l'extrémité extérieure de chacun de ces raidisseurs internes en appui sur la face interne de 11 enceinte de confinement par l'intermédiaire d'un bloc d'appui interne, - au moins un vérin hydraulique externe en appui sur la face externe de l'enceinte de confinement par l'intermédiaire d'un bloc d'appui externe en regard de chaque bloc d'appui interne, chaque vérin externe étant antagoniste d'au moins un vérin interne et réciproquement, - un plancher horizontal annulaire externe entourant l'enceinte de confinement, portant les vérins externes, et fixé auxdits murs latéraux, - des accumulateurs de pression pour appliquer de manière permanente à chacun de ces vérins par l'intermédiaire d'un conduit d'alimentation une pression d'un fluide de travail tendant à le faire avancer pour l'appliquer contre la paroi de l'enceinte de confinement, de manière à maintenir le contact entre ce vérin et cette paroi malgré les mouvements relatifs lents résultant des dilatations de l'enceinte de la chaudière et des planchers, - et une valve unidirectionnelle disposée sur ce conduit d'alimentation pour permettre une arrivée rapide de fluide dé travail dans le vérin tout en empêchant une sortie rapide de ce même fluide, de manière à permettre, en cas de seisme, à la fois une limitation à une faible valeur de la vitesse de recul d'un vérin sous les efforts appliqués, et une éventuelle avancée rapide du vérin antagoniste au cas ou ces efforts provoqueraient une déformation des planchers nécessitant cette avancée pour maintenir le contact entre ce vérin et la paroi de l'enceinte de confinement. On peut remarquer que, dans le but de maintenir une chaudière nucléaire dans un bateau, on a déjà proposé des dispositifs de maintien latéral d'enceintes de confinement de réacteurs nucléaires dans lesquels les efforts sont transmis à des tirants horizontaux extérieurs par l'intermédiaire de quatre pièces de laison solidaires à la fois des structures intérieures à l'enceinte et de l'enceinte elle-même. Ces tirants forment un cadre carré autour de l'enceinte et sont ancrés à leurs extrémités. Ces dispositifs peuvent être utilisés dans des bateaux, tels que l'Otto Hahn (Kernenergie-Forschungsshiff N.S. Otto Hahn), qui ne sont pas destinés à recevoir de nombreux chocs. Mais ils présentent les inconvénients de concentrer les efforts sur l'enceinte au voisinage des pièces de liaison et, du fait de l'élasticité des tirants, d'autoriser des déplacements, certes limités, mais qui peuvent créer des accélérations préjudiciables à la tenue de l'enceinte. Dans le cas des chaudières terrestres auxquelles est destinée la présente invention et qui sont soumises au risque de seismes se traduisant par une succession de nombreuses sollicitations alternées, de tels dispositifs sont donc manifestement inapplicables en raison des efforts concentrés qu'ils appliqueraient sur une enceinte de confinement à parois minces et de l'importance des déplacements qui résulteraient de l'élasticité des tirants horizontaux extérieurs. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire ciaprès, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'ensemble en élévation d'un local nucléaire selon l'invention. La figure 2 - représente une partie agrandie de la figure 1 avec arrachement partiel de l'enceinte de confinement. La figure 3 représente une vue de dessus de ce même local. La figure 4 représente une vue en coupe verticale sur deux blocs d'appui de part et d'autre de l'enceinte de confinement. La figure 5 représente une vue tres schématique du système d'alimentation d'un vérin hydraulique. Le local nucléaire décrit à titre d'exemple est intégré dans un bâtiment en béton B constituant notamment par sa toiture T, une protection contre des impacts accidentels d'origine extérieure tel que des chutes d'avions. Ce bâtiment s'élève sur un radier R constitué de béton armé de même que le reste du bâtiment et épais par exemple de 2 m. Ce bâtiment forme plusieurs locaux L1, L2 et comporte notamment des murs verticaux M délimitant un local nucléaire principal de forme carrée, et autour de ce local des dalles horizontales D constituant des planchers pour les autres locaux et contribuant à la résistance des murs M aux efforts horizontaux. Dans ce local est placée une chaudière nucléaire dont le bloc de production de vapeur est représenté en BV et présente la forme d'une colonne cylindrique verticale métallique s'appuyant par une base BA sur le radier R et disposée dans l'axe du local. A cette colonne, sont fixés des équipements auxiliaires EA. Cette base présente par exemple un diamètre de 8,5 m tandis que l'ensemble bloc BV et équipements EA pèse 4200 T et a son centre de gravité à 12,5 m au-dessus du radier R, à peu près au niveau des dalles D. Le bloc BV et des équipements auxilaires de faible poids EA sont disposés dans une enceinte de confinement EC en acier qui se raccorde de manière étanche à la base BA et est supportée par cette base. Cette enceinte présente une forme cylindro-sphérique constituée de deux demies sphères séparées par une virole cylindrique de même diamètre par exemple 20 m. Elle est constituée de tôle épaisse de 3cm dans la partie sphérique et de 6cm dans la partie cylindrique. Elle est dite mince parce qu'elle n'est pas conçue pour supporter des efforts de flexion, autre que ceux, relativement faibles, qui résultent de son propre poids. Elle doit par contre pouvoir supporter une surpression gazeuse interne, et pouvoir se dilater librement. Quoiqu'un ancrage de la base BA dans le radier R puisse être utile, il n'est pas prévu, selon l'invention, d'utiliser cet ancrage pour assurer le maintien de l'enceinte EC et du bloc de production de vapeur BV en cas d'un seisme. Le dispositif de maintien utilisé selon l'invention comprend à l'intérieur de l'enceinte de confinement E, un plancher métallique double 20 constituant une poutre circulaire horizontale avec des raidisseurs internes rayonnants 1 régulièrement répartis angulairement et solidaires de l'ensemble des structures installées à l'intérieur de l'enceinte de confinement. Ce plancher est disposé sensiblement à la hauteur du centre de gravité du bloc de production de vapeur BV. L'extrémité de chaque raidisseur porte quatre vérins hydrauliques 6 s'appuyant d'un côté sur cette extrémité et de l'autre sur un bloc d'appui 7 fait de bois ou de tout autre matériau moins dur que l'acier, appliquée sur une portion de la surface intérieure de l'enceinte. Ce bloc de bois repose sur un support métallique 8. Le nombre de ces blocs est un multiple de 4, par exemple 24. Le plancher interne 20 est limitée extérieurement par une virole 22 constituant une semelle circulaire et intérieurement par une autre virole 24 entourant le bloc BV. Les vérins 6 sont reliés à des accumulateurs 9 par un système de conduits 15 comportant pour chaque vérin, deux diaphragmes 10 et une bille 11 formant clapet. Le fonctionnement et ce système est explicité plus loin. A l'extérieur de l'enceinte de confinement, un plancher externe métallique est constitué d'une tôle horizontale 2 entourant l'enceinte EC, et muni de raidisseurs radiaux 3 disposés dans le prolongement des raidisseurs 1. L'extrémité des raidisseurs et le pourtour de la tôle 2 les plus proches de l'enceinte sont solidaires d'une virole métallique circulaire verticale 4 de même axe de révolution que l'enceinte. Dans l'espace annulaire ainsi ménagé entre cette virole et l'en- ceinte, au droit de chaque raidisseur, sont disposés quatre vérins hydrauliques 12, simples ou doubles suviant l'importance des déplace ments, s'appuyant d'un côté sur la virole 4 et de l'autre sur une pièce d'appui 13. Cette dernière est analogue à la pièce 7 et appliquée sur la portion de la surface extérieure de l'enceinte exactement en vis-à-vis de celle sur laquelle s'applique la pièce de bois 7. Elle repose sur un support métallique 14. Le pourtour extérieur du plancher raidi 2 de forme carrée, s'appuie par l'intermédiaire de plots métalliques sur les murs en béton M du bâtiment B entourant l'enceinte. Les vérins 12 sont reliés à des accumulateurs 9 par un système de conduits comportant deux diaphragmes 10 et une bille 11 formant clapet. Le contact permanent entre les pièces de bois 7 et 13 et la paroi de l'enceinte de confinement EC est assuré grâce à une faible pression maintenue dans les vérins. Les variations de pression à l'intérieur de l'enceinte d'une part et les dilatations thermique différentielles des raidisseurs de la paroi de l'enceinte EC et de la tôle- raidie 2 d'autre part, engendrent des déplacements relatifs de ces différents éléments. Ces déplacements étant lents, la vitesse de transfert du fluide au travers des diaphragmes crée une perte de charge trop faible pour s'opposer au mouvement. En revanche, lorsqu'une sollicitation horizontale rapide se produit, le fluide des vérins se trouvant en compression est brutalement poussé vers l'accumulateur 9. La bille 11 est alors plaquée sur son siège ce qui oblige le fluide a passer au travers des diaphragmes 10. La perte de charge créée par l'étranglement du fluide est alors telle qu'il se produit un véritable blocage au prix d'une montée en pression dans le vérin. 2 Chaque vérin peut avoir par exemple une. section utile de 275 cm et être alimenté en fluide de travail, eau par exemple, sous une pression permanente de quelques bars . L'étranglement peut limiter la vitesse de compression du vérin à 5 mm par minute, cette vitesse variant peu avec la surpression intérieure. Il convient d'éviter que la rupture d'une des tuyauteries constituant les conduits d'alimentation des vérins hydrauliques en fluide de travail crée un défaut "de mode commun" c'est-à-dire entraine le non fonctionnement de l'ensemble des vérins. Si la rupture se produit entre un vérin et une valve unidirectionnel seul ce vérin perd instantanément toute action à court terme, mais l'ensemble des vérins connectés au même accumulateur perdra toute action au bout d'un certain temps, par exemple quelques minutes. C'est pourquoi contrairement à ce qui est représenté sur la figure 11 qui n'est qu'un schéma de principe, cette valve est intégrée dans le corps du vérin de manière à éviter tout risque de rupture dans cette zone. Si la rupture se produit entre une valve unidirectionnelle et un accumulateur, les vérins reliés à cet accumulateur perdront leur possibilité de blocage après un premier blocage car après ce premier blocage ils ne pourront plus être alimenté à partir de l'accumulateur pour avancer à nouveau et suivre les déplacements de l'enceinte. C'est pourquoi il convient d'éviter qu'une telle rupture ne puisse affectuer un trop grand nombre de vérins. On prévoit donc de nombreux accumulateurs. De préférence un même accumulateur alimente en fluide de travail plusieurs vérins 6 ou groupes de vérins répartis régulièrement angulairement et constituant seulement un ensemble partiel de vérins de manière à éviter qu'une rupture de tuyauterie 15 puisse aboutir à la défaillance de plusieurs vérins ou groupes de vérins adjacents. Dans l'exemple décrit on prévoit un accumulateur pour chaque ensemble de quatre groupes de quatre vérins, chaque groupe agissant sur un même bloc d'appui, les quatre groupes d'un ensemble correspondant à quatre blocs d'appui distribués à 900 autour de la chaudière. La résistance mécanique des divers éléments est choisie de manière à permettre de résister à un seisme en présence d'un défaut de fonctionnement d'un tel ensemble de quatre blocs d'appui quel qu'il soit. Par ailleurs les pressions dans tous les accumulateurs sont affichées en permanence dans une salle de commande et des dispositifs d'alarme sont prévus pour remédier à toute chute de pression. Les accumulateurs reliés aux vérins externes sont différents de ceux qui sont reliés aux vérins internes, ces derniers accumulateurs seuls étant placés à l'intérieur de l'enceinte de confinement. REVENDICATIONS 1/ Local nucléaire avec chaudière et enceinte de confinement résistants aux seismes, ce local comportant - une structure bétonnée (R,M) avec un radier (R) sensiblement horizontal prenant appui dans le sol et des murs latéraux (M) s'élévant sensiblement verticalement à partir de ce radier, - une enceinte de confinement métallique (EC) à parois minces suivant des surfaces sphériques et éventuellement cylindriques à axe vertical commun, cette enceinte étant disposée entre ces murs latéraux et posée sur ce radier par une base (BA) dont l'aire est inférieure à 25% de la section maximale de l'enceinte par un plan horizontal, - une chaudière nuléaire comprenant un bloc de production de vapeur (BV) et des équipements auxiliaires (EA), contenue dans cette enceinte de confinement, s'appuyant sur le radier par l'intermédiaire de ladite base, et présentant un centre de gravité situé, à partir du radier, à une hauteur supérieure au diamètre de la base, - et de moyens pour maintenir cette enceinte et cette chaudière par rapport au radier en cas de seisme, tout en permettant des dilatations éventuelles de l'enceinte et de la chaudière, - ce local étant caractérisé par le fait que ces moyens pour maintenir l'enceinte et la chaudière comportent - un plancher horizontal annulaire (20) intérieur à l'enceinte de confinement (EC), entourant le bloc de production de vapeur auquel il est fixé, et renforcé par des raidisseurs internes (1) répartis angulairement autour de l'axe de l'enceinte, - au moins un vérin hydraulique interne (6) fixé à l'extrémité extérieure de chacun de ces raidisseurs internes (1) en appui sur la face interne de l'enceinte de confinement par l'intermédiaire d'un bloc d'appui interne (7), - au moins un vérin hydraulique externe (12) en appui sur la face externe de l'enceinte de confinement par l'intermédiaire d'un bloc d'appui externe (13) en regard de chaque bloc d'appui interne (7), chaque vérin externe (13) étant antagoniste d'au moins un vérin interne (7) et réciproquement, - un plancher horizontal annulaire externe (2) entourant l'enceinte de confinement (EC), portant les vérins externes (12), et fixé auxdits murs latéraux (M), - des accumulateurs de pression (9) pour appliquer de manière permanente à chacun de ces vérins (6, 12) par l'intermédiaire d'un conduit d'alimentation (15) une pression d'un fluide de travail tendant à le faire avancer pour l'appliquer contre la paroi de l'enceinte de confinement (EC), de manière à maintenir le contact entre ce vérin et cette paroi malgré les mouvements relatifs lents résultant des dilatations de l'enceinte de la chaudière et des planchers, - et une valve unidirectionnelle (10, 11) disposée sur ce conduit d'alimentation (15) pour permettre une arrivée rapide de fluide de travail dans le vérin tout en empêchant une sortie rapide de ce même fluide, de manière à permettre, en cas de seisme, à la fois une limitation à une faible valeur de la vitesse de recul d'un vérin sous les efforts appliqués, et une éventuelle avancée rapide du vérin antagoniste au cas où ces efforts provoqueraient une déformation des planchers nécessitant cette avancée pour maintenir le contact entre ce -vérin et la paroi de l'enceinte de confinement. 2/ Local selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun des blocs d'appui (7, 13) présente, au moins sur sa face au contact de la paroi de l'enceinte de confinement (EC), une dureté inférieure à celle du métal de cette paroi, de manière à éviter d'une part le risque de marquage de cette paroi en cas d'effort d'appui important, et d'autre part le risque de raclage de cette paroi en cas de glissement relatif du bloc d'appui sur cette paroi, selon la direction de déplacement. 3/ Local selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la structure bétonnée (R, M, D) délimite non seulement ledit local nucléaire mais aussi d'autre locaux dont un plancher ou plafond est constitué par une dalle horizontale (D) se raccordant extérieurement auxdits murs latéraux (M) à la hauteur dudit plancher externe (2), de manière à aider à supporter les efforts horizontaux transmis à ces murs latéraux par ce plancher externe. 4/ Local selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un même accumulateur alimente en fluide de travail plusieurs vérins (6) ou grou pes de vérins répartis régulièrement angulairement et constituant seulement un ensemble partiel de vérins de manière à éviter qu'une rupture de tuyauterie (15) puisse aboutir à la défaillance de plusieurs vérins ou groupes de vérins adjacents. 5/ Local selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la structure bétonnée comporte en outre des parois (T) constituant une protection de l'enceinte de confinement (EC) contre des impacts d'origine externe.