Brevet FR2544053A1 — publié le 19841012

La présente invention a pour objet un géné- rateur de vapeur destiné notamment à assurer l'échange thermique entre le circuit secondaire et le circuit tertiaire d'un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide. On sait que les réacteurs nucléaires à neu- trons rapides comprennent au moins deux circuits de refroidissement successifs permettant d'acheminer une fraction aussi importante que possible de la chaleur dégagée par les éléments combustibles dans le coeur du réacteur jusqu'aux turbo-générateurs servant à trans- former cette chaleur en énergie électrique De façon plus précise, lemétal liquide, généralement constitué par du sodium, circulant dans le circuit primaire achemine la chaleur dégagée dans le coeur jusqu'à des échangeurs de chaleur dans lesquels une partie de cette chaleur est transférée à un métal liquide, éga- lement constitué le plus souvent par du sodium, circu- lant dans le circuit secondaire Ce circuit secondaire permet à son tour d'acheminer cette chaleur jusqu'à des générateurs de vapeur dans lesquels elle sert à vaporiser de l'eau circulant dans un circuit tertiai- re La vapeur ainsi formée entraîne les turbo-alterna- teurs qui sont également disposés dans le circuit ter- tiaire. Les générateurs de vapeur servant à assurer l'échange thermique entre le fluide primaire et le fluide secondaire comprennent généralement une enve- loppe cylindrique, d'axe vertical, dans laquelle le sodium du circuit secondaire circule entre des tubulu- res d'entrée et de sortie Le sodium est ainsi en con- tact avec les tubes d'un faisceau de tubes disposé à l'intérieur de l'enveloppe et dans lequel circule l'eau du circuit tertiaire. T 3 N tel générateur de vapeur est représenté schématiquement à titre d'exemple sur la figure 1, sur laquelle on voit notamment l'enveloppe cylindrique 10, les tubulures d'entrée 12 du sodium secondaire situées de préférence à proximité de l'extrémité supérieure de l'enveloppe 10 et la tubulure de sortie 14 du sodium secondaire qui débouche ici dans le fond de l'envelop- pe du générateur Le sodium secondaire circule ainsi de haut en bas à l'intérieur de l'enveloppe 10, ce qui constitue le sens d'écoulement le plus favorable puis- que la formation de vapeur dans les tubes 16 du fais- ceau de tubes également représenté sur la figure 1 impose pratiquement une circulation de l'eau du bas vers le haut à l'intérieur de ces tubes Les tubes 16 traversent l'enveloppe 10 du générateur de vapeur pour déboucher, d'une part, dans un ou plusieurs collec- teurs amont 18 disposés à proximité du fond de l'enve- loppe 10, et, d'autre part, dans un ou plusieurs col- lecteurs aval 20 disposés légèrement en-dessous des tubulures d'entrée 12 du sodium secondaire A l'inté- rieur de l'enveloppe 10, les tubes 16 sont enroulés en hélice autour d'un noyau central 22, de telle sorte qu'ils occupent l'espace annulaire défini entre ce noyau et l'enveloppe 10 Comme l'illustre également la figure 1, le noyau 22 se prolonge jusqu'à la tubulure de sortie 14 du sodium secondaire, de telle sorte que des passages 24 doivent être formés dans la partie inférieure du noyau 22 pour permettre l'écoulement du sodium secondaire depuis l'espace annulaire formé entre ce noyau et l'enveloppe 10 jusqu'à la tubulure de sortie 14. On comprend aisément que dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides, les générateurs de va- peur constituent des composants particulièrement sen- sibles puisqu'il y circule à la fois du sodium liquide et de l'eau et que la multiplicité des tubes du fais- ceau nécessaire à l'efficacité de l'échange thermique accroît d'autant les risques d'une réaction sodium/eau à l'intérieur de l'enveloppe du générateur. Pour tenir compte de ce risque, il est d'usage d'associer au générateur de vapeur une instal- lation permettant de le vidanger rapidement lorsqu'une surpression due à une réaction sodium/eau apparaît dans le générateurl Actuellement, et comme l'illustre très schématiquement la figure 1, une telle installa- tion comprend un réservoir de vidange annexe 26 repo- sant sur le sol 28 et une canalisation de gros diamè- tre 30 reliant le fond de l'enveloppe du générateur de vapeur au réservoir 26 Cette canalisation 30 est nor- malement obturée par au moins une membrane d'éclate- ment 32 sensible à la pression régnant dans le généra- teur, pour se rompre lorsque cette pression dépasse un seuil déterminé correspondant à l'apparition d'une réaction sodium/eau dans le générateur De façon plus précise, on voit sur la figure 1 que la membrane d'éclatement 32 est disposée dans la tuyauterie 30 à poximité du fond de l'enveloppe 10 Dans ces installa- tions existantes, le réservoir de vidange est de gran- de capacité et sert à stocker l'ensemble du sodium contenu dans le circuit secondaire. Cette structure des installations actuelles est peu satisfaisante pour différentes raisons - En premier lieu, des dilatations différen- tielles peuvent apparaître dans la tuyauterie 30. Compte tenu de la grande section de ces tuyauteries indispensable à la vidange rapide du générateur de va- peur en cas de réaction sodium/eau, il est peu écono- mique de compenser ces dilatations en munissant les tuyauteries de lyres de dilatation En effet, ces ly- res augmentent la longueur des tubes et accroissent donc le coût de l'installation En conséquence, comme 1,illustre la figure 1 les tuyauteries 30 sont avanta- geusezment équipées de soufflets de dilatation 34 Or, On sait qu'après une certaine période d'utlsation, la tenue mécanique de ces soufflets tend à s'altérera La présence de ces soufflets a donc pour effet d'in- troduire un risque supplémentaire du point de vue de la sûreté. De plus, lorsque la membrane d'éclatement suest romn-pue a la suite d'une réact ion sodium/eau dans le générateur de vapeur, il est nécessaire de rempla- cer cette membrane avant de remettre en route le réac- teur Cette membrane est également remplacée lors des visites périodiques de maintenance Cette opération s'avère délicate dans les installations existantes, par suite de la disposition de la membrane dans la tuyauterie. En outre, bien que le diamètre de la tuyau- terie autorise un débit de sodium relativement impor- tant, la longueur de cette tuyauterie est généralement telle que le temps nécessaire à la vidange complète du générateur n'est pas -aussi court qu'on pourrait le souhaiter dans les conditions de surpression engen- drées par une réaction sodium/eau. La présente invention a précisément pour objet un générateur de vapeur comportant un réservoir de vidange intégré remplissant la même fonction que le réservoir de vidange 26 des installations de la tech- nique antérieure telle que représentée sur la figure 1, tout en étant d'une conception particulièrement simple et en supprimant les inconvénients mentionnés précédemment des installations existantes O A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un générateur de vapeur pour un réac- teur refroidi par un métal liquide, ce générateur com- prenant une enveloppe cylindrique d'axe vertical, des tubulures d'entrée et de sortie d'un métal liquide dans-ladite enveloppe, un faisceau de tubes disposé à l'intérieur de l'enveloppe et dans lequel circule de l'eau, et une tubulure de vidange débouchant à l'ex- trémité inférieure de ladite enveloppe et comprenant au moins une membrane d'éclatement apte à se rompre lorsque la pression régnant dans ladite enveloppe dé- passe un seuil donné, pour faire communiquer l'enve- loppe avec un réservoir de vidange, caractérisé en ce que le réservoir de vidange est fixé directement à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe, la tubulu- re de vidange étant disposée à l'intérieur du réser- voir et portant la membrane d'éclatement à son extré- mité, derrière un regard démontable fixé au réservoir. Dans un mode de réalisation préféré de l'in- vention, le réservoir de vidange comprend un col cy- lindrique prolongeant vers le bas une partie cylindri- que de ladite enveloppe et un récipient de plus grande section raccordé à l'extrémité inférieure du col cy- lindrique, le regard démontable étant fixé au col du réservoir. De préférence, la tubulure de vidange se termine alors par une partie sensiblement horizontale dont l'extrémité portant la membrane d'éclatement est située dans une ouverture formée dans le col du réser- voir et sur laquelle est fixé le regard démontable La tubulure de vidange peut aussi comporter une partie sensiblement verticale disposée selon l'axe de l'enve- loppe et raccordée par un coude à la partie sensible- ment horizontale. Conformément à une première variante de réa- lisation de l'invention, le regard démontable obture ladite ouverture, de telle sorte qu'une rupture de la membrane d'éclatement a pour effet de vidanger dans le col de réservoir le métal liquide contenu dans l'enve- loppe. Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, le regard démontable présente la forme -544053 d'une conduite fi Xée, d'une part, sur l'ouverture for- mée dans le col de réservoir -et d'autre part, sur une deuxième ouverture formée dans le récipient O de telle sorte qu'une rupture de la membrane d'éclatement a pour effet de vidanger dans le récipient le métal li- quide contenu dans l'enveloppe La deuxième ouverture peut notamment être formée dans une paroi supérieure du récipient, les axes desdites ouvertures étant dis- posés dans un même plan passant par l'axe de l'enve- loppe et sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre, de telle sorte que la conduite formée par le regard présente la forme d'un coudez Conformément à une caractéristique secon- daire de l'invention, le volume du réservoir de vidan- ge est sensiblement égal au volume du métal liquide contenu dans l'enveloppe du générateur De plus, des moyens peuvent être prévus pour vidanger le réservoir de vidange dans un réservoir de plus grosse capacité. On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, deux variantes de réalisation de l'inven- tion en se référant aux dessins annexés, dans les- quels: la figure 1, déjà décrite, représente de façon sché- matique un générateur de vapeur équipé d'une instal- lation de vidange séparéeconformément à la techni- que antérieure, et la figure 2 représente à plus grande échelle et de façon également schématique l'extrémité inférieure d'un générateur de vapeur comprenant, conformément à l'invention, un réservoir de vidange intégré. Sur la figure 2, on n'a représenté que la partie inférieure du générateur de vapeur selon l'in- vention, car seule cette partie diffère des généra- teurs de vapeur connus actuellement En particulier, le reste du générateur de vapeur selon l'invention * 2 8544 055 peut être réalisé de la m 9 me manière que la partie correspondante du générateur de vapeur décrit précé- demment en se référant à la figure 1 pour illustrer l'état de la technique - Toutefois, on comprendra aisément que de nombreux types de générateurs de vapeur connus pour- raient être modifiés conformément à l'invention, de telle sorte que cette dernière ne doit pas être limi- tée au générateur décrit précédemment en se référant à la figure 1 En particulier, les tubulures d'entrée et de sortie du sodium secondaire et la circulation de celui-ci à l'intérieur de l'enveloppe du générateur peuvent être réalisées de toutes les manières connues par ailleurs, sans sortir du cadre de l'invention Il en est de même de l'emplacement occupé par le faisceau de tubes dans le générateur et de la forme donnée aux tubes du faisceau. On reconna Ut sur la figure 2 l'enveloppe cy- lindrique 110, d'axe vertical, du générateur de va- peur Cette enveloppe comporte de façon connue un d 8 me (non représenté, une partie cylindrique ll Oa et un fond ll Ob On reconnaît aussi les collecteurs amont 118 et le faisceau de tubes 116 disposé à l'intérieur du générateur de vapeur, dans l'espace annulaire défi- ni entre la partie cylindrique Il Oa de l'enveloppe et le noyau central 122. Conformément à l'invention, le réservoir de vidange 126 est fixé directement à l'extrémité infé- rieure de l'enveloppe 110 du générateur de vapeur De façon plus précise, le réservoir 126 comporte un col 138 en forme de virole et un récipient 140 constituant le réservoir proprement dit Le col 138 est cylindri- que, de même diamètre que la partie ll Oa de l'envelop- pe et d'axe confondu avec l'axe vertical de-celle-ci. Son rebord supérieur est fixé à l'enveloppe 110 par une soudure 136, de telle sorte qu il prolonge vers le bas la partie cylindrique ll Oa et supporte à son ex- trémité inférieure le récipient 140 O Coi Lme 19 illustre la figure 22 ce dernier est de plus grande section que le col 13 il définit une paroi supérieure 140 a par laquelle il est raccordé au col 1382 une paroi - latérale 140 b pouvant à volonté etre cylindrique ou de tout autre forme et un fond 140 c. La liaison entre l 'intérieur de l'enveloppe 110 et le réservoir 126 est réalisée au moyen d'une tubulure de vidange 130 disposée dans le col 138 du réservoir L'extrémité supérieure de la tubulure 130 débouche dans le fond 110 b de l'enveloppe du généra- teur de vapeur, l'extrémité inférieure portant une membrane d'éclatement 1320 De façon plus précise, on voit sur la figure 2 que la tubulure 130 est raccordée au fond 110 b de l'enveloppe du générateur par une partie sensiblement verticale 130 a disposée coaxialement à la partie cy- lindrique li Da et au col 138 du réservoir La membrane d'éclatement 132 est montée à luextrémité d'une partie sensiblement horizontale 130 b de la tubulure de vidan- ge Les parties 130 a et 130 b sont raccordées par un coude 130 c La longueur de la partie sensiblement ver- ticale 130 a est inférieure à la hauteur du col 138 et la longueur de la partie sensiblement horizontale 130 b est voisine du rayon du col 138 e de telle sorte que la membrane 132 se trouve logée dans une ouverture 141 formée dans la partie inférieure du col du réservoir 126. Conformément à une première variante de réa- lisation de l'invention représentée en trait plein sur la figure 2, un regard démontable 142 en forme de con- duite est fixé, d'une part, sur une bride 144 entou- rant l'ouverture 141 et, d'autre part, sur une bride 146 entourant une ouverture 148 formée dans la paroi supérieure 140 a du récipient 140 Cette fixation est réalisée de façon étanche par tout moyen connu tel que des vis ou des boulons. De façon plus précise, les axes des ouvertu- res 141 et 14 G étant respectivement horizontal et ver- tical et disposés dans un même plan passant par l'axe vertical commun à l'enveloppe 110 du générateur de va- peur et au col 138, le regard 142 en forme de conduite présente la forme d'un coude qui prolonge la tubulure de vidange 130. La conduite formée par le regard 142 permet ainsi, après rupture de la membrane d'éclatement 132, de faire s'écouler le sodium liquide contenu dans l'enveloppe 110 du générateur de vapeur directement dans le récipient 140 du réservoir de vidange. Dans la deuxième variante de réalisation de l'invention représentée en traits discontinus sur la figure 2, le regard 142 ' derrière lequel est placée la membrane d'éclatement 132 est constitué par un bouchon obturant l'ouverture 141 Ce bouchon peut notamment être fixé sur la bride 144 par des vis ou par des boulons comme le regard 142 dans la variante précéden- te Dans ce cas, le sodium liquide qui s'écoule du générateur de vapeur après éclatement de la membrane 132 est refoulé par le bouchon 142 ' dans le col 138 du réservoir, avant de descendre dans le récipient 140. Bien entendu, pour que cette circulation soit possi- ble, le bouchon 142 ' est disposé à une certaine dis- tance de la membrane 132 et le diamètre de l'ouverture 141 est sensiblement supérieur au diamètre de la tubu- lure 130. Compte tenu de 1 1 implantation de la tubulure à la place de la tubulure de sortie du sodium secondaire dans le générateur de vapeur représenté sur la figure 1, l'emplacement de cette tubulure doit être modifié Ainsi, la tubulure de sortie 114 peut notam- ment être disposée latéralement à l'extrémité infé- rieure de la partie cylindrique ll Oa de l'enveloppe du générateur, comme on l'a représenté sur la figure 2. Le noyau 122 est alors fermé à son extrémité inférieu- re, disposée à une certaine distance du fond 110 b. Comme on l'a déjà mentionné précédemment, cette disposition n'est donnée qu'à titre indicatif. Ainsi la tubulure 130 débouchant dans le fond 11 Gb de l'enveloppe pourrait être excentrée, de façon à per- mettre l'implantation de la tubulure de sortie 114 dans le fond du générateur La tubulure de sortie 114 traverserait alors le col 138 du réservoir de vidange. A l'opposé, on pourrait aussi implanter la tubulure de sortie 114 du sodium secondaire à l'extrémité supé- rieure du générateur de vapeur, le sodium remontant alors à l'intérieur d'une cheminée remplaçant le noyau 122. Conformément à une caractéristique secon- daire de l'invention, on notera que le volume du ré- servoir de stockage 126 est juste suffisant pour re- cueillir le sodium secondaire contenu dans le généra- teur de vapeur après rupture de la membrane d'éclate- ment 132 Cette caractéristique distingue également l'invention de la technique antérieure selon laquelle on utilise comme réservoir de vidange le réservoir de stockage servant à vidanger l'ensemble du circuit se- condaire du réacteur et dont le volume est sensi- blement supérieur au volume du réservoir 126. 2544 053 -il De préférences le fond du réservoir de va dange 126 communique avec un réservoir de stockage de plus grand volume (non représenté) commun à plusieurs générateurs de vapeur Cette communication peut notam- ment être réalisée au moyen d'une canalisation 150 équipée d'une vanne 152 et de moyens de pompage (non représentés) La canalisation 150 plonge à une extré- mité dans le fond du réservoir 126 e comme le montre la figure 2 Etant donné que le transfert du sodium li- guide entre le réservoir de vidange 126 et le réser- voir de stockage n'a pas besoin d'être effectué rapi- dement, la canalisation 150 est de petit diamètre, de telle sorte que les dilatations différentielles peu- vent être facilement compensées en la munissant de lyres de dilatation, Lorsque le réservoir 126 a été vidangé par la canalisation 150, il devient possible de remplacer la membrane 132 en démontant le regard 142 ou 142 ' En effet, pour des raisons de sûreté évidentes, cette in- tervention doit être réalisée sans vue directe du so- dium On voit aussi sur la figure 2 qu'une canalisa- tion 154 équipée d'une vanne 156 normalement fermée permet de faire communiquer l'intérieur de l'enveloppe du générateur de vapeur avec le réservoir 1260 Cette canalisation 154 permet, lorsque cela est néces- saire et en dehors de toute rupture de la membrane d'éclatement 132, de vidanger le sodium contenu dans l'enveloppe du générateur de vapeur-à l'intérieur du réservoir de vidange 126, après ouverture de la vanne 156. Enfin, on a représenté sur la figure 2 des canalisations 158 débouchant dans le réservoir de vi- dange 126 Ces canalisations servent, lorsqu'une réac- tion sodium/eau se produit à l'intérieur de l'envelop- pe du générateur, à évacuer les produits gazeux formés par cette réaction, tels que de l'hydrogène ou des aérosols de sodium Ces canalisations sont reliées par leur extrémité opposée à des séparateurs (non repré- sentes) - Grace aux caracetéristiques de l'invention cuui viennent detre décrites en se référant à la figue re 2, on comprend que les problèmes posés par les ins- tallations de la technique antérieure sont résolus En particulier, la sureté se trouve améliorée puisque les soufflets de dilatation sont supprimés De plus, on voit que la disposition particulière de la membrane d'éclatement 132 autorise un remplacement particu- lièrement aisé de celle-cio En outre, la tubulure 130 assurant l'écoulement du sodium liquide depuis le gé- nérateur de vapeur jusqu'au réservoir de vidange est sensiblement plus courte que la tuyauterie de liaison selon la technique antérieure, de telle sorte que la rapidité de la vidange s'en trouve sensiblement ac- crue Enfin, le montage du réservoir sur le générateur de vapeur est particulièrement simple et autorise même l'implantation de ce réservoir sur des générateurs existants. REVENDIC&TIONS 1 Générateur de vapeur pour un réacteur re- froidi par un métal liquide, ce générateur comprenant une enveloppe cylindrique ( 110) d'axe vertical, des tubulures d'entrée et de sortie ( 114) d'un métal li- quide dans ladite enveloppe, un faisceau de tubes 1116) disposé à l'intérieur de l'enveloppe et dans le- quel circule de l'eau, et une tubulure de vidange ( 130) débouchant à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe et comprenant au moins une membrane d'écla- tement ( 132) apte à se rompre lorsque la pression ré- gnant dans ladite enveloppe dépasse un seuil donné, pour faire communiquer l'enveloppe avec un réservoir de vidange ( 126), caractérisé en ce que le réservoir de vidange ( 126) est fixé directement à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe, la tubulure de vidange ( 130) étant disposée à l'intérieur du réservoir et portant la membrane d'éclatement ( 132) à son extrémi- té, derrière un regard démontable ( 142, 142 ') fixé au réservoir. 2 Générateur de vapeur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le réservoir de vidange ( 130) comprend un col cylindrique ( 138) prolongeant vers le bas une partie cylindrique ( 110 a) de ladite enveloppe, et un récipient ( 140) de plus grande section raccordé à l'extrémité inférieure du col cy- lindrique, le regard démontable ( 142, 142 ') étant fixé au col du réservoir. 3 Générateur de vapeur selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la tubulure de vidange ( 130) se termine par une partie sensiblement horizon- tale ( 130 b) dont l'extrémité portant la membrane d'éclatement ( 132) est située dans une ouverture ( 141) * 14 formée dans le col ( 138) du réservoir et sur laquelle est fixé le regard démontable ( 142, 142 '). 4 Générateur de vapeur selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la tubulure de vidange ( 130) comporte une partie sensiblement verticale ( 130 a) disposée selon l'axe de l'enveloppe ( 110) et raccordée par un coude ( 130 c) à la partie sensiblement horizontale ( 130 b). Générateur de vapeur selon l'une quelcon- que des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le regard démontable ( 142 ') obture ladite ouverture ( 141), de telle sorte qu'une rupture de la membrane d'éclatement ( 132) a pour effet de vidanger dans le col ( 138) du réservoir le métal liquide contenu dans l'enveloppe ( 110). 6 Générateur de vapeur selon l'une quelcon- que des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le regard démontable ( 142) présente la forme d'une conduite fixée, d'une part, sur l'ouverture ( 141) for- mée dans le col ( 138) du réservoir et, d'autre part, sur une deuxième ouverture ( 148) formée dans le réci- pient ( 140), de telle sorte qu'une rupture de la mem- brane d'éclatement ( 132) a pour effet de vidanger dans le récipient ( 140), à travers ladite conduite, le mé- tel liquide contenu dans l'enveloppe. 7 Générateur de vapeur selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que la deuxième ouverture ( 148) est formée dans une paroi supérieure du réci- pient ( 140), les axes desdites ouvertures ( 141, 148) étant disposés dans un même plan passant par l'axe de l'enveloppe ( 110) et sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre, de telle sorte que la conduite formée par le regard ( 142) présente la forme d'un cou- de. 8 Générateur de vapeur selon l'une quelcon- 2544053 que des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume du réservoir de vidange ( 126) est sensi- blement égal au volume du métal liquide contenu dans l'enveloppe ( 110) du générateur. 9 o Générateur de vapeur selon l'une quelcon- que des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens ( 150} sont prévus pour vidanger le ré- servoir de vidange ( 126) dans un réservoir de plus grosse capaciée. 10 Générateur de vidange selon l'une quel- conque des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'une canalisation de vidange ( 154) normalement fermée par au moins une vanne ( 156) fait communiquer directement le réservoir de vidange ( 126) avec l'inté- rieur de l'enveloppe ( 110)o