Brevet FR2540971A1 — publié le 19840817

Générateur de vapeur pour un réacteur nucléaire refroidi par du métal liquide L'invention concerne un générateur de vapeur pour un réacteur nu- cléaire refroidi par du métal liquide, tel qu'un réacteur nucléaire à neu- trons rapides refroidi par du sodium. Un tel réacteur comporte une cuve renfermant le coeur du réacteur constitué par des assemblages combustibles plongés dans du sodium liquide remplissant la cuve dit sodium primaire. La chaleur prélevée dans le coeur du réacteur par le sodium pri- maire qui vient en contact direct avec les assemblages combustibles est uti- lisée pour vaporiser de l'eau alimentaire, la vapeur étant ensuite envoyée à la turbine de la centrale nucléaire Pour éviter tout contact entre le so- dium primaire radio-actif et l'eau, le transfert de chaleur entre ce sodium et l'eau alimentaire peut se faire en utilisant un fluide d'échange intermé- diaire qui est souvent du sodium liquide dit sodium secondaire. Le sodium primaire venant en contact avec le coeur du réacteur élève la température du sodium secondaire dans des échangeurs de chaleur so- dium-sodium appelés échangeurs intermédiaires. Le sodium secondaire est ensuite utilisé pour vaporiser l'eau ali- mentaire à l'intérieur de générateurs de vapeur. Le réacteur nucléaire comporte donc en général un circuit secon- daire comportant au moins un échangeur intermédiaire, une pompe, un généra- teur de vapeur des tuyauteries et des appareils divers de contrôle. Ce circuit secondaire est donc complexe et coûteux, qu'il soit partiellement intégré à la cuve du réacteur ou qu'il soit entièrement dispo- sé à l'extérieur de cette cuve. Le circuit intermédiaire permet d'éviter des échanges de chaleur directs entre le sodium primaire contaminé par des produits radio-actifs et l'eau alimentaire En cas de fuite dans la paroi du dispositif d'échange de chaleur, le sodium et l'eau peuvent venir en contact, ce qui provoque l'ap- parition d'une réaction chimique violente qui peut éventuellement conduire à une rupture d'étanchéité du sodium vers l'extérieur. Dans le cas d'utilisation de sodium secondaire propre, on évite une libération de sodium radio-actif. Pour simplifier les dispositifs d'échange de chaleur associés aux réacteurs refroidis par du métal liquide, et se prémunir contre toute réac- tion entre le sodium actif et l'eau, il est nécessaire de rétablir une dou- ble séparation entre les deux fluides Pour celà, on a proposé d'utiliser des générateurs de vapeur d'un type spécial comportant des tubes d'échange de chaleur à double paroi, avec interposition d'un fluide d'échange qui peut être du sodium liquide entre les deux parois du tube. On a proposé également, dans le cas de tubes à double paroi cons- titués par un tube interne et un tube externe enfilés l'un sur l'autre, de remplir l'espace de faible dimension subsistant entre les tubes par un gaz neutre tel que l'hélium sous pression. Les espaces entre tubes interne et externe constituant les tubes à double paroi sont mis en communication avec un espace de contrôle de fui- te permettant de détecter, par exemple par mesure de pression, une fuite éventuelle dans la paroi de l'un des tubes, pendant le fonctionnement du gé- nérateur de vapeur. Le générateur de vapeur est constitué par un faisceau de tubes contenus dans une enveloppe, chacun des tubes internes des tubes à double paroi étant mis en communication à l'une de ses extrémités avec un système de distribution de l'eau et à son autre extrémité avec un système de collec- tage de la vapeur. Le sodium liquide échauffé au contact du coeur du réacteur est amené dans l'enveloppe du générateur de vapeur, à sa partie supérieure, et s'écoule dans cette enveloppe de haut en bas en contact avec les tubes ex- ternes des tubes à double paroi constituant le faisceau. Il existe une différence de pression entre le sodium primaire s'é- coulant en contact avec la surface externe des tubes et l'eau ou la vapeur circulant à l'intérieuri des tubes du faisceau L'hélium remplissant les es- paces de contrôle de fuite est à une pression intermédiaire entre ces deux pressions. Toute fuite à travers le tube interne ou à travers le tube exter- ne constituant le tube à double paroi se traduit par une modification de pression dans l'espace de contrôle de fuite. Dans les dispositifs de l'art antérieur, décrits par exemple dans les brevets français 2 371 655 et 2 379 881, on prévoit des espaces de con- trôle de fuite à chacune des extrémités du générateur de vapeur, à proximi- té des collecteurs d'eau et de vapeur Ceci oblige à prévoir des plaques tu- bulaires doubles qui nécessitent de nombreuses soudures dans une zone forte- ment sollicitée, en particulier par des contraintes thermiques. D'autre part, pour des générateurs de vapeur de grande puissance, il est nécessaire d'utiliser des tubes à double paroi de très grande lon- gueur éventuellement enroulés pour constituer des faisceaux de longueur ac- ceptable. Il n'est généralement pas possible de produire des tubes à double paroi d'une longueur suffisante et il est donc nécessaire de raccorder bout à bout plusieurs tronçons de tubes à double paroi Ce raccordement bout à bout ne peut se faire bien entendu que pour le tube interne, dans une zone o celui-ci n'est pas protégé par le tube périphérique Ces portions de tu- be simple intercalées entre deux portions de tube à double paroi doivent être disposées dans le-générateur de vapeur de façon à ne pas venir en con- tact avec le sodium liquide. On prévoit pour celà des chambres annulaires disposées à l'exté- rieur de l'enveloppe du générateur de vapeur, dans lesquelles passent les portions de tubes internes permettant le raccord des tubes à double paroi, par des traversées étanches dans l'enveloppe du générateur de vapeur. Un.tel dispositif est complexe et demande des opérations de úabri- cation particulières difficiles à mettre en oeuvre. Le but de l'invention est donc de proposer un générateur de va- peur pour un réacteur nucléaire refroidi par du métal liquide comportant une enveloppe de forme générale cylindrique disposée avec son axe vertical, renfermant un faisceau de tubes à double paroi constitués chacun par deux tubes coaxiaux dont un tube interne communiquant à l'une de ses extrémités avec un dispositif de distribution d'eau ou collecteur et à son autre extré- mité avec un collecteur de vapeur et un tube externe en contact par s'a pa- roi externe avec le métal liquide circulant de bas en haut dans l'enveloppe du générateur de vapeur, ce générateur de vapeur ne comportant pas de pla- que tubulaire double ni de chambre de raccordement des tubes à l'extérieur de son enveloppe et permettant une détection très sensible et très sûre des fuites éventuelles des tubes à double paroi, tout en étant d'une conception permettant une construction simplifiée et relativement peu coûteuse. Dans ce but, le faisceau est constitué par des tubes sensiblement droits dirigés suivant la direction axiale de l'enveloppe du générateur de vapeur formés chacun d'au moins deux tronçons successifs dans la direction axiale comportant chacun: un tube externe soudé à-l'une de ses extrémités au moins à la paroi d'une chambre collectrice de fuite disposée entièrement à l'intérieur de l'enve- loppe du générateur de vapeur dans une zone éloignée de ses extrémités, tra- versant cette paroi et n'étant pas relié au tube externe du tronçon adja- cent soudé à la même chambre collectrice, et un tube interne soudé au tube interne du tronçon adjacent, la soudure de raccord étant placée à l'intérieur de la chambre collectrice, l'espace de fuite de très faible largeur entre les parois en vis-à-vis des tubes interne et externe d'un tronçon de tube quelconque étant unique- ment en communication avec l'espace intérieur d'au moins une chambre collec- trice. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décri- re, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un générateur de vapeur suivant l'invention associé à un réacteur nucléaire à neutrons ra- pides refroidi par du sodium liquide. La figure 1 représente, dans une vue en coupe par un plan verti- cal, un générateur de vapeur suivant l'invention. La figure 2 représente une vue très agrandie des zones de raccord des tubes du faisceau avec les plaques tubulaires et avec la chambre collec- trice-de fuite du générateur représenté à la figure 1. La figure 3 représente une première variante de réalisation d'un collecteur d'un générateur suivant l'invention. La figure 4 représente, dans une vue très agrandie, le détail A de la figure 3. La figure 5 représente une seconde variante de réalisation d'un collecteur d'un générateur de vapeur suivant l'invention. La figure 6 représente le détail B de la figure 5, très agrandi. Sur la figure 1, on voit l'enveloppe d'un générateur de vapeur 1 constituée par une enveloppe de faisceau la cylindrique sur la plus grande hauteur du générateur de vapeur et par deux zones élargies, également de forme cylindrique, 2 et 3 à chacune des extrémités du faisceau L'enveloppe 1 comporte également une zone centrale élargie 4 de forme torique. La zone élargie supérieure 3 communique avec l'entrée de sodium 5 dans le générateur de vapeur et la zone élargie inférieure 2 communique avec la sortie de sodium 6 Entre ces deux extrémités, le sodium circule de haut en bas en contact avec les tubes du faisceau 10 disposés à l'intérieur de l'enveloppe de faisceau la sur toute la hauteur de l'enveloppe du&généra- teur de vapeur. A sa partie inférieure, l'enveloppe 1 est-reliée à une plaque tu- bulaire 11 solidaire d'un collecteur d' eau 12 alimenté en eau par une tubu- lure 13. A sa partie supérieure, l'enveloppe 1 est reliée à une plaque tu- bulaire 14 solidaire d'un collecteur de vapeur 15 comportant une tubulure de sortie 16. Les collecteurs d'eau 12 et de vapeur 15 sont de forme hémisphéri- que. Les plaques tubulaires Il et 14 sont traversées par les tubes du faisceau 10 à l'intérieur desquels circule l'eau alimentaire apportée par la tubulure 13 du collecteur d'eau 12, cette eau alimentaire se vaporisant progressivement au cours de sa circulation de bas en haut à l'intérieur des tubes du faisceau en contact thermique avec le sodium chaud arrivant dans le générateur de vapeur par la tubulure d'entrée de sodium 5. Le faisceau de très grande hauteur est constitué par des tubes sensiblement droits et parallèles dont l'espacement est maintenu par des plaques entretoises telles que 18 et 19 A chacune des extrémités du fais- ceau à l'intérieur des zones élargies 2 et 3 sont disposés des écrans ther- miques 21 et 22 respectivement protégeant les plaques tubulaires contre le flux thermique provenant du sodium. A la partie centrale du faisceau 10 est disposée une chambre de détection de fuite 25 dont la structure sera décrite plus en détail en se référant à la figure 2 Le volume interne de cette chambre collectrice et détectrice de fuite est relié par un tube 26 traversant l'enveloppe 1 au ni- veau de l'élargissement torique 4 à un appareil de mesure de pression. En se reportant à la figure 2, on voit que les tubes 20 du fais- ceau sont à double paroi et constitués par deux tronçons 20 a et 20 b succes- sifs reliés au niveau de la chambre collectrice de fuite 25. Le tronçon supérieur 20 a du tube 20 est lui-même constitué par un tube externe 27 a et un tube interne 28 a coaxiaux et enfilés l'un sur l'au- tre avec un très faible jeu, sans liaison métallurgique entre la surface in- terne du tube 27 a et la surface externe du tube 28 a Un espace de très fai- ble largeur existe donc entre les tubes sur toute la longueur du tronçon a- La surface interne du tube 27 a est également usinée pour y consti- tuer des rainures longitudinales permettant une mise en pression de gaz de l'espace compris entre les deux tubes. Le tronçon inférieur 20 b du tube 20 est également constitué par un tube externe 27 b et un tube interne 28 b identiques respectivément aux tu- bes 27 a et 28 a- Le tronçon supérieur 20 a du tube traverse la plaque tubulaire 14 à sa partie supérieure de façon que le tube intérieur 28 a débouche dans le collecteur de vapeur 150 Une soudure 29 à l'intérieur du collecteur 15, sur la face de sortie de la plaque tubulaire 14, permet de fermer de façon her- métique l'espace entre les tubes 27 a et 28 a* De la même façon, le troncon inférieur 20 b du tube traverse à sa partie inférieure la plaque tubulaire 11, de façon que le tube intérieur 28 b débouche dans le collecteur d'eau 12 Une soudure 30 sur la face d'en- trée de la plaque tubulaire 11 permet de fermer hermétiquement l'espace de fuite entre les tubes 28 b et 27 b. Les tubes extérieurs 20 a et 20 b sont également fixés par des sou- dures sur les autres faces des plaques tubulaires Il et 14. La chambre collectrice de fuite 25 est constituée par deux pla- ques circulaires 25 a et 25 b comportant un bord torique suivant lequel on les raccorde par une soudure 32. Chacune des demi-parois 25 a et 25 b comporte un grand nombre de traversées de tube telles que 34 a et 34 b permettant le passage des tronçons a et 20 b du tube 20 respectivement. On voit que le tube externe du tube à double paroi est fixé par soudure sur chacune des traversées 34. A l'intérieur de la chambre collectrice de fuite 25, les deux tronçons 28 a et 28 b du tube interne sont raccordés par une soudure 35 En revanche, les deux tronçons du tube externe 27 a et 27 b ne sont pas raccor- dés et débouchent simplement dans le volume intérieur de la boite collectri- ce de fuite 25, de part et d'autre de la soudure de raccord 35 entre les deux tronçons du tube interne 28. Tous les espaces entre les tubes internes et externes des tubes à double paroi 20, sont en communication avec le volume interne de cette cham- bre collectrice de fuite. La chambre collectrice de fuite 25 est disposée entièrement à l'intérieur de l'enveloppe 1 du générateur de vapeur, au niveau de l'élar- gissement torique 4 Cette chambre collectrice 25 n'est fixée à l'intérieur du générateur de vapeur que par les tubes à double paroi 20 sur lesquels elle est soudée. Le volume intérieur de la chambre 25 et l'ensemble des espaces entre les deux parois des tubes 20 sont remplis par de l'hélium à une pres- sion intermédiaire entre la pression du sodium en circulation dans le géné- rateur de vapeur en contact avec la paroi externe des tubes 20 et l'eau ou la vapeur en circulation à l'intérieur des tubes 28. Dans le cas d'une fuite provoquée par une fissuration d'un des tu'bes 27 ju 28 constituant les tubes double paroi 20, il se produit donc une élévation de pression ou une chute de pression dans le volume interne de la boite collectrice 25 qui peut être enregistrée par le dispositif mano- métrique relié au tube 26, à l'extérieur de l'enveloppe 1 Toute fuite à travers l'un des tubes 27 ou 28 des tubes à double paroi 20 est donc ainsi détectée. Sur les figures 3 et 4, on a représenté une variante de réalisa- tion du collecteur d'eau ou de vapeur 15 représenté à la figure 1. Ce collecteur de vapeur est constitué par une plaque tubulaire 44 dont la face interne à une forme sphérique concave et une enveloppe en for- me de portion de sphère 45 venant se raccorder par une soudure 46 à la pla- que tubulaire 44. A sa partie supérieure, l'enveloppe sphérique 45 est reliée à une tubulure de sortie de vapeur 47 La plaque tubulaire 44 est reliée à la zone élargie 43 de l'enveloppe du générateur correspondant-à la partie élar- gie 2 ou 3 représentée à la figure 1. Sur la figure 4, on voit que le tube extérieur 27 d'un tube à dou- ble paroi 20 est soudé à la face côté sodium 48 et à l'intérieur du trou de passage 49 traversant la plaque tubulaire 44, cependant que le tube inté- rieur 28 est soudé à l'intérieur du tube extérieur 27, ce qui assure sa fi- xation et la fermeture de l'espace de fuite entre les deux tubes 27 et 28, Sur les figures 5 et 6, on voit une seconde variante de réalisa- tion des collecteurs d'eau ou de vapeur, le collecteur étant constitué, dans cette variante, par une enveloppe sphérique de grande épaisseur 50 to- talement séparée de l'enveloppe 1 du générateur de vapeur L'enveloppe 1 est soudée à sa partie supérieure ou inférieure à une plaque tubulaire 52 permettant la traversée des tubes à double paroi 20 pour leur passage à l'extérieur du générateur de vapeur. Sur la figure 6, on voit que le tube extérieur 27 est fixé par soudure sur la face d'entrée de la plaque tubulaire 52 et que les tubes ex- terne 27 et interne 28 sont fixés l'un à l'autre par une soudure 53 qui per- met également, la fermeture de l'espace de fuite entre les tubes 27 et 28, la soudure 53 étant à l'extérieur de l'enveloppe du générateur de vapeur. Seuls les tubes internes 28 sont reliés au collecteur 50. On voit que les principaux avantages du dispositif suivant l'in- vention sont de permettre une détection de fuite des tubes à double paroi grâce à un dispositif simple, distinct et éloigné des plaques tubulaires des collecteurs d'eau et de vapeur du générateur de vapeur On ne se trouve donc pas en présence d'une concentration de soudure importante dans la zone des plaques tubulaires. D'autre part, les chambres de détection de fuite permettent le raccord des tronçons successifs du faisceau tubulaire, à l'intérieur de l'enveloppe du générateur de vapeur mais dans une zone isolée du sodium li- quide. La structure d'ensemble du générateur de vapeur est extrêmement simple puisque celui-ci ne comporte que des tubes droits constitués par des tronçons successifs dont le raccord se fait à l'intérieur de la chambre de détection de fuite Cette chambre de détection de fuite fait d'ailleurs par- tie pratiquement de la structure du faisceau et ne comporte aucune liaison avec l'enveloppe du générateur de vapeur. Il est possible de choisir pour les tubes interne et externe des tubes àdouble paroi des nuances d'acier différentes, dont l'une présentant une bonne résistance au sodium liquide et l'autre une résistance accrue a l'eau à haute température ou à la vapeur On choisira par exemple un acier inoxydable austénitique pour constituer le tube externe et un acier inoxyda- ble ferritique pour constituer le tube interne Ces deux nuances d'acier doivent bien entendu avoir des coefficients de dilatation pas trop éloignés pour la zone de température de fonctionnement du générateur de vapeur. On pourra également choisir des nuances d'acier différentes pour constituer les tronçons 28 a et 28 b du tube intérieur, en choisissant une nu- ance adaptée à la vapeur pour le tronçon supérieur 28 a et une nuance adap- tée à l'eau pour la partie 28 b. Mais l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi que le faisceau peut être constitué par plus de deux tronçons successifs Par exemple, -dans le cas d'un faisceau constitué par trois tronçons successifs, les tubes du tronçon central seront reliés à cha- cune de leurs extrémités à une chambre collectrice de fuite. De manière générale, dâns le cas de N tronçons successifs, on uti- lisera N l chambres collectrices de fuite disposées à l'intérieur de l'en- veloppe du générateur de vapeur. A chacune de ces chambres collectrices de fuite sera associé un dispositif manométrique permettant la surveillance des tronçons de tube cor- respondants On pourra ainsi avoir des données redondantes pour certains tronçons reliés à deux chambres successives par chacune de leurs extrémi- tés. Dans le cas de plusieurs tronçons successifs, comme il a été dé- crit plus haut, les nuances d'acier choisies pour la constitution des tubes peuvent être différentes La forme et la disposition des chambres collectrices de fuite peu- vent être différentes de ce qui a été décrit Dans l'exemple de réalisa- tion, on a prévu une partie élargie torique de l'enveloppe pour permettre la circulation du sodium autour de la chambre collectrice de fuite La cir- culation du sodium au niveau de la face supérieure de cette chambre collec- trice de fuite devient radiale, ce qui est favorable puisque le balayage de la face supérieure de la chambre de détection de fuite évite tout dépôt d'impuretés. D'autre part, la portion torique élargie 4 de l'enveloppe permet des déformations longitudinales de celle-ci permettant d'absorber les dila- tations thermiques différentielles, Ceci est particulièrement important dans le cas de structures de très grande hauteur nécessaires pour la consti- tution de générateurs de grande puissance. Cependant, la ou les chambres collectrices de fuite et l'envelop- pe peuvent avoir des formes différentes de celles qui ont été décrites. Les collecteurs d'eau et de vapeur peuvent avoir une forme non seulement sphérique mais encore torique ou cylindrique, lorsqu'ils sont to- talement indépendants de l'enveloppe ( 1) du générateur de vapeur et dispo- * sés comme représenté à la figure 5. Enfin, le générateur de vapeur suivant l'invention peut être asso- cié à tous les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis par un mé- tal liquide qu'ils soient du type semi-intégré ou à boucles. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur pour un réacteur nucléaire refroidi par du métal liquide comportant une enveloppe ( 1) de forme générale cylindri- que, disposée avec son axe vertical, renfermant un faisceau de tubes ( 10) à double paroi constitués chacun par deux tubes coaxiaux ( 27, 28) dont un tu- be interne ( 28), communiquant à l'une de ses extrémités avec un dispositif de distribution d'eau ( 12) ou collecteur et à son autre extrémité avec un collecteur de vapeur ( 15) et un tube externe ( 27) en contact par sa paroi externe avec le métal liquide circulant de haut en bas dans l'enveloppe ( 1) du générateur de vapeur, caractérisé par le fait que le faisceau ( 10) est constitué par des tubes ( 20) sensiblement droits dirigés suivant la direction axiale de l'enveloppe ( 1) du générateur de vapeur formés chacun d'au moins deux tronçons succes- sifs ( 20 a et 20 b) dans la direction axiale comportant chacun: un tube externe ( 27 a ou 27 b) soudé à l'une de ses extrémités au moins à la paroi d'une chambre collectrice de fuite ( 25) disposée entièrement à l'intérieur de l'enveloppe ( 1) du générateur de vapeur en une zone éloignée de ses extrémités, traversant cette paroi et n'étant pas relié au tube ex- terne du tronçon adjacent ( 27 a ou 27 b) soudé à la même chambre collectrice ( 25), et un tube interne ( 28 a ou 28 b) soudé au tube interne du tronçon adjacent ( 28 a ou 28 b), la soudure de raccord ( 35) étant placée à l'intérieur de la chambre collectrice ( 25), l'espace de fuite de faiblelargeur entre les parois en vis-à-vis des tubes interne et externe ( 27 et 28) d'un tronçon de tube quelconque ( 20 a ou 20 b) étant uniquement en communication avec l'espace intérieur d'au moins une chambre collectrice ( 25). 2. Générateur de vapeur suivant la revendication ( 1), caractérisé par le fait que la chambre collectrice de fuite ( 25) est reliée uniquement aux tubes ( 20) du faisceau ( 10) et ne comporte aucun point de contact avec l'enveloppe ( 1) du générateur de vapeur. 3. Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que l'enveloppe ( 1) comporte dans au moins une zone éloignée de ses extrémités, au moins un élargissement ( 4) à l'intérieur du- quel est disposée une boite collectrice ( 25). 4. Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que les tubes internes ( 28) d'une part et les tubes externes ( 27) d'autre part constituant les tubes à double paroi sont en des nuances d'acier différentes. 5. Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que les tronçons ( 28 a, 28 b) successifs constituant le tube interne ( 28) des tubes à double paroi ( 20) sont constitués par des nuances d'acier différentes. 6. Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1, 2, 3, 4 et 5, caractérisé par le fait que l'un au moins des collecteurs d'eau et de va- peur ( 45) est constitué par une plaque tubulaire ( 44) fermant une des extré-. mités du générateur de vapeur et par une paroi complémentaire ( 45). 7. Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1, 2, 3, 4 et 5, caractérisé par le fait que l'un au moins des collecteurs d'eau et de va- peur ( 50) est totalement indépendant de l'enveloppe ( 1) du générateur de va- peur et que seuls les tubes internes ( 28) des tubes à double paroi sont re- liés à ce collecteur ( 50).