Brevet FR2542909A1 — publié le 19840921

La présente invention concerne un réacteur nucléaire à neutrons rapides de type intégré, dans le- quel les structures internes sont modifiées, notamment afin d'améliorer leur tenue aux séismes et de réduire le coût du réacteur. On sait que les réacteurs à neutrons rapides de type intégré se caractérisent par le fait que l'en- semble du circuit primaire du réacteur est logé à l'intérieur d'une cuve dite cuve principale, obturée par une dalle Ainsi, on trouve à l'intérieur de la cuve principale le coeur du réacteur, les pompes du circuit primaire et les échangeurs assurant le trans- fert de la chaleur entre le circuit primaire et le circuit secondaire, l'ensemble étant noyé dans un métal liquide généralement constitué par du sodium, surplombé à proximité de la dalle par une couverture d'un gaz inerte tel que de l'argon. Dans les réacteurs de ce type, il est néces- saire de séparer le sodium relativement chaud sortant du coeur du réacteur, du sodium relativement froid sortant des échangeurs de chaleur On définit ainsi à l'intérieur de la cuve principale un collecteur chaud contenant le sodium relativement chaud et un collec- teur froid contenant le sodium relativement froid De façon plus précise, en sortant du coeur du réacteur, le sodium pénètre directement dans le collecteur chaud avant d'être admis dans les échangeurs Le sodium re- froidi à l'intérieur de ces derniers est rejeté dans le collecteur froid, o il est repris par les pompes et réinjecté dans le coeur par des conduites de refou- lement communiquant avec un sommier d'alimentation et de supportage du coeur. Dans les réacteurs réalisés ou en cours de fabrication à ce jour, tels que les réacteurs Phénix 2542909. et Super-Phénix, la séparation entre les collecteurs chaud et froid est réalisée au moyen d'une cuve inter- ne dite "à redan" comportant une virole cylindrique et une partie en forme de redan reliant cette virole cy- lindrique aux structures extérieures du coeur Cette partie de la cuve en forme de redan est traversée par les pompes et les échangeurs, qui sont suspendus à la dalle. Bien qu'elles donnent des résultats satis- faisants du point de vue du fonctionnement du réac- teur, les structures internes des réacteurs intégrés tels que Phénix et Super-Phénix présentent un certain nombre d'inconvénients. En premier lieu, il est nécessaire de proté- ger la cuve principale des contraintes thermiques ex- cessives en la doublant de baffles thermiques Les structures internes sont donc très complexes et, par conséquent, très coûteuses, notamment en raison de la masse importante d'acier inoxydable de qualité nu- cléaire requise pour sa réalisation et en raison des formes complexes des différentes pièces. Dans les réacteurs existants, le transfert des assemblages combustibles neufs et irradiés entre la cuve principale et des installations de stockage annexes s'effectue notamment à l'intérieur de-la cuve principale au moyen d'une rampe inclinée De même, d'autres composants tels que des échangeurs de refroi- dissement du réacteur à l'arrêt sont suspendus à la dalle et traversent la cuve interne Ces nombreuses traversées de la cuve interne en compliquent encore la forme et tendent donc à en accroître le coût. D'autre part, la cuve interne à redan est fixée à la cuve principale à la fois par sa partie inférieure cylindrique, qui est reliée aux structures de supportage du coeur (sommier et platelage), elles- mêmes fixées à la cuve principale Cette double liai- son entre la cuve interne et la cuve principale a pour conséquence d'induire des contraintes thermiques pré- judiciables à la bonne tenue mécanique de ces structu- res. Un autre inconvénient des structures ac- tuelles provient du fait que l'élancement de la cuve interne, c'est-à-dire le rapport de l'épaisseur de la paroi sur sa hauteur, est très faible Cette caracté- ristique est défavorable du point de vue de la résis- tance des structures internes aux séismes Afin d'amé- liorer cette résistance aux séismes, il est nécessaire de raidir ces structures soit localement, au moyen de cerces ou de renforts, soit sur toute la hauteur de la cuve interne, en augmentant son épaisseur Dans les deux cas, la masse d'acier inoxydable de qualité nu- cléaire et, par conséquent, le coût du réacteur, s'en trouvent sensiblement augmentés. Par ailleurs, en raison de la réalisation du collecteur froid sous la forme d'un volume unique, tout incident sur les boucles du circuit secondaire se répercute sur la totalité du collecteur froid. La présente invention a précisément pour objet un réacteur nucléaire à neutrons rapides de type intégré comprenant des structures internes de forme modifiée permettant de résoudre les inconvénients men- tionnés ci-dessus des structures internes des réac- teurs existants ou en cours de fabrication. A cet effet, et conformément à l'invention, il est proposé un réacteur nucléaire à neutrons rapi- des, comprenant une cuve principale obturée par une dalle et dans laquelle est disposé le coeur du réac- teur, ladite cuve contenant un métal liquide circulant entre un collecteur chaud et un collecteur froid sous l'action d'au moins deux pompes pour transférer la chaleur dégagée dans le coeur du réacteur jusqu'à au moins deux échangeurs de chaleur, caractérisé en ce que le collecteur froid comporte plusieurs modules fermés et séparés disposés bout à bout pour former un anneau entourant le coeur du réacteur, au moins -une pompe et au moins un échangeur de chaleur plongeant dans chacun desdits modules au travers de cheminées assurant l'étanchéité entre les collecteurs chaud et froid. Grâce à la disposition en module et sous forme d'anneau du collecteur froid autour du coeur du réacteur et au supportage des modules par le fond de la cuve principale, la réalisation des structures in- ternes se trouve simplifiée En particulier, la rampe de manutention ainsi que certains des composants peu- vent passer entre deux modules, ce qui permet à la fois de limiter les dimensions de la cuve principale. Le coût du réacteur s'en trouve sensiblement réduit. Par ailleurs, les problèmes liés aux dilata- tions différentielles lors des transitoires thermi- ques affectant l'un des composants ou l'une des bou- cles secondaires, ne se répercutent que sur le module correspondant En outre, la réduction de la hauteur du collecteur froid entraîne une plus grande résistance de ces structures aux séismes et une diminution sensi- ble du coût. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, chaque module du collecteur froid repose sur le fond de la cuve principale par l'intermédiaire d'une structure de supportage appropriée. Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque module présente en section droite une forme approximativement circulaire, de sorte que le collec- teur froid présente la forme d'un tore de révolution fractionné en modules. Comme on l'a mentionné précédemment, lors- que le réacteur comprend une rampe de manutention de combustible, cette rampe passe de préférence entre deux modules voisins du collecteur froid. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les cheminées dans lesquelles sont logées les pompes sont ouvertes à leur extrémité supérieure, située au-dessus du niveau libre de métal liquide dans la cuve principale, et les cheminées dans lesquelles sont logés les échangeurs coopèrent avec ces derniers par l'intermédiaire d'un dispositif d'étanchéité situé en-dessous d'au moins un orifice d'entrée du métal liquide contenu dans le collecteur chaud. Un baffle horizontal disposé au-dessus des modules, mais au-dessous du niveau haut du coeur per- met d'éviter la convection entre le sodium situé au niveau du collecteur froid et le sodium, à une tempé- rature plus élevée, situé au-dessus du coeur. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'inven- tion en se référant aux dessins annexés dans les- quels: la figure 1 est une vue en coupe schématique du cir- cuit primaire intégré d'un réacteur à neutrons rapi- des réalisé conformément à l'invention, et la figure 2 représente de façon très schématique la section selon la ligne II-Il de la figure 1 du réac- teur selon l'invention. De façon connue, le bloc réacteur représenté sur la figure 1 comprend une enceinte externe de béton 10 assurant la protection neutronique Cette enceinte définit un puits de cuve 10 a dans lequel est dispo- sée une cuve cylindrique 12, d'axe vertical, dite cuve principale Le puits de cuve dans lequel est logée la cuve principale 12 est obturé à son extrémité supé- rieure par une dalle de béton 14 reposant de façon 6 2542909 I connue sur une portée annulaire l Ob formée sur l'en- ceinte 10. Le supportage de la cuve principale 12 peut être réalisé de différentes manières Ainsi, dans la variante représentée sur la figure 1, le fond de la cuve repose directement sur le fond du puits de cuve défini dans l'enceinte 10 De plus, la cuve 12 compor- te à son extrémité supérieure une bride relativement souple 12 a dont la périphérie externe est noyée dans le béton de l'enceinte 10 De façon traditionnelle, la cuve 12 pourrait aussi être suspendue directement à la dalle de fermeture 14. Le réacteur selon l'invention étant du type intégré, on trouve de façon connue à l'intérieur de la cuve principale 12 le coeur 16 du réacteur, sa protec- tion neutronique 18, des échangeurs de chaleur 20 et des pompes de circulation 22 L'ensemble est noyé dans du sodium liquide 24 surplombé à proximité de la dalle 14 par une couverture 26 de gaz neutre tel que de l'argon. De façon plus précise, le coeur 16, entouré de sa protection neutronique 18, est disposé approxi- mativement au centre de la cuve 12 et repose sur le fond de celle-ci par l'intermédiaire d'un sommier d'alimentation 28 et d'un platelage 30 Les échangeurs et les pompes 22 sont suspendus de façon connue à la dalle de fermeture 14 et régulièrement répartis dans l'espace annulaire formé entre la protection neu- tronique 18 et la paroi latérale cylindrique de la cuve 12 Ainsi, comme l'illustre la figure 2, les axes des échangeurs 20 et des pompes 22 sont disposés sen- siblement à égale distance de l'axe vertical de la cuve principale 12. Le réacteur nucléaire selon l'invention comprend au moins deux échangeurs 20 et au moins deux 2542909: pompes 22 logés dans la cuve principale 12 Par exem- ple, dans la variante de réalisation représentée sur la figure 2, il est prévu quatre pompes 22 disposées sensiblement à égale distance les unes des autres dans l'espace annulaire entourant le coeur du réacteur. Dans cette variante de réalisation, on prévoit en ou- tre d'associer à chacune des pompes 22 deux échangeurs disposés de part et d'autre de la pompe correspon- dante. Conformément à l'invention, chacun des groupes échangeur 20 pompes 22 ainsi formés plonge dans un module fermé 32 par des cheminées désignées respectivement par les références 34 et 36. De façon plus précise et comme l'illustrent les figures 1 et 2, chacun des modules 32 est délimité par une paroi 33 remplissant la même fonction que la cuve interne dans les réacteurs de la technique anté- rieure Dans la variante représentée, cette paroi pré- sente, pour chaque module, la forme d'un secteur tori- que de révolution dont les extrémités sont hémisphéri- ques Toutefois, la paroi délimitant chaque module pourrait être de forme légèrement différente sans sor- tir du cadre de l'invention Ainsi, chaque module peut présenter en section une forme non circulaire, et ses extrémités peuvent ne pas être hémisphériques Les mo- dules 32 présentent alors la forme de secteurs d'an- neaux. De plus, comme l'illustre la figure 2, les modules 32 sont disposés bout à bout dans l'espace annulaire défini entre la protection neutronique 18 et la paroi verticale de la cuve 12 et séparés les uns des autres. Comme l'illustre la figure 1, les modules 32 sont disposés au niveau de l'extrémité inférieure du coeur et reposent sur le fond de la cuve 12 par l'in- termédiaire de structures de supportage 38. 8 2542909 d Les cheminées 36 par lesquelles les pompes 22 plongent dans les modules 32 sont fixées de façon étanche, par exemple par soudage, à la paroi du module correspondant et elles se prolongent vers le haut au- delà du niveau libre de sodium 24, en tenant compte des variations de ce niveau résultant des changements de régime des pompes. Les cheminées 34 par lesquelles les échan- geurs 20 plongent dans les modules 32 sont également fixées de façon étanche à ces derniers par exemple par soudage Ces cheminées 34 s'élèvent à un niveau infé- rieur à celui du niveau libre de sodium liquide 24 et, de façon plus précise, à un niveau inférieur à celui des orifices d'entrée 20 a des échangeurs L'étanchéité entre le sodium chaud disposé à l'extérieur des chemi- nées 34 et le sodium froid situé à l'intérieur de celles-ci est réalisée par exemple au moyen de joints à cloche d'argon 40 formés entre les bords supérieurs des cheminées et les échangeurs 20. A l'exception du sodium contenu dans les mo- dules 32 et dans les cheminées 34 et 36, l'ensemble du sodium 24 qui se trouve dans la cuve principale 12 est à une température relativement chaude, de telle sorte que l'espace ainsi défini constitue le collecteur chaud 24 a A l'inverse, l'espace défini à l'intérieur des modules 32 et des cheminées 34 et 36 contient le sodium relativement froid sortant des échangeurs et constitue donc le collecteur froid 24 b. La partie inférieure du collecteur chaud 24 a dans laquelle baignent les modules 32, est à une tempé- rature voisine de celle du collecteur froid si toute convection du sodium peut être évitée dans cette zone. Cependant, un baffle horizontal 35 disposé au-dessus des modules mais audessous du niveau haut du coeur peut s'avérer nécessaire. 2542909. Afin d'assurer la circulation du sodium li- quide entre ces deux collecteurs, au travers du coeur 16 du réacteur et au travers des échangeurs 20, les pompes 22 comportent de façon connue des orifices d'aspiration 22 a situés dans le collecteur froid 24 b et des orifices de refoulement communiquant avec le sommier 28 d'alimentation du coeur par des conduites de refoulement 22 b traversant de manière étanche la paroi 33 des modules 32. Comme on l'a vu précédemment, les échangeurs comportent des orifices d'entrée 20 a communiquant avec le collecteur chaud 24 a Ils comportent aussi des orifices de sortie 20 b qui débouchent dans le collec- teur froid 24 b Lors du fonctionnement du réacteur, le sodium liquide 24 traverse le coeur du réacteur de bas en haut en évacuant la chaleur dégagée par les élé- ments combustibles Le sodium ainsi réchauffé est admis dans le collecteur chaud 24 a, puis pénètre dans les échangeurs 20 par les orifices 20 a Il transmet ainsi une partie de la chaleur qu'il véhicule au métal liquide (généralement du sodium) circulant dans le circuit secondaire Le sodium primaire ainsi refroidi sort des échangeurs par les orifices 20 b à l'intérieur de chacun des modules 32 du collecteur froid 24 b Le sodium relativement froid admis dans chacun des modu- les est repris par la ou les pompes 22 qui plongent dans ce module au travers des orifices d'aspiration 22 a, pour être refoulé dans le coeur 16 par les con- duites 22 b et le sommier 28. Grâce à la structure généralement annulaire ou torique du collecteur froid, l'invention permet de simplifier sensiblement les structures internes du réacteur De même, la forme du collecteur froid pré- sente une meilleure tenue aux séismes que des viroles de faible épaisseur et de grande hauteur qui délimi- 2542909. tent habituellement les collecteurs chaud et froid En outre, le supportage du collecteur froid par la cuve principale et la réalisation de ce collecteur sous la forme de modules séparés permet de résoudre de façon simple les problèmes liés à la dilatation différen- tielle qui se produit lors des phases transitoires du fonctionnement du réacteur. Comme on l'a représenté schématiquement en traits mixtes sur les figures 1 et 2, la structure modulaire du collecteur froid permet également d'im- planter facilement le poste 41 de chargement et de déchargement des assemblages du réacteur (:PCDR) et de faire passer avantageusement une rampe de manutention inclinée 42 entre les extrémités de deux modules voi- sins On rappelle qu'une telle rampe est prévue dans ce type de réacteur pour permettre d'amener des assem- blages neufs jusqu'au PCDR 41 et d'en évacuer les assemblages irradiés La manutention des assemblages entre le coeur et le PCDR 41 est réalisée au moyen d'un bras de manutention 46 et/ou d'un ringard suppor- té éventuellement par un petit bouchon tournant 48, lui-même monté dans un grand bouchon tournant 50 sup- porté par la dalle 14 De plus, cette disposition per- met de rapprocher le PCDR 41 le plus possible du coeur, autorisant une réduction du diamètre de la cuve principale Le coût du réacteur s'en trouve ainsi sen- siblement réduit. Bien entendu, d'autres composants (non re- présentés> peuvent avantageusement être disposés entre les modules 32 Ainsi, les échangeurs de refroi- drissement du réacteur à l'arrêt, ainsi que les appa- reils de purification du sodium peuvent être placés entre les extrémités des modules 32. Comme on l'a représenté sur la figure 1, afin de réduire les contraintes thermiques au niveau il 2542909. de la partie supérieure de la cuve principale 12, on peut prévoir de doubler celle-ci intérieurement par un baffle 44 plongeant dans la cuve à partir de la dalle 14, approximativement jusqu'au niveau de l'extrémité supérieure des modules 32 Ce baffle protège la paroi de la cuve 12 des transitoires thermiques en prove- nance du coeur du réacteur L'espace annulaire 45 dé- fini entre la cuve 12 et le baffle 44 peut, si néces- saire, être rempli en gaz afin de limiter le niveau de température de la cuve 12 et étaler le gradient de température, dans la paroi de la cuve 12, entre le niveau de sodium dans l'espace 45 et la partie haute de la cuve 12. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes On a vu notamment que la cuve principale 12 peut être soit posée, soit suspendue De même, la section droite des modules 32 peut ne pas être circulaire et le nombre de modules ainsi que le nombre de composants plongeant dans chacun d'entre eux peuvent etre modifiés selon les caractéristiques du réacteur 12 2542909 a REVENDICATIONS 1 Réacteur nucléaire à neutrons rapides, comprenant une cuve principale ( 12) obturée par une dalle ( 14) et dans laquelle est disposé le coeur ( 16) du réacteur, ladite cuve contenant un métal liquide ( 24) circulant entre un collecteur chaud ( 24 a) et un collecteur froid ( 24 b) sous l'action d'au moins deux pompes ( 22), pour transférer la chaleur dégagée dans le coeur du réacteur jusqu'à au moins deux échangeurs de chaleur ( 20), caractérisé en ce que le collecteur froid ( 24 b) comporte plusieurs modules ( 32) fermés et séparés disposés bout à bout pour former un anneau entourant le coeur du réacteur, au moins une pompe ( 22) et au moins un échangeur de chaleur ( 20) plon- geant dans chacun desdits modules au travers de chemi- nées ( 36, 34) assurant l'étanchéité entre les collec- teurs chaud et froid. 2 Réacteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que chaque module ( 32) du collecteur froid repose sur le fond de la cuve principale ( 12) par l'intermédiaire d'une structure de supportage ap- propriée ( 38 >. 3 Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque mo- dule ( 32) présente en section droite une forme appro- ximativement circulaire. 4 Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un poste ( 41) de chargement et de déchargement des assemblages du réacteur et une rampe ( 42) de manuten- tion des assemblages qui passent entre deux modules voisins ( 32) du collecteur froid. Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une pompe ( 22) et deux échangeurs ( 20) plongent dans chacun des modules ( 32). 6 Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que les chemi- nées ( 36) dans lesquelles sont logées les pompes ( 22) sont ouvertes à leur extrémité supérieure, située au- dessus du niveau libre de métal liquide ( 24) dans la cuve principale. 7 Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que les chemi- nées ( 34) dans lesquelles sont logés les échangeurs ( 20) coopèrent avec ces derniers par l'intermédiaire d'un dispositif d'étanchéité ( 40) situé en-dessous d'au moins un orifice d'entrée ( 20 a) du métal liquide contenu dans le collecteur chaud. 8 Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications là 7, caractérisé en ce qu'il comprend un baffle horizontal ( 35) disposé dans le collecteur chaud au-dessus des modules ( 32) et endessous du niveau haut du coeur.