Brevet FR2514751A1 — publié le 19830422

"Procédé pour éliminer ou réduire les interactions et leurs conséquences lors du contact de sodium métallique liquide, chaud avec du béton." L'invention concerne un procédé pour éliminer ou réduire les interactions et leurs conséquences lors du contact du sodium métallique liquide, chaud, avec du béton, dans les systèmes refroidis au sodium, avec utilisation de matières réfractaires. Lors de fuites dans les systèmes de transfert de chaleur avec refroidissement au sodium, il n'est pas exclu que du métal liquide vienne en contact avec les structures de construction en béton. Le béton est alors soumis b des contraintes thermiques élevées, chimiques et méca- niques, qui conduisent, par suite des influences récipro ouest h un mécanisme de réactions complexes et qui sont désignées globalement comme interactions sodum-béton. Les modifications de propriétés apparaissant par suite de contraintes thermiques du béton proviennent essentiellement de la libération de l'eau existant dans le béton sous forme non liée, ou liée de façon physique ou chimique. Deux processus sont observés en général. - affaiblissement de la résistance du béton par décompo- sition de liaisons physiques ou chimiques entre les composants de ciment et l'eau, - accroissement de la pression dans les pores du béton par suite d'évaporation d'eau et expansion de gaz non conden sables, avec élimination subséquente de la vapeur d'eau de la surface de béton réchauffée. Entre le sodium et la vapeur d'eau éliminée, il se produit des réactions chimiques exothermiques, au cours desquelles il se forme de l'eau. La décomposition de la structure de béton favorise le contact entre le sodium et les composants solides du béton, qui réagissent en partie également de façon exothermique avec le sodium. La contrainte mécanique élevée du béton par tensions thermiques et formation de pressions de vapeur internes, conduit à la formation de fissures et d'éclatements dans la zone superficielle. Les progrès de laréaction sont accélérés de cette façon. Comme conséquences concernant les techniques de sécurité, des interactions entre sodium et béton, on peut citer en résumant t - production dthydrogène, - libération d'énergie - influence néfaste sur la résistance à l'écrasement de la structure de béton. Le domaine d'application principal de la technique des métaux liquides est constitué essentiellement anjourd'hui par les réacteurs rapides refroidis au sodium. Ces installations sont édifiées exclusivement en béton, et elles sont pourrues, conformément aux exigences progressives de sécurité dans les zones primaires et secondaires, de divers systèmes de sécurité qui doivent, en cas d'incident, empêcher entre autres le contact entre le sodium et le béton. Les systèmes de protection décrits ci-dessous sont mis en oeuvre dans des réacteurs "loopn, dont les composants conduisant le sodium sont disposés en grande partie dans des cavités ou cellules individuelles de la construction "en poches". Selon le mode de réalisation de l'installation, toutes ou certaines de ces cellules " en poches" sont garnies de tôles d'acier (revêtement de cellule), qui sont montées sur les surfaces internes des structures de béton à délimiter. Selon les dimensions de la contrainte pouvant intervenir en cas d'incident, les revêtements de cellules présentent diverses caractéristi- ques de construction. Comme contraintes essentielles en cas de fuite, on peut citer s - contraintes par chocs thermiques sous l'impact de sodium. chaud, - tensions par suite des différences de dilatation ther mique entre les rev8tements de cellule et la structure de béton, - formation d'un coussin de pression de vapeur entre rev8- tement et structure de béton, par évaporation de l'eau du béton, par suite de la conduction thermique de flaques de sodium dans la structure de béton. Ce dernier point prend une importance particu lière, car le coussin de pression de vapeur peut faire sauter le revêtement, et m8me de petits défauts permettent la pénétration de quantités élevées de vapeur dans la zone de sodium. Comme mesures de prévention contre un contact direct entre le sodium et le béton, ou contre la libération d'eau du béton, on met en oeuvre les systèmes de protection suivants, correspondant à l'état actuel de la technique s a) Réacteurs à surrégénération rapides, refroidis au sodium (SNR 300) (E. Hoppe, "Brandverhalten von Natrium und da raus abzuleitende Schutzmassnahmen am Beispiel des EEW Kalkar ", AED-Conf-77-304-002 pages 8 à 11; K. Kordina U.Schneider, "Moisture transport and vapor release of concrete structures at températures 1000C", transac tions of the 5th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology, Paper H i/s, Berline 13. - 17.8.1979 (page 2); R.H. Chapman, "A State of-the art review of equipment cell liners for IMF3R28 "ORNI- TM-4714 (page 56) ) Les surfaces intérieures dea poches internes entourant la zone primaire sont garnis d'une tôle de revêtement de 6 mm d'épaisseur, qui sert de coffrage perdu lors du bétonnage.On peut prévoir quil se forme d8jà pendant le fonctionnement du réacteur, une petite fissure entre la surface du béton et le revêtement, qui s'accroît en cas de contrainte thermique de à un incident et sert d'abord de réservoir de réception lors de l'évaporation d'eau du béton. Le volume de ce réservoir est relativement faible calculé selon la quantité de vapeur qui sort, de sorte que pour éviter une montée inadmissible de la pression, il est installé un détendeur. L'eau de béton dvapo- rée est conduite d travers un système de conduites tubulai- res dans un condenseur.De système de revêtement de cellule est complété par des cuvettes de fond en acier, qui sont disposés sous les composants primaires pour recevoir le sodium provenant des fuites. Les composants du système secondaire qui conduisent le sodium se trouvent essentiellement i l'extérieur de la construction de poches dans trois localisations de production de vapeur. Pour la réception des fuites, se trouvent également installées, des cuvettes de fond qui sont munies, pour limiter les combustions de sodium dans cette zone non inerte de l'installation d'un couvercle spécial. Le sodium des fuites est conduit b partir des cuves de réception, dans des réservoirs collecteurs rendus inertes. Sous les cuves de réception se trouve, pour protéger le béton du fond contre une montée de température inacceptable, une isolation thermique. Les parois des locaux de production de vapeur ne sont pas protégées. b) Past Plus Pacility (R.H. Chapman, "A state-of-the-art réview of equipment cell liners for INF3Rt s" ORKIr$K- 4714 (pp. 28 à 38); L.N. Polentz, "A new approach to the design of LMFBR LinePsl', Nuclear Engineering Internatio nal, Vol 25 (1980), No. 306, pp 56 à 59; R.H. Chapman, "Equipment cell liners for liquid-metall-cooled fast breeder reactors", Nuclear Safety, Vol. 17, No. 2, pp. 209 à 211). Le Fast Flux Test Facility (S??F) est un réacteur refroidi au sodium ayant une capacité thermique de 400 MW, qui doit servir de prototype pour des installations industrielles, et représente dono l'état actuel de la technique. Toutes les cellules de poches avec des composants et agrégats conduisant le sodium, sont pourvues de garnitures. Il existe généralement deux systèmes de garnitures à distinguer; à savoir les garnitures "hot" (chaudes) et les garnitures "cold" (froides). L'installation des garnitures "hot" implique une technique plus coûteuse que celle des garnitures "cold". De ce fait, la garniture "hot" n'est mise en oeuvre que dans la zone inférieure de certaines cellules sélectionnées pour des raisons de sécurité. La hauteur de construction est déterminée essentiellement du point de vue du niveau de métal liquide dans une cellule en cas de grosses fuites de sodium. La caractéristique essentielle des garnitures "hot" est une conformation multi-couches de tôle d'acier, couche d'air et matériau réfractaire. La garniture "hot" n'est fixée qu'au joint avec la garniture "cold" afin d'assurer une dilatation libre. La vapeur d'eau sortant du béton est évacuée par des conduites tubulaires, afin d'emp8 cher la formation d'un coussin de pression de vapeur. La garniture "hot" est installée sur la structure de béton finie, une utilisation en coffrage ntest pas possible. Le système de garniture "cold" est mis en oeuvre dans la zone supérieure des cellules munies de garniture "hot" ainsi que dans toutes les autres cellules garnies. Une construction qui correspond dans une grande mesure à la construction en poches des réacteurs à eau légère, est constituée par des tôles d'acier de 6,35 mm d'é- paisseur, qui sont soudées aux supports incorporés dans la structure de béton sous forme de treillis grille quadrillée de 1,2 x 1,2 m). Les garnitures cold étaient installées auparavant sans système de détente. Une révision ultérieure des directives de conception a conduit à l'incorporation supplémentaire d'un système de détendeur de pression dans les cavités de réacteurs. Une deuxième conception des garnitures "cold" intervenant au stade de la construction, parts'un système de coffrage pour le béton. Des sections de plaques préfabriquées sont mises en place sur le lieu de construction et assemblées par soudage, et servent de coffrage perdu pour le béton. La fixation des garnitures dans la structure de béton s'effectue à l'aide de ferrures dtangle montées sur la face arrière des segments, dans un quadrillage de 0,3 x 0,3 m. Outre les garnitures de cellules, il faut mettre en oeuvre comme mesures préventives contre les fuites de sodium, la mise en place de cuves de réacteur, de pompes à circulation primaires et des échangeurs thermiques intermédiaires dans les réservoirs inoccupés de protection.Les conduites, armatures et petits composants sont équipés, dans certains cas, notamment dans la zone secondaire, de cuve de réception. L'effet de protection des systèmes de garniture connus repose sur le principe qu'un contact direct entre le sodium et le béton, aussi bien qu'une insteraction par suite d'un débordement de vapeur d'eau dans le voisinage du sodium par des défauts dans la garniture, est évitée dans toutes les conditions imaginables d'incident. Au cas où la garniture est endommagée par les contraintes prévisibles en cas de grosses fuites de sodium, telles que les chocs thermiques, les tensions induites par voie thermique entre la garniture et le béton de la structure, ainsi que la formation de coussins de pression de vapeur entre la t81e de garniture et le béton, la fonction de protection efficace n'ést plus assurée.Ceci reste valable pour de relativement petits défauts, comme par exemple la fissuration des cordons de soudure qui permet, en raison de la chute de pression, le passage de quantités élevées de vapeur d'eau dans la zone du sodium. Une comparaison des systèmes de garniture mis en oeuvre montre des différences essentielles dans les caractéristiques importantes de construction. La garniture "cold" utilisée de façon prépondérante, qui est disposée directement sur la structure de béton et qui est solidement liée à celle-ci, se trouve opposée à la garniture "hot" nettement plus coûteuse, qui est installée de façon mobile, suspendue, en combinaison avec une isolation thermique. Cela signifie que l'absorption des charges reposant sur la conception des garnitures, présente des différences élevées, car, selon les différents rapports de sécurité, chaque système de garniture mis en oeuvre répond aux exigences qui pèsent sur lui.On trouve une confirmation dans les publications de R.H. Chapman, 'A state-of-the art review of equipment cell liners for IMFBR's", ORNI-2M 4714 (pp. 3 à 6, 58, 59) et "Equipment cell liners for liquid-métal-cooled fast breeder reactors" Nuclear Safety, vol. 17, No 2. pp. 209 à 212, selon lesquelles aucune recherche expérimentale n'a été effectuée jusqu'à présent en rapport direct avec la conception des garnitures de cellule ou pour indiquer leur aptitude à la fonction en cas de grosses fuites de sodium. Les autres points des systèmes de garniture critiqués ici sont les suivants - l'analyse de structure mise en oeuvre comme instrument de conception pose des problèmes surtout aux endroits criti ques d'une garniture de cellule, comme par exemple les passages paroi/paroi, paroi/fond et les angles, ainsi qu'aux passages des conduites. Ces endroits sont cepen dant soumis en cas d'incident, aux contraintes les plus -élevées, de sorte qu'il faut compter ici avec des dé fauts possibles, - les systèmes de garniture sont considérés théoriquement comme des surfaces homogènes.Mais dans la pratique, ils comportent de nombreux joints soudés, qui influencent fortement la résistance des garnitures, - la technique des garnitures ds cellule dans le domaine des réacteurs rapides refroidis, au sodium, n'a pas atteint le degré de développement qui existe dans la construction en poches pour réacteurs refroidis à l'eau et aux gaz, bien que les détails de construction et de conception se réfèrent à ce domaine dans une grande mesure. En résumé, on peut dire que concernant la construction et l'aptitude à la fonction des systèmes de garniture, tous les défauts de sécurité npont pu encore être cernés, et donc ces systèmes sont susceptibles de perfectionnement. Il est évident que les garnitures ne sont mentionnées que dans les descriptions de systèmes de poches, leurs applications semblent donc limitées à ce domaine. Par contre, même à l'extérieur des systèmes de poches, dans les appareils producteurs de vapeur, on peut noter des débits de sodium de m8me grandeur que dans les systèmes primaires. Les raisons qui limitent l'application des garnitures à la zone primaire sont vraisemblablement les suivantes : - les coûts élevés de l'installation de systèmes de ce type, - la condition de sécurité n'est pas remplie dans la zone de production de vapeur; en ce qui concerne l'activité - les exigences concernant les systèmes de garnitures ont été considérées à l'origine surtout du point de vue d'une conception étanche aux gaz du système primaire, qui de vrait permettre pendant le fonctionnement normal, le main tien d'une atmosphère de gaz inerte, et en cas d'incident, la constitution d'une barrière contre un échappement de l'activité, Ainsi, les systèmes de garniture disponibles ne répondent pas au besoin d'un système de protection contre l'interaction sodium-béton dans les zones secondaires et de production de vapeur. L'invention a pour objectif de proposer un procédé et un dispositif pour éliminer ou réduire les interactions et leurs conséquences en cas de contact entre un métal liquide chaud et le béton. Les conséquences, rele liant du domaine de la sécurité, d'une interaction entre le métal liquide et le béton, telles que la production d'hydrogène, la libération d'énergie, l'influence néfaste sur la résistance aux charges de la structure de béton, devraient diminuer en importance. A cet effet, l'invention prol?ose un procédé caractérisé en ce que comme matériau, on utilise au moins pour la zone voisine de la surface de la structure de béton, qui peut entrer en contact avec le sodium liquide chaud, du béton avec de l'oxyde d'aluminiums de l'oxyde de magnésium ou de l'oxyde de zirconium ou un mélange de ces produits, jusqu'à une proportion de 70 % en poids à 96,5 % en poids. Comme matériau on utilise un béton fabriqué à partir de ciment argileux alumineux et de briques réfractaires légères (agrégats réfractaires de béton à faible conductivité thermique) et/ou de briques réfractaires (agrégats réfractaires de béton) ou un béton à la fabrication duquel on a ajouté au ciment servant de colle, un agent auxiliaire formant des pores et/ou fluidifiant le béton et/ou rendant le béton étanche. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par une couche de protection disposée sur la surface de la structure de béton et constituée par un béton avec de l'oxy- de d'aluminium, de l'oxyde de magnésium ou de l'oxyde de zirconium, ou un mélange de ces produits, jusqu'à une proportion de 70 fo en poids à 96,5 % en poids. La couche de protection est disposée sur la structure de béton sous la forme d'un enduit ou d'un corps moulé préfabriqué. La couche de protection est constituée par un béton fabriqué à partir de ciment argileux alumineux et de briques légères réfractaires (agrégat de béton réfractaire à faible conductivité thermique) et/ou de briques réfractaires (agrégat de béton réfractaire).Cependant, la couche de protection peu également être constituée par un béton, à la fabrication duquel on a ajouté au ciment servant de colle un additif formant des pores, et/ou fluidifiant le béton et/ou rendant le béton étanche. Un développement avantageux du dispositif selon l'invention, se caractérise en ce que lesccorps moulés sont constitués par des éléments de béton préfabriqués, prétraités par calcination avant leur installation sur la structure de béton à protéger. L'invention permet rassurer que le béton t - ne contient des composants solides pouvant réagir avec le sodium qu'en quantité négligeable, - ne perd de sa résistance à température élevée que très peu par rapport au béton normal, - agit comme isolant thermique en raison de sa faible con ductivité calorique. Pour répondre 'à ces exigences, on utilise des ciments ayant une teneur très élevée en oxyde d'aluminium (8120,). Comme agrégats on utilise de l'oxyde d'aluminium, de l'oxyde de magnésium (MgO) et de l'oxyde de zirconium (ZrO2) ou un mélange de ces matières. Les matières mentionnées ne sont pas réduites par le sodium dans la zone de température en question. De plus, ces matières ne comportent que de très faibles quantités d'oxyde de silicium et d'oxyde de fer. Parmi les ciments de ce type, on peut citer le ciment argileux alumineux. Il contient jusqu'à 80,5 fo dtA1203 et 18 fo de CaO, tandis que la somme de 0,2 ffi de Si02 et de 0,15 % de Se203 ne figure, en commun avec d'autres impuretés, qu'un reste de 1,5 %. Les agrégats peuvent provenir de ce qu'on appelle des briques légères réfractaires et/ou de briques réfractaires, qui présentent -une teneur en oxydes mentionnés ci-dessus pouvant aller jusqu'à 99 %. Les bétons à base de ciment argileux alumineux et des agrégats mentionnés peuvent être mis en oeuvre jusqu'à des températures d'environ 15000C. Dans la zone de 100 à 4000C, leur résistance se réduit à environ 40-65 % de la résistance de départ, car dans cette zone de température, la déshydratation complète de l'aluminate est menée à son terme. Lorsque la température continue d'augmenter, cette chute de la résistance est freinée, et en chauffant à 6000C on obtient une résistance de 38 - 64 , à 800 C, de 36 - 60% de la résistance initiale.A des températures supérieures à 10000C, on note une forte augmentation de la résistance dépassant la valeur initiale, qui correspond à une agglomération dt matériau, c'est-à-dire à la formation d'une liaison céramique. La couche de béton peut alors entre exécutée soue forme auto-portante. En choisissant des agrégats à faible conducti- vité thermique, comme par exemple des briques légères réfractaires, et en ajoutant au ciment servant de colle des additifs formateurs de pores, la conductivité thermique du béton peut être abaissée à une valeur minimum, de sorte qu'il peut Outre utilisé comme béton isolant thermique. Cela permet de protéger la structure formée de béton traditionnel contre des sollicitations thermiques non admises et leurs conséquences, telles la chute de résistance et la libération de vapeur d'eau. L'adjonction d'additifs fluidifiant et rendant étanche le béton permet en outre, d'influer sur la microstructure des briques de ciment par le fait qu'on obtient une porosité dans une grande mesure fermée0 On évite ainsi l'in- filtration du sodium dans la couche de protection et la -sor- tie de vapeur d'eau de la structure de béton à protéger. Pour la mise en oeuvre de bétons de ce type, on peut imaginer diverses possibilités s a: > déposer ce béton sous forme d'enduit sur la structure à protéger qui est en béton traditionnel. Dans ce cas, la couche de protection contient de l'eau, comme tout au tre béton, cette eau étant libérée par chauffage et pou- vant réagir avec le sodium. Les effets de l'interaction sodium-béton seront cependant limités, car il n'y a dans la couche de protection aucun composant solide qui pour rait réagir avec le sodium, et le contact est évité entre le sodium et le béton traditionnel. Ce béton est en mdme temps isolé thermiqueent, b) Installation d'une couche de protection préfabriquée, prétraitée par calcination.L'eau contenue dans le béton est ainsi complètement éliminée et la liaison hydrauli que initiale de la brique de ciment est transformée en liaison céramique de résistance élevée. L'invention permet de compléter les systèmes de protection connus dans la zone de poche en améliorant la sécurité nucléaire. L'invention doit être mise en oeuvre en parti. culier là oh des systèmes de garniture n'ont pas été jusqu'à présent utilisés pour des questions de colt, comme par exemple dans les installations de production de vapeur, ou dans d'autres zones du système secondaire de réacteurs rapides refroidis au sodium. EUe peut alors, en réduisant les dommages dds à une fuite de sodium, abaisser le coat des opérations de remise en état et de l'arrêt de 1' installa- tion. Les avantages essentiels de l'invention sont les suivants s - le système de protection basé sur l'invention peut être fabriqué et' installé avec les procédés habituels de la technique du béton. Cela implique des avantages tels que - traitement simple et peu cobteux, - aptitude à des géomètries complexes - possibilité de préfabrication. Par rapport au béton classique, le béton à base de ciment argileux alumineux présente, en outre, la propriété à effet positif d'une prise rapide avec une durée de solidification normale. Les structures ou pièces préfabriquées peuvent alors être chargées ou traitées après un court délai. L'invention peut être mise en oeuvre dans la zone secondaire de réacteurs refroidis au sodium, oh l'on n'a pas utilisé jusqu'à présent de système de garniture, pour des raisons de coût. De plus, la fiabilité des systèmes de garniture dans la zone primaire peut être renforcée, car il est possible d'insérer, entre le béton normal et la tôle de garniture, une couche du béton spécial décrit ici. REVENDICATIONS 1. Procédé pour éliminer ou réduire les interactions et leurs conséquences lors du contact du sodium métallique liquide, chaud, avec du béton, dans les systèmes refroidis au sodium, avec utilisation de matières réfractaires, procédé caractérisé en ce que, comme matériau, on utilise, au moins pour la zone voisine de la surface de la structure de béton, qui peut entrer en contact avec le sodium liquide chaud, du béton avec de ltoxy- de d'aluminium, de l'oxyde de magnésium ou de l'oxyde de zirconium, ou un mélange de ces produits, jusqu'à une proportion de 70 ffi en poids à 96,5 ffi en poids. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, comme matériau on utilise un béton préfabriqué à partir de ciment argileux alumineux et de briques réfractaires légères (agrégats réfractaires de béton à faible conductivité thermique) et/ou de briques réfractaires (agré- gats réfractaires de béton). 3,- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, comme matériau, on utilise un béton à la fabrication duquel on a ajouté au ciment servant de colle, un agent auxiliaire formant des pores et/ou fluidifiant le béton et/ou rendant le béton étanche. 4.- Dispositif pour éliminer ou réduire les interactions et leurs conséquences lors du contact du sodium métallique liquide, chaud, avec du béton, dans des systèmes refroidis au sodium, avec utilisation de matériaux réfractaires, dispositif caractérisé par une couche de protection disposée sur la surface de la structure de béton et constituée par un béton avec de l'oxyde d'aluminium, de ltoxyde de magnésium ou de l'oxyde de zirconium ou un mélange de ces produits jusqu une proportion de 70 % en poids à 96,5 % en poids. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche de protection est disposée sur la structure en béton sous la forme d'un enduit. 6.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche de protection est disposée sur la structure de béton sous la forme d'un corps moulé préfabriqué. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la couche de protection est constituée par un béton fabriqué à partir de ciment argileux alumineux et de briques légères réfractaires (agrégat de béton réfractaire à faible conductivité thermique) et/ ou de briques réfractaires (agrégat de béton réfractaire)* 8.~ Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que la couche de protection est constituée par un béton, à la fabrication duquel on a ajouté au ciment servant de colle, un additif formant des pores, et/ou fluidifiant le béton et/ou rendant le béton étanche. 9.- Dispositif selon la revendication 6, ca ractérisé en ce que les corps moulés sont constitués par des éléments de béton préfabriqués, prétiClt4s par calcination avant leur installation sur la structure de béton à protéger.