Brevet FR2524609A1 — publié le 19831007

L'invention concerne un dispositif d'obturation de secours, en cas de fuite, d'un tube dtun générateur de vapeur comportant une enveloppe renfermant un faisceau tubulaire, à l'intérieur de laquelle un métal liqui- de circule en contact avec la surface externe des tubes du faisceau. De tels générateurs de vapeur o la chaleur de vaporisation est apportée à l'eau alimentaire par un métal liquide, par exemple du sodium liquide, sont utilisés dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, le métal liquide étant lui-même échauffé par un autre métal liquide refroidis- sant le coeur du réacteur. Le sodium liquide chaud est généralement amené à la partie supé- rieure de l'enveloppe du générateur de vapeur et s'écoule verticalement à travers le faisceau tubulaire. Chacun des tubes du faisceau est relié à l'une de ses extrémi- tés à une boite à eau et à son autre extrémité à un collecteur recueillant la vapeur formée dans le tube par échange de chaleur entre le sodium liqui- de et l'eau alimentaire circulant dans le tube - Dans de tels générateurs de vapeur, il est nécessaire de limi- ter les conséquences d'un incident consécutif à une fuite ou à une rupture sur un tube du faisceau. En effet, dans ce cas, l'eau circulant dans le tube entre en contact avec le sodium liquide et il s'ensuit une réaction chimique extrê- mement énergétique Cette réaction sodium-eau se manifeste par deux effets: un effet à très court terme dû à la rapide montée en pression de la bulle d'hydrogène produite par la réaction, et un second effet à plus long terme provenant des mouvements de masse liquide à travers les tuyauteries du cir- cuit de sodium secondaire, sous la poussée de la bulle d'hydrogène sous pression. Le premier effet, à très court terme, conduit à la propagation, à la vitesse du son, à travers le générateur de vapeur et les tuyauteries du circuit secondaire, d'une onde de pression Pour se prémunir contre cet effet à court terme, on a proposé de créer des surfaces libres à la partie supérieure du générateur de vapeur ou dans des réservoirs situés sur le circuit secondaire ou à différents endroits dans le générateur de vapeur. De telles surfaces libres sont créées en introduisant de l'argon dans l'en- veloppe du générateur de vapeur ou dans un réservoir à l'intérieur de ce générateur de vapeur ou disposé sur le circuit secondaire et renfermant du sodium liquide. Lors de sa propagation, l'onde de pression s'atténue lorsqu'el- le rencontre de telles surfaces libres. On dispose également à la partie basse du générateur de vapeur, une tubulure normalement fermée par une membrane de rupture et communiquant avec un ou plusieurs réservoirs de vidange rapide du sodium et des pro- duits de la réaction sodium-eau. Cependant, Itexistence de surfaces libres argon-sodium conduit à des phénomènes oscillatoires dans les colonnes de sodium liquide et à l'apparition de surpressions importantes par compression de l'argon de cou- verture présent au-dessus de ces niveaux libres. De plus, si la réaction sodium-eau se prolonge, de l'eau conti- nuant à se déverser dans l'enveloppe du générateur de vapeur, le débit de vidange peut devenir insuffisant pour éviter une montée en pression du gé- nérateur de vapeur et du circuit secondaire. Enfin, les débits extrêmement importants qui parcourent alors les différentes branches du circuit secondaire créent aux bornes des appa- reils situés sur ce circuit des pertes de charge extrêmement importantes et conduisant à la destruction de l'appareillage du circuit secondaire. Les signaux d'alarme engendrés au moment de l'apparition de la fuite sur le faisceau tubulaire du générateur commandent des vannes de dé- compression rapide de la vapeur ainsi que des vannes d'arrêt du débit c Feli- mentation en eau du générateur de vapeur. Cependant, il s'écoule quelques dizaines de secondes avant que le générateur soit complètement isolé et décomprimé Ce temps de réaction est excessif, dans le cas d'une fuite correspondant par exemple à la ruptu- re totale d'un tube, puisque la quantité d'eau qui passe dans le sodium li- quide est alors considérable ce qui conduit à une surpression très élevée dans le circuit secondaire et à une pollution importante de ce circuit. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'ob- turation de secours, en cas de fuite, d'un tube d'un générateur de vapeur comportant une enveloppe renfermant un faisceau tubulaire, à l'intérieur de laquelle un métal liquide circule en contact avec la surface externe des tubes du faisceau et apporte la chaleur de vaporisation à l'eau alimen- taire circulant dans les tubes du faisceau qui sont reliés, à l'une de leurs extrémités, à une boite à eau, et, à leur autre extrémité, à un col- lecteur recueillant la vapeur formée dans le tube, ce dispositif d'obtura- tion devant permettre d'éviter l'introduction dans le nmtal liquide d'une quantité d'eau importante, en cas de fuite ou de rupture d'un tube du gé- nérateur de vapeur. Dans ce but, il comporte, à chacune des extrémités du tube, fixée dans la paroi de la boite à eau ou du collecteur de vapeur, une douil- le tubulaire dont l'alésage communique à l'une de ses extrémités avec un alésage prévu dans la paroi considérée et recevant l'extrémité du tube et, à son autre extrémité, avec le volume interne de la boite à eau ou du col- lecteur de vapeur, l'alésage de la douille de plus grand diamètre que l'a- lésage recevant le tube renfermant un clapet susceptible de fermer le pas- sage de communication entre l'alésage de la douille et l'alésage recevant le tube, le clapet disposé à l'intérieur de la douille associée à la boite à-eau étant relié à la douille par une pièce susceptible de se rompre, en cas de fuite sur le tube se traduisant par un débit d'eau accru, ce clapet étant alors entraîné en position de fermeture du tube et le clapet dispo- sé à l'intérieur de la douille associée au collecteur de vapeur étant libre et mobile dans l'alésage de la douille entre une position d'ouverture o le clapet repose sur l'extrémité de la douille opposée au tube et obture un orifice pratiqué dans cette extrémité et une position de fermeture du tube en cas de fuite de celui-ci, par déplacement du clapet sous l'effet de la différence de pression qui apparatt entre le collecteur et l'inté- rieur de la douille. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un dis- positif d'obturation de secours suivant l'invention dans le cas d'un géné- rateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides dont le flui- de secondaire est du sodium liquide. La figure 1 représente, dans une vue en perspective avec parties arrachées, un générateur de vapeur disposé sur le circuit secondaire d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. La figure 2 a représente une vue en coupe de la partie du dispo- sitif d'obturation disposée au niveau d'une boite à eau du générateur de vapeur. La figure 2 b représente une vue en coupe suivant AA de la fi- gure 2 a. La figure 2 c représente une vue en coupe suivant BB de la figure 2 a. La figure 3 a représente une vue en coupe de la partie du disposi- tif d'obturation disposée au niveau du collecteur de vapeur. La figure 3 b représente une vue en coupe suivant CC de la fi- gure 3 a. Sur la figure l,on voit le générateur de vapeur qui comporte une enveloppe 1 cylindrique et de grande hauteur reliée à sa partie supé- rieure à des conduites 2 et 3 d'arrivée du sodium liquide secondaire échauf- fé par le sodium liquide primaire dans des échangeurs de chaleur intermé- diaires disposés sur le circuit secondaire du réacteur. L'enveloppe 1 renferme un faisceau tubulaire 5 constitué par des tubes 6 de grande longueur enroulés en hélice et maintenus en position dans l'enveloppe par des grilles de maintien 8 et 9. L'eau alimentaire circule de bas en haut dans les tubes 6 du faisceau, chacun des tubes étant relié à une boite à eau 10 à son extré- mité inférieure et à un collecteur de vapeur 11 à son extrémité supérieure. L'ensemble des tubes du faisceau est divisé en quatre sous-en- sembles comportant un maeme nombre de tubes et dans lequel les tubes 6 sont reliés à une même boite à eau et à un même collecteur de vapeur. Chacune des quatre boites à eau l Oa, lob, Qoc et i Od de forme cylindrique est reliée par sa paroi latérale à une conduite d'alimentation en eau 12 Les tubes 6 du sous-ensemble relié à la boite à eau sont reliés à celle-ci par sa paroi supérieure plane constituant une plaque tubulaire. Les collecteurs il sont reliés deux à deux à des conduites d'é- vacuation de vapeur 14. L'eau circulant de bas en haut dans le faisceau est donc échauf- fée par le sodium liquide chaud circulant de haut en bas en contact avec la surface extérieure des tubes du faisceau. L'eau se vaporise et la vapeur est recueillie par le collecteur Il correspondant. Sur les figures 2 a, 2 b, 2 c, on voit la paroi supérieure plate 15 de la boite à eau 10 constituant une plaque tubulaire dans laquelle sont fixées les extrémités iigrieures des tubes 6 au niveau d'alésages 16 usinés dans la plaque tubulaire 15. Dans le prolongement de l'alésage 16, est usiné un alé sage de plus grand diamètre 17 débouchant dans le volume intérieur de la boite à eau. La surface interne de cet alésage 17 est taraudée sur une par- tie au moins de sa hauteur et une douille filetée 18 est fixée par vissage à l'intérieur de cet alésage 17 La douille 18 est également maintenue à l'intérieur de la boite de vapeur grâce à une plaque d'écartement 20 fixée sur la plaque tubulaire 15 grâce à des vis 21 et centrée à l'intérieur de la boite à eau grâce à des coins 22 de forme trapèzoldale. La douille peut être fixée sur la plaque 20 par soudage après mise en place. La douille tubulaire 18 comporte un alésage intérieur 24 de plus grand diamètre que l'alésage 16 dans lequel est introduit le tube 6 Les alésages 24 et 16 sont reliés par un passage 25 comportant des portées tron- coniques. A l'intérieur de l'alésage 24 est placé un clapet 26 comportant deux extrémités coniques se raccordant à une partie centrale prismatique à section triangulaire comme représenté sur la figure 2 b Le clapet 26 est centré à l'intérieur de l'alésage 24 par les arêtes du prisme constituant sa partie centrale. L'extrémité inférieure du clapet 26 est solidaire d'une tige 27 disposée suivant l'axe de l'alésage 24 A sa partie ixerieure la tige 27 est solidaire d'une barrette de fixation 28 engagée dans des ouvertures latérales 30 traversant la surface latérale de la douille 18. Le clapet 26 est ainsi maintenu en position telle que représen- tée sur la figure 2 a, grâce à la tige 27. Dans cette position, l'eau amenée dans la boite à eau vient ali- menter chacun des tubes 6 reliés à cette boite à eau après passage dans l'alésage 24 des douilles 18 suivant la direction indiquée par les flèches 32 L'eau peut en effet parvenir jusqu'à l'alésage 16 à l'intérieur duquel est placé le tube 6, en passant autour du corps prismatique et des extré- mités coniques du clapet 26 La tige 27 a une résistance suffisante pour maintenir le clapet malgré la force verticale dirigée vers le haut exercée par l'eau alimentaire en circulation, lorsque le débit de cette eau alimen- taire correspond au débit normal d'alimentation des tubes 6, pendant le fonctionnement du générateur de vapeur. En cas de rupture sur un des tubes 6 ou d'une fuite importante sur ce tube, le débit d'eau alimentaire dans ce tube passe très rapidement à une valeur très élevée, par exemple dix ou vingt fois supérieure à la va- leur normale puisque cette eau s'écoule librement dans le sodium liquide entourant le faisceau. L'effort dû eta perte de charge exercé verticalement et de bas en haut sur le clapet 26 augmente considérablement ce qui a pour effet de casser la tige de maintien 27 dont la résistance à la rupture a été calcu- lée en conséquence Le clapet 26 se déplace vers le haut et vient obstruer le passage 25 dans lequel il est maintenu par l'eau sous pression remplis- sant le volume intérieur de la boite à eau L'alimentation en eau du tube 6 est alors coupée. Sur la figure 3 a on voit la plaque supérieure plane 35 d'un col- lecteur il percée d'un alésage 36 dans lequel est fixée l'extrémité supé- rieure du tube 6. Une douille 38 est vissée à l'intérieur d'un alésage 37 de plus grand diamètre que l'alésage 36. L'alésage intérieur 34 de la douille 38 de plus grand diamètre que l'alésage 36 est relié à celui-ci par une portée tronconique 40. La paroi latérale de la douille 38 est percée d'ouvertures 41 pour la sortie de la vapeur (flèche 42). La partie ixgrieure de la douille 38 est fermée par une paroi 43 percée d'un trou 44 Sur cette paroi 43 repose un clapet 45 fermant ltou- verture 44 et entièrement disposé en-dessous des ouvertures 41. Le clapet 45 comporte deux extrémités coniques et une partie cen- trale cylindrique. En fonctionnement normal du générateur de vapeur, la vapeur ar- rivant dans le tube 6 passe dans la chambre intérieure du collecteur Il par l'intermédiaire de l'alésage 34 et des ouvertures 41 Le clapet 45 reste en position centrée à l'intérieur de la partie iîdrieure de la douille 38 et ferme l'ouverture 44. Dans le cas d'une rupture ou d'une fuite importante sur le tube 6, la pression tombe très rapidement à l'intérieur du tube 6, l'eau et la vapeur s'échappant dans l'enveloppe du générateur de vapeur La vapeur sous pression se trouvant dans le collecteur 11 exerce une force verticale diri- gée vers le haut sur le clapet 45 au niveau de l'ouverture 44. Le clapet est propulsé à la partie supérieure de la douille 38 et vient obstruer le passage 40. Aussit 8 t après l'apparition d'une rupture ou d'une fuite impor- tante sur le tube 6, le dispositif d'obturation suivant l'invention permet donc d'obtenir un isolement complet de ce tube 6 aussi bien par rapport à la boite à eau que par rapport au collecteur de vapeur. Les clapets 26 et 45 sont maintenus en position de fermeture par l'eau sous pression de la boite à eau et par la vapeur sous pression du col- lecteur On évite ainsi l'envoi à l'intérieur du sodium liquide remplissant l'enveloppe du générateur de vapeur de grandes quantités d'eau, la période de temps s'écoulant entre l'apparition de la rupture et la fermeture du tube par les clapets étant extrêmement brève. On voit que les principaux avantages du dispositif selon l'in- vention sont de permettre d'éviter l'introduction d'eau dans le circuit secondaire du réacteur nucléaire, en cas de rupture d'un tube du faisceau du générateur de vapeur, en utilisant des dispositifs extrêmement simples et ne nécessitant aucun moyen de commande et aucun dispositif de surveil- lance. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi qu'on peut imaginer des pièces de rupture diffé- rentes d'une tige pour le maintien du clapet en position d'ouverture dans les douilles associées 'a la boite à eau. On peut imaginer également un clapet d'une forme différente et un moyen de fixation des douilles quelconque. Au lieu de clapetsà déplacement libre disposé 3 dans l'alésage in- térieur des douilles associées au collecteur de vapeur, on peut imaginer l'utilisation de clapetsà dispositif de rappel. Il est bien évident que le dispositif d'obturation qui vient d'être décrit est relatif à un seul tube mais que chacun des tubes du fais- ceau est équipé d'un dispositif semblable comportant un moyen de fermeture au niveau de la boite à eau et un moyen de fermeture au niveau du collec- teur de vapeur. Le dispositif d'obturation de secours suivant l'invention s'ap- plique quelque soit le nombre de boites à eau et le nombre de collecteurs de vapeur associés au générateur de vapeur. Enfin, on peut associer de tels dispositifs d'obturation de se- cours non seulement à des générateurs de vapeur d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides mais à tout générateur de vapeur o l'échange de chaleur se fait dans un faisceau tubulaire, entre un métal liquide et de l'eau ali- mentaire. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'obturation de secours, en cas de fuite, d'un tube ( 6) d'un générateur de vapeur comportant une enveloppe ( 1) renfermant un faisceau tubulaire ( 5), à l'intérieur de laquelle un métal liquide cir- cule en contact avec la surface externe des tubes du faisceau et apporte la chaleur de vaporisation à l'eau alimentaire circulant dans les tubes du faisceau qui sont reliés à l'une de leurs extrémités à une boite à eau ( 10) et à leur autre extrémité, à un collecteur ( 11) recueillant la vapeur for- mée dans le tube ( 6), caractérisé par le fait qu'il comporte, à chacune des extrémités du tube ( 6) fixée dans la paroi de la boite à eau ( 10) ou du collecteur de vapeur ( 11), une douille tubulaire ( 18, 38) dont l'alésage ( 24, 34) communique, à l'une de ses extrémités, avec un alésage ( 16, 36) prévu dans la paroi considérée et recevant l'extrémité du tube ( 6) et, à son autre extrémité, avec le volume interne de la boite à eau ( 10) ou du collecteur de vapeur ( 11), l'alésage de la douille ( 18, 38) de plus grand diamètre que l'alé- sage ( 16, 36) recevant le tube ( 6) renfermant un clapet ( 26, 45) suscepti- ble de fermer le passage de communication ( 25, 40) entre l'alésage ( 24, 34) de la douille et l'alésage ( 16, 36) recevant le tube ( 6), le clapet ( 26, 45) disposé à l'intérieur de la douille ( 18) associée à la boite à eau ( 10) étant relié à la douille par une pièce ( 27) susceptible de se rompre, en cas de fuite sur le tube ( 6) se traduisant par un débit d'eau accru, ce clapet ( 26) étant alors entrainé en position de fermeture du tube ( 6) et le clapet ( 45) disposé à l'intérieur de la douille ( 38) associée au collec- teur de vapeur ( 11) étant libre et mobile dans l'alésage de la douille ( 38) entre une position d'ouverture o le clapet repose sur l'extrémité de la douille ( 38) opposée au tube ( 6) et obture un orifice ( 44) pratiqué dans cette extrémité et une position de fermeture du tube ( 6) en cas de fuite de celui-ci, par déplacement du clapet ( 45) sous l'effet de la différence de pression qui apparaît entre le collecteur ( 11) et l'intérieur de la douille ( 38). 2. Dispositif d'obturation suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le clapet ( 26) disposé à l'intérieur de la douille ( 18) associée à la boite à eau ( 10) comporte une extrémité de fer- meture de forme conique et une partie de guidage dans l'alésage de la douil- le de forme prismatique et que ce clapet ( 26) est relié par l'intermédiaire de son extrémité opposée à l'extrémité de fermeture à une tige de rupture ( 27) disposée suivant l'axe de l'alésage de la douille ( 18) et relié par son extrémité opposée à l'extrémité reliée au clapet ( 26) à la paroi laté- rale de la douille ( 18). 3. Dispositif d'obturation suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la douille ( 18) associée à la boite à eau ( 10) est maintenue en position dans celle-ci, à son extrémité opposée à l'ex- trémité fixée dans la paroi de la boite à eau ( 10) par une plaque de main- tien ( 20) percée d'ouvertures ( 30) pour l'engagement de l'extrémité des douilles ( 18) correspondant à l'ensemble des tubes ( 6) reliés à la boite à eau ( 10). 4 Dispositif d'obturation suivant l'une quelconque des reven- dications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que la douille ( 38) reliée au collecteur de vapeur ( 11) est disposée avec son axe vertical et comporte une partie engagée dans une paroi horizontale du collecteur de vapeur ( 11) et une partie sail- lante à l'intérieur de la chambre interne du collecteur de vapeur ( 11) fer- née par un fond comportant une ouverture centrale ( 44) sur laquelle repose le clapet ( 45) en position d'ouverture, au moins une ouverture ( 41) traver- sant la paroi latérale de la partie saillante de la douille ( 38) audessus du clapet ( 45), pour la sortie de la vapeur dans le volume interne du col- lecteur ( 11).