Brevet FR2522390A1 — publié le 19830902

Atténuateur de coups de bélier La présente invention concerne un système pour supprimer et absorber les coups de bélier dans les tuyauteries et autres systèmes, spécialement les tuyauteries et les systèmes faisant partie des réacteurs nucléaires à métal liquide. Les réacteurs nucléaires contiennent souvent un volume important de liquide qui est utilisé pour refroidir le combustible du réacteur Ce liquide peut 9 tre de l'eau, du sel fondu, ou un métal liquide, particulièrement du sodium liquide. Divers accidents peuvent se produire dans le réacteur par suite des àcoups de pression ou coups de bélier apparaissant dans ce réfrigérant liquide Lorsque le réfrigérant du réacteur est une matière telle que le sodium liquide, il est souhaitable d'atténuer le coup de bélier sans dépasser la limite normale du réfrigérant pour empocher des interactions chimiques telles qu'une combustion du sodium Les systèmes classiques utilisant des diaphragmes d'éruption ne sont donc pas optimaux C'est pourquoi l'objet principal de la présente invention est de réaliser un système passif fiable pour la suppression des à-coups de pression ou coups de bélier sans perte de l'inté- grité de la limite de confinement du réfrigérant de manière que le réfrigérant ne puisse pas s'échapper ou se répandre. Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans un atténuateur de coups de bélier qui est destiné à un système de tuyauterie et qui est adapté pour Otre disposé dans une section de ladite tuyauterie, ledit atténuateur étant caractérisé par le fait qu'il comprend un tuyau intérieur dont la paroi est relativement mince par rapport à la paroi de ladite tuyauterie, de sorte que ledit tuyau intérieur se déforme pendant un coup de bélier; une enveloppe entourant ledit tuyau intérieur à paroi mince en étant espacé de ce dernier de manière qu'un volume soit enfermé entre cette enveloppe et ce tuyau; et une mousse métallique susceptible d'être écrasée ou aplatie et disposée à l'intérieur de ce volume entre ladite enveloppe et ledit tuyau intérieur à paroi mince, ladite mousse étant adaptée et étant disposée de manière à absorber l'énergie lorsqu'elle est écrasée par suite de la dilatation dudit tuyau intérieur à paroi mince pendant un coup de bélier. De préférence, la paroi du tuyau intérieur est cannelée, de sorte que lors d'un coup de bélier dans le réfrigérant, la paroi cannelée se déforme par dilatation en écrasant la mousse métallique qui absorbe l'énergie de déformation en atténuant ainsi le coup de bélier initial. La présente invention apparaîtra plus clairement dans la description d'un mode de réalisation préféré donnée ci- après, à titre d'exemple uniquement, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'une tuyauterie comportant le système d'atténuation de pression selon la présente invention; f la figure 2 est une coupe par II-II de la figure 1; la figure 3 est une coupe schématique d'une région de tête d'un réacteur comportant le système d'atténuation de coups de bélier selon la présente invention; et la figure 4 est une coupe schématique d'une cuve de réacteur comportant le système d'atténuation de coups de bélier selon la présente invention. Le premier mode de réalisation de la présente invention peut être appliqué à des tuyauteries remplies de liquides spécialement des tuyauteries de systèmes de réacteurs nuclé- aires remplies de réfrigérant On va se référer à la figure l. Une tuyauterie 1 contenant du réfrigérant 2 comporte une section de sa longueur dont la paroi a une épaisseur faible par rapport à l'épaisseur de la paroi de la tuyauterie, cette section 3 comiportant, en outre, facultativement, des ondulations appelées cannelures 4 visibles sur la figure 2 La section cannelée 3 est entourée par une enveloppe-5, l'espace entre cette enveloppe et la section cannelée 3 étant remplie d'une mousse métal- lique 6 qui peut être écrasée et qui est profilée de façon appropriée pour s'ajuster à l'intérieur des cannelures* La mousse métallique est une matière qui possède des propriétés d'absorption d'énergie que l'on peut régler sur mesure pour répondre à des besoins spécifiques On peut agir sur diverses caractéristiques de la mousse, comme par exemple la composition de l'alliage métallique ou les dimensions des pores,pour modifier l'absorption spécifique d'énergie qui se produit pendant l'écrasement de la mousse La mousse métallique peut être usinée de manière à épouser des configurations géomé- triques voulues, comme par exemple la section cannelée 3 du présent mode de réalisation. La mousse métallique est vendue sur le marché par plusieurs sociétés, parmi lesquelles on trouve ( 1) Energy Research and Generation, Ine, de Oakland, Californie, ( 2) Foametal Division of Hogen Industries Inco de Willoughby, Ohio et ( 3) Astro Met Associates nc, de Cincinatti, Ohio. Une mousse métallique est décrite dans les brevets US suivants qui sont mentionnés ici h titre de référence " US 4 099 961, US 3 834 881 et US 2 553 016. On va maintenant décrire le fonctionnement du premier mode de réalisation pendant un coup de béi 'ïr On -va supposer que le coup de bélier dans le réfrigérant 2 sur la figure 1 arrive sous la forme d'une onde de pression à l'extrémité 7 de la tuyauterie 1, en se déplaçant vers l'extréwmité 8 On va supposer en outre que le coup de bélier a une amplitude telle qu'il présente un danger pour les structures critiques telles que la section cannelée 3 dont la résistance a été calculée pour permettre la réaction suivante h l'ondes La section canne- lée 3 se dilate radialement vers l'extérieur par rapport au centre de la tuyauterie 1, l'effet des cannelures étant de permettre cette dilatation sans rupture Pendant la dilatation de la section cannelée 3, la mousse métallique 6 est écrasée en absorbant ainsi l'énergie et en atténuant le coup de b 6 îier. La longueur L de la section cannelée 3 doit être suffisante pour que l'onde de pression diminue d'intensité au point d'atteindre un niveau sûr avant de passer au-delà de la section 3 La conception générale du système est prévue pour atténuer complètement les coups de bélier envisagés (ou maximaux possi-. bles) avant que la section cannelée ne se dilate au point o toute autre dilatation entraînerait une déformation plastique de la matière cannelée avec pour conséquence un risque d'une rupture ainsi que d'un épanchement du réfrigérant. La mousse métallique 6 peut aussi servir d'écran contre - les radiations et d'isolant thermique. Du fait que lameusse 6 est écrasée pendant l'atténua- tion d'un coup de bélier et que la section cannelée a été formée, il faut remplacer l'ensemble lorsque la section cannelée ou avant que cela ne se produise -On ne dispose pas actuellement de sections cannelées et de moussea élastiques ou susceptibles de reprendre leur état initial. On va maintenant donner en se référant aux figures i et 2 une évaluation de la capacité potentielle d'absorption d'énergie du premier mode de réalisation Pour une tuyauterie d'un rayon r comportant N cannelures d'une longueur L, pour une mousse écrasable d'une épaisseur t, on peut voir que t E = a N 2 trr dor etr + tl o: E est l'absorption d'énergie par unité de longueur L pour dilater complètement la cannelure; d est la limite élastique; et _ est la déformation à la limite d'élasticité de la mousse; et, a est le rapport entre le rayon maximal et le rayon moyen r de la tuyauterie cannelée* Le tableau 1 ci-après représente une absorption d'énergie calculée pour les chiffres indiqués. TABTLEU I d 35 kg/cm 2 3,5 M Pa t 75 % r 46 cm $ 24 cm N 8 cannelures a 0,155 E 1060 joules/m pour une cannelure venant de se dilater totalement (énergie spécifique) On va maintenant décrire un second mode de réalisation en se référant à la figure 3 Un bloc 9 d'une mousse métalli- que écrasable 6 est disposé en dessous de la structure de tête ou couvercle 10 d'un réacteur Par suite d'un accident supposé dans un réacteur, il peut se produire un choc entre la masse 11 de réfrigérant et la structure de tête 10 Le bloc 9 est écrasé entre les plaques 12, an absorbant l'énergie et en atténuant l'impulsion de pression ou coups de bélier. La mousse 6 sert également d'écran protecteur contre les radiations et la chaleur Pour une protection à l'aide d'une mousse écrasable ou aplatissable en dessous de la struc- ture de tête à réacteur, l'absorption d'énergie potentielle peut être définie par: E = Od YI Efv o S îy est la pression voulue que l'on désire atténuer Ef est la déformation finale à la limite de l'élasticité de la mousse, et V est le volume de la mousse En considérant, par exemple, une configuration en dessous de la tête ou couvercle avec y = 2,1 M Pa ú = 0,75 V = 38 x 106 cm 3 avec 122 cm de mousse métallique, l'énergie absorbée devient: E 1 = 59 megajoules (énergy totale) L'absorption d'une telle énergie réduit de façon très impor- tante les forces agissant accidentellement sur la tète ou couvercle et sur la partie supérieure de la cuve. On va maintenant décrire un troisième mode de réalisation en se référant à la figure 4 Dans ce mode de réalisation, une mousse métallique 6 écrasable ou aplatissable est disposée à l'extérieur d'une cuve 13 de réacteur entre ladite cuve 13 et une plaque 14 Le rôle de la mousse est identique au rôle qu'elle joue dans les deux premiers modes de réalisation. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y ttre apportées dans le cadre de la présente invention. 2522390 O ? REVENDICATIONS 1 Atténuateur de coups de bélier destiné à un système de tuyauterie et adapté pour être disposé dans une section de ladite tuyauterie ( 1), caractérisé par le fait que ledit atténuateur comprend:un tuyau intérieur ( 3) comportant une paroi relativement mince par rapport à la paroi de ladite tuyauterie ( 1) de sorte que ledit tuyau intérieur ( 3) se déforme lors d'un coup de bélier; une enveloppe ( 5) entourant ledit tuyau intérieur ( 3) à paroi mince en étant espace de ce dernier de façon qu'un volume soit enfermé entre cette enve- loppe et ce tuyau; et une mousse métallique ( 6) écrasable disposée à l'intérieur du volume compris entre ladite enveloppe ( 5) et ledit tuyau intérieur ( 3) à paroi mince, ladite mousse ( 6)' étant adaptée et disposée de manière à absorber l'énergie lorsqu'elle est écrasée par suite de la dilatation dudit tuyau intérieur ( 3) à paroi mince pendant un coup de bélier. 2 Atténuateur de coupsde bélier suivant la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que ledit tuyau intérieur -( 3) à paroi mince est cannelé de telle sorte que la dilatation du tuyau intérieur par suite du coup de bélier a lieu sensi- ans déformation plastique dudit tuyau intérieur ( 3). 3 -Agencement d'atténuation de coups de bélier ou impulsions de pression pour un réacteur nucléaire comprenant une cuve (réacteur fermée par un couvercle ( 10) de cuve, car é par le fait que des blocs ( 12) d'une mousse métallique: écrasable sont disposés en dessous dudit couver- cle ( 10), ladite mousse 6) étant adaptée pour absorber de l'énergie pendant un coup de bélier ou impulsion de pression* 4 Agencement d'atténuation de coups de bélier ou impulsions de pression suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite mousse ( 6) est disposée entre la surface intérieure dudit couvercle ( 10) et une plaque métallique ( 9). Agencement d'atténuation de coups de bélier ou impulsions de pression suivant les revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que ladite mousse ( 6) est prise en sandwich entre au moins deux plaques métalliques ( 12). 6 Agencement d'atténuation de coups de bélier ou impulsions de pression suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits blocs de mousse écrasable ( 6) sont disposés de façon adjacente à la paroi ( 13) de la cuve.