Brevet FR2512258A1 — publié le 19830304

DISPOSITIF D'ENLEVEMENT DE CHALEUR EN RESERVE POUR UN REACTEUR NUCLEAIRE UTILISANT DES VALVES A CIRCULATION La présente invention se rapporte aux dispositifs d'enlèvement de chaleur des noyaux de réacteurs nucléaires et concerne plus particulièrement un dispositif d'enlève- ment de chaleur de secours ou auxiliaire pour des réacteurs nucléaires à métal liquide. Les réacteurs nucléaires comportent un noyau d'ensembles combustibles produisant de l'énergie utilisa- ble par une réaction de fission nucléaire Des dispositifs d'enlèvement dechaleur de capacité relativement importante sont prévus pour éliminer la chaleur produite par réaction nucléaire, pendant le fonctionnement du réacteur En raison de la nature de la réaction de fission, il n'est pas possi- ble d'arrêter complètement la production de chaleur pendant des périodes d'arrêt normal du réacteur ou même en cas d'urgence Un petit pourcentage de puissance thermique du noyau continue à être produit et par conséquent, le noyau doit être muni d'une source de refroidissement pour éviter sa fusion pendant une période prolongée après l'arrêt. Etant donné qu'un accident comme une rupture de tube pourrait conduire à une défaillance de l'élimination normale de chaleur en fonctionnement, une élimination d'ur- gence ou de réserve est généralement effectuée par un dis- positif indépendant et plus petit. Le rôle d'urgence joué par le dispositif auxiliaire suggère qu'il pourrait être complètement automatique, sans commande ou source d'alimentation extérieure, et même éven- tuellement sans élément mobile Un système entièrement pas- sif est plus souhaitable. Toute une variété de dispositifs de refroidisse- ment de noyau en réserve sont déjà connus Certains sont des systèmes indépendants tandis que d'autres sont des mo- difications du système principal d'enlèvement de chaleur destinées à pallier certains accidents ou à assurer un re- froidissement du-noyau en cas d'urgence Un exemple d'un dispositif passif utilisé pour pallier un accident de rup- 12258 ture de tubes est décrit dans le Brevet des Etats Unis d'Amérique No 4 030 252. Il faut noter qu'après l'arrêt d'un réacteur nu- cléaire, la région combustible du noyau continue à pro- duire de la chaleur tandis que d'autres parties du réac- teur commencent à se refroidir Cela entraîne de grandes différences de température, également pendant des périodes normales d'arrêt du réacteur. L'invention a donc pour objet principal de proposer un réacteur dans lequel l'agent de refroidissement reste en circulation après l'arrêt, même si les pompes de circu- lation de cet agent de refroidissement ne sont pas en fonc- tionnement. Compte tenu de cet objet, l'invention réside dans un réacteur nucléaire refroidi par liquide comprenant, dans un récipient, un noyau nucléaire comprenant une ré- gion combustible centrale et une région de manteau circon- férentielle, et un dispositif pour faire circuler un liqui- de de refroidissement vers le haut dans la région combusti- ble centrale et la région de manteau pour en enlever la cha- leur pendant le fonctionnement du réacteur; l'invention se caractérise par le fait que des valves à circulation sont disposées dans le circuit de l'agent de refroidissement, passant par la région de manteau et sont orientées de ma- nière à présenter une résistance à l'écoulement relativement élevée à la circulation vers le haut pendant le fonctionne- ment normal du réacteur, mais pratiquement aucune résistance à la circulation vers le bas, afin de faciliter une circula- tion naturelle de l'agent de refroidissement vers le haut dans la région combustible centrale et vers le bas dans la région-de manteau quand le réacteur nucléaire n'est pas en fonctionnement. Une valve hydraulique est un dispositif qui présen- te une haute résistance à l'écoulement d'un fluide dans un premier sens et une faible résistance dans un second sens. Ce dispositif est tel que la circulation dans le premier sens de haute résistance produit des turbulences ou autres phénomènes de frottement conduisant à cette résistance 12258 élevée L'écoulement dans le second sens est à peu près direct, sans mouvement tourbillonnaire. Dans un premier mode de réalisation, la valve à circulation est disposée dans une boucle de circulation inedépendante dans laquelle de l'agent de refroidissement du réacteur est prélevé, dans une région au-dessus du no- yau nucléaire, passe par un dispositif extérieur d'enlève- ment de chaleur comme un échangeur thermique atmosphérique, et passe par une valve à circulation ou un groupe de valves en série dans une région au-dessous du noyau du réacteur. Pendant le fonctionnement du dispositif auxiliaire, quand le système principal de refroidissement est interrompu, la circulation par le noyau du réacteur et par la boucle auxi- liaire est forcée par la circulation naturelle de l'agent de refroidissement du réacteur au fur et à mesure que l'agent chauffé s'élève En outre, la circulation par vi- tesse aquise peut être accrue par une pompe électromagnéti- que ou une autre variété de pompe La valve ou le groupe de valvesen série fonctionnent, pendant le fonctionnement du dispositif auxiliaire, en faisant passer le courant d'agent de refroidissement dans le sens de faible résis- tance Pendant le fonctionnement normal du réacteur, lors- que le système principal de refroidissement de ce réacteur est en fonctionnement, le dispositif auxiliaire constitue un circuit par lequel une partie de l'agent de refroidisse- ment du réacteur pourrait éviter de façon indésirable le noyau combustible Cet inconvénient est considérablement réduit par la valve à circulation à des débits acceptables car cette circulation en dérivation doit passer par la valve ou le groupe de valves en série dans le sens de haute résistance. En l'absence d'une circulation normale de l'agent de refroidissement du réacteur, résultant par exemple d'un déclenchement de la pompe de refroidissement, le fonction- nement du dispositif auxiliaire commence automatiquement avec le démarrage d'une circulation naturelle La seule condition extérieure, non inhérente, serait la mise en marchede la pompe en action si elle fait partie du disposi- tif. 12258 Dans un second mode de réalisation, des valves à circulation ou des groupes de valves en série sont in- stallées dans la base des ensembles combustibles et des ensembles d'écrans radiaux tous deux situés dans des posi- D tions périphériques du noyau nucléaire Ils sont désignés ensemble par le terme "ensembles de manteaux" Oses ensem- bles de manteaux présentent généralement des températures de fonctionnement plus basses que les ensemblescombustibles centraux en raison des caractéristiques nucléaires globales du noyau et pour d'autres raisons Les valves à circulation sont disposées dans tout ou partie des ensembles de man- teaux pour présenter une forte résistance à l'écoulement dans le sens de circulation habituelle de l'agent de refroi- dissement du réacteur, c'est-à-dire du bas vers le haut et une faible résistance à l'écoulement dans le sens inverse. Pendant le fonctionnement normal du réacteur, les valves se comportent comme un orifice qui restreint l'écoulement dans l'ensemble de manteaux Pendant l'arrêt de la circula- tion d'agent de refroidissement du réacteur, une circulation naturelle est établie, l'agent de refroidissement circulant vers le haut par les ensembles combustibles centraux chauds puis vers le bas dans les ensembles de manteaux périphéri- ques, comme le permet la faible résistance à l'écoulement des valves dans ce sens Un dispositif d'enlèvement de cha- leur similaire au premier mode de réalisation peut éliminer la chaleur en tout point du circuit de circulation naturel. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se réfé- rant auxdessins annexés sur lesquels: La Figure 1 représente schématiquement une valve avec unecirculation directe à forte résistance, la Figure 2 représente schématiquement une valve avec une circulation inverse à faible résistance, la Figure 3 représente schématiquement un réac- teur nucléaire comportant un dispositif de refroidissement auxiliaire avec une seule valve, la Figure 4 représente schématiquement un réac- teur avec des ensembles de manteaux et des valves à circu- lation, la Figure 5 représente schématiquement un détail du dispositif de la Fig 4, montrant un groupe de valves en série, et la Figure 6 est une coupe de la Figure 5. Les Figures 1 et 2 illustrent le fonctionnement d'une valve à tourbillonnement La Figure 1 montre le sens "direct" 1 de la circulation, dans lequel le courant de flui- de rencontre une résistance élevée en raison du tourbillon 2 formé, dans la représentation schématique de la Figure 1, par le corps cylindrique 3 circulaire ou incurvé de toute autre manière Pendant la circulation dans le sens direct, représenté sur la Figure 1, l'orifice axial 4 est la sortie. La Figure 2 montra le sens "inverse" 7 de la cir- culation, dans lequel aucun tourbillon n'est formé et pour lequel une faible résistance seulement apparaît. Différentes techniques sont utilisées pour pro- duire le tourbillon pendant la circulation directe Le corps cylindrique 3 peut contenir des ailettes ou même un dispositif comme une hélice dans ce but, de sorte qu'il n'est pas nécessaire que le corps cylindrique 3 luimême soit incurvé. Des valves peuvent être utilisées en combinaison, dans des circuits en sérieou en parallèle. Une description plus détaillée des valves à cir- culation est donnée dans le Brevet des Etats Unis d'Améri- que No 3 604 442 Le montage de valves à tourbillonnement dans des combinaisons en parallèle et en série est décrit dans les Brevets des Etats Unis d'Amérique NO 3 207 168 et 3 631 873. La Figure 3 illustre le premier mode de réalisa- tion, appliqué à titre d'exemple à un réacteur surrégéné- rateur à neutrons rapides, refroidi par métal liquide. Le refroidissement normal du noyau combustible 8 se fait par un débit massif de sodium liquide qui entre par plu- sieurs tubes d'entrée 22 (dont un est représenté sur la Figure 4) dans une chambre d'entrée 9 Ce courant monte 12258 par le noyau 8, entre dans une chambre chaude 10 et sort par plusieurs tubes de sortie 11 (dont un est représenté sur la Figure 3). Le réacteur comporte un dispositif de refroi- dissement auxiliaire (dispositif échangeur thermique) com- prenant une entrée 15, un dispositif de pompage 16 en option (de préférence une pompe électromagnétique alimentée par batterie si l'agent de refroidissement du réacteur est un métal liquide), un échangeur thermique 17 (représenté sur la Figure 3 comme comportant des tubes 18 rayonnant la cha- leur), et une valve 19 (ou un groupe de valves en série), sur un tube de sortie 20, disposées dans la chambre d'entrée 9. Pendant une circulation normale de l'agent de refroidissement, la chambre d'entrée 9 est mise sous pression par des pompes principales de refroidissement (non représentées) qui produisent une circulation dans le noyau Le dispositif de refroidissement auxiliaire laisse passer un contre-courant 21 qui, de façon indésirable, évite le noyau 8 Le débit du contre-courant 21 est faible (environ 1,5 % du débit total) car il rencontre les valves 19 dans le sens direct à forte résistance Le contre-courant 21 peut encore être réduit par le fonctionnement du disposi- tif de pompage 16 pendant le fonctionnement normal du réacteur. Lorsque la circulation normale d'agent de refroi- dissement cesse, par exemple en raison d'un arrêt de la pompe principale de refroidissement ou d'un accident, la chaleur résiduelle du noyau 8 continue à échauffer l'agent de refroidissement et une circulation naturelle commence si un circuit existe Ce circuit est automatiquement présen- té par le dispositif de refroidissement auxiliaire La cir- culation naturelle ne rencontre la valve 19 que dans le sens de faible résistance. Un perfectionnement de ce dispositif auxiliaire de refroidissement sur le dispositif antérieur est son fonc- tionnement complètement automatique et inhérent, rendu pos- sible par l'utilisation d'une ou plusieurs valves. La Figure 4 représente schématiquement un second mode de réalisation, appliqué à titre d'exemple à un ré- acteur surrégénérateur à neutrons rapides refroidi par un métal liquide Le circuit de circulation principal d'agent de refroidissement est identique à celui de la Fig 3 à l'exception près que la circulation vers le haut dans les ensembles de manteaux 12 est réduite par le pas- sage par le circuit à haute résistance à l'écoulement des valves 19 Cela est souhaitable en raison des caractéris- tiques nucléaires des ensembles de manteaux 12. A l'interruption de la circulation principale d'agent de refroidissement, une circulation naturelle commence, le courant vers le haut passant par les ensem- bles combustibles 14 échauffés (dont un est représenté) dans la région centrale, et vers le bas par les ensembles de manteaux 12 en passant par le circuit à faible résis- tance des valves 19 Cette configuration de la circulation est celle indiquée sur la Fig 4. Le système complet de refroidissement auxiliaire selon ce second mode de réalisation peut être développé par combinaison avec un dispositif échangeur thermique similaire à celui du premier mode de réalisation, comme le montre la Fig 3, assurant ainsi une élimination finale de la chaleur du réacteur Mais, même en l'absence de cet- te combinaison, l'établissement d'un circuit pour la cir- culation naturelle dans le noyau sert à redistribuer la chaleur des ensembles les plus chauds vers les ensembles de manteaux plus froids, et augmente le débit en circula- tion naturelle. La Figure 5 est une coupe à plus grande échelle d'une buse d'ensemble de manteau de la Fig 4 Dans ce cas, un groupe de valves en série, comprenant trois valves 19, est utilisé Sur la Figure 5, les flèches indiquent la circulation normale de l'agent derefroidissement, qui rencontre le circuit de forte résistance. La Figure 6 est une coupe de la Figure 5 montrant une ailette 23 disposée dans le corps cylindrique 3 pour provoquer le tourbillonnement. 12258 *La Figure 5 montre trois valves dans un groupe de valves en série, mais une ou plusieurs pourraient être utilisées D'autres valves pourraient être disposées pour produire des tourbillons dans des sens opposés, éventuel- lement pour augmenter encore la résistance hydraulique. Les modes de réalisation qui ont été décrits ci- dessus pourraient utiliser des valves simples, ou des com- binaisons en série ou en parallèle. De même, les valves pourraient être disposées en haut des ensembles de manteaux. 12258 REVENDICATIONS 1 Réacteur nucléaire refroidi par un liquide, comportant dans un récipient un noyau nucléaire ( 8) com- prenant une région combustible centrale ( 14) et une ré- gion de manteau circonférentielle ( 12), et un dispositif pour faire circuler vers le haut un agent de refroidisse- ment de liquide par ladite région combustible centrale ( 14) et ladite région de manteau ( 12) pour en enlever la chaleur pendant le fonctionnement dudit réacteur, réacteur caractérisé en ce qu'il comporte des valves à circulation ( 19) disposées dans le circuit de circulation de l'agent de refroidissement dans ladite région de manteau ( 12), et orientées de manière qu'elles présentent une résistance à l'écoulement relativement grande à la circulation vers le haut pendant le fonctionnement normal du réacteur, mais pra- tiquement aucune résistance à la circulation vers le bas, en facilitant ainsi une circulation naturelle de l'agent de refroidissement vers le haut, par ladite région combus- tible centrale ( 14) et vers le bas par ladite région de manteau ( 12) quand ledit réacteur nucléaire n'est pas en fonctionnement. 2 Réacteur nucléaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique ( 17) associé avec le circuit de circulation d'agent de refroidissement par ladite région de mangeau ( 12) afin de permettre l'élimination de chaleur dudit agent de re- froidissement liquide pendant la circulation inverse vers le bas de l'agent de refroidissement par la région de manteau ( 12). 3 Réacteur nucléaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique ( 17) est associé avec ledit circuit de circulation d'agent de re- froidissement par une tuyauterie ( 15) et une pompe ( 16) disposée dans ladite tuyauterie ( 15) pour augmenter le débit d'agent de refroidissement par ledit échangeur ther- mique ( 17). 4 Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications l à 3, dans lequel ladite région de manteau ( 12) comporte un certain nombre d'ensembles de manteaux, réacteur caractérisé en ce que chaque ensemble de manteaux comporte au moins deux valves ( 19) disposées en une combi- naison en série. -5 Réacteur nucléaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite région de manteau ( 12) comporte un certain nombre d'ensembles de manteaux, réacteur caractérisé en ce que chaque ensemble de manteauxcomporte au moins deux valves ( 19) disposées ensemble en une combinaisonenparallèle.