Brevet FR2554270A1 — publié le 19850503

Dispositif de protection thermique d'un composant d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides L'invention concerne un dispositif de protection thermique d'un composant d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides avec circulation de gaz de couverture entre le composant et la dalle du réacteur. Les réacteurs nucléaires à neutrons rapides comportent une cuve de grandes dimensions à axe vertical remplie de métal liquide jusqu'à un certain niveau et fermée par une dalle horizontale. Le volume compris entre le niveau supérieur du métal liquide qui est généralement du sodium et la dalle est rempli par un gaz de couverture inerte qui peut être de l'argon. Cet argon en légère surpression par rapport à l'atmosphère permet d'éviter toute rentrée d'air dans la cuve du réacteur nucléaire et tout contact du sodium liquide avec un gaz renfermant de l'oxygène. La dalle horizontale du réacteur nucléaire de grande épaisseur est constituée par un caisson métallique rempli de béton. A l'intérieur de ce caisson sont ménagées des traversées cylindriques à axe vertical permet- tant le passage des composants du réacteur.Ces composants sont de dimen- sions et de structures très différentes suivant leur utilisation dans la cuve du réacteur nucléaire. Tous ces composants ont leur partie inférieure qui plonge dans le sodium liquide remplissant la cuve. En particulier, les pompes primaires et les échangeurs intermé- diaires du réacteur sont constitués sous la forme de composants de grand diamètre de forme générale cylindrique et de grande longueur disposés dans la cuve avec leur axe vertical. Tous ces composants comportent à leur partie supérieure une bride d'appui qui vient reposer sur la dalle du réacteur pour maintenir le compo- sant en position de service dans la cuve du réacteur. Les traversées des composants ménagées à travers la dalle ont un diamètre intérieur sensiblement supérieur au diamètre de la partie du compo- sant qui se trouve au niveau de cette traversée dans sa position de servi- ce. Un espace annulaire de largeur relativement importante est donc ménagé entre le composant et la dalle. Certains composants tels que les échangeurs intermédiaires ont leur paroi externe, dans la région de traversée de la dalle, à une très hau- te température pendant le fonctionnement du réacteur. Un échangeur intermé- diaire constitue en effet une enceinte à l'intérieur de laquelle du sodium liquide secondaire à haute température, supérieure à 500 C circule de bas en haut en contact avec la paroi externe de l'échangeur. D'autres composants comme les pompes, au contraire, ont une paroi dont la température reste relativement modérée dans la zone de traversée de la dalle. Dans tous les cas cependant, la surface externe du composant dont la partie inférieure plonge dans le sodium liquide a une température large- ment supérieure à la température de la dalle qui est voisine de 100 , au ni- veau des traversées de composants. Il se produit donc des phénomènes d'échanges de chaleur entre les composants et la dalle du réacteur, dans l'espace annulaire existant entre le composant et la traversée. Ces échanges de chaleur par rayonnement et par convection entrai- nent localement un échauffement de la structure de la dalle et plus particu- lièrement de la traversée qui crée des contraintes internes dans cette dal- le et peut être cause de déformations de sa structure. D'autre part, le gaz de couverture inerte pénétrant dans les espaces annulaires entre les compo- sants et la dalle a tendance à accroître les échanges thermiques tout en fa- vorisant la création de zones chaudes sur les traversées de la dalle, par circulation locale entre le composant et la traversée. Il serait bien enten- du souhaitable d'éviter cette apparition de zones à haute température et d'obtenir une température la plus uniforme possible des traversées de la dalle en canalisant la circulation du gaz de couverture dans les espaces an- nulaires entre les composants et la dalle. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de pro- tection thermique d'un composant d'un réacteur nucléaire à neutrons rapi- des, avec circulation de gaz de couverture entre le composant et la dalle du réacteur, le réacteur nucléaire comportant une cuve remplie de métal li- quide surmonté par une couche de gaz neutre de couverture et fermée par une dalle percée de traversées cylindriques à axe vertical par chacune desquel- les la partie inférieure d'un composant de grande longueur, disposé avec son axe vertical et muni d'une bride d'appui sur la dalle, pénètre dans la cuve du réacteur, les diamètres des composants et de la traversée de la dal- le étant prévus pour qu'un espace annulaire soit ménagé entre le composant et la dalle, dispositif qui permette d'obtenir un échauffement limité des traversées de la dalle et une température presque uniforme de ces traver- sées tout en étant d'une structure très simple permettant une mise en place facile du composant sur la dalle. Dans ce but, le dispositif de protection est constitué par au moins une virole d'un diamètre inférieur au diamètre intérieur de la traver- sée mais supérieur au diamètre du composant dans sa partie située dans la traversée, d'une longueur supérieure à la longueur de la traversée, c'està- dire à l'épaisseur de la dalle, reliée à la bride d'appui du composant à sa partie supérieure de façon à séparer l'espace annulaire entre le composant et la traversée en deux espaces annulaires mis en communication l'un avec l'autre uniquement au voisinage de la partie inférieure de la dalle et dans la partie supérieure de la virole, en-dessous de la bride d'appui du compo- sant, par au moins un ensemble d'ouvertures traversant la virole dans une zone annulaire de celle-ci, d'axe vertical. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décri- re à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, deux modes de réalisation d'un dispositif de protection thermique suivant l'invention, dans le cas d'une pompe primaire et dans le cas d'un échangeur intermédiaire. La figure 1 est une vue schématique en coupe par un plan vertical d'une partie d'une pompe primaire munie d'un dispositif de protection ther- mique, au niveau de sa traversée dans la dalle. La figure la est une vue en perspective des viroles du dispositif de protection thermique représenté à la figure 1. La figure 2 est une vue en coupe par un plan vertical d'une par- tie d'un échangeur intermédiaire muni d'un dispositif de protection thermi- que suivant l'invention, au niveau de sa traversée de la dalle. La figure 2a est une vue partielle en perspective d'une des viro- les constituant le dispositif de protection thermique. La figure 2b est une vue partielle en perspective de l'autre viro- le constituant le dispositif de protection thermique. Sur la figure 1, on voit une partie de la dalle 1 d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides au niveau d'une traversée de pompe 2 consti- tuée par une virole prolongée à une certaine hauteur au-dessus de la surfa- ce supérieure de la dalle 1 et portant une bride de support 3 du composant. Le composant est constitué par une pompe primaire 4 dont la partie inférieu- re non représentée plonge sous le niveau 5 du sodium liquide remplissant la cuve du réacteur fermée par la dalle 1. L'enveloppe externe cylindrique de la pompe 4 qui est le seul élément de cette pompe représenté est solidaire d'une bride d'appui 5 venant reposer sur la bride de support 3, lorsque la pompe est en position de service comme représenté à la figure 1. La partie supérieure de la pompe comportant en particulier son mo- teur d'entrainement n'a pas été représentée. Le diamètre de l'enveloppe ex- terne de la pompe 4 est sensiblement inférieur au diamètre intérieur de la traversée 2, si bien qu'un espace annulaire 7 est ménagé entre la pompe 4 et la traversée 2. De l'argon de couverture remplit le volume situé entre le niveau supérieur 5 du sodium liquide et la surface inférieure de la dalle 1. Cet argon pénètre également dans l'espace annulaire 7 autour du composant 4. Une virole 10 est fixée sous la bride d'appui 5 du composant de façon à être coaxiale à ce composant 4 et à la traversée 2, l'axe commun à ces éléments étant l'axe vertical ZZ'. Une seconde virole 11 coaxiale à la virole 10 et d'un diamètre très légèrement supérieur est fixée sur celle-ci à sa partie supérief par l'intermédiaire d'une couronne soudée 12. Comme il est visible sur la figure la, la virole 10 comporte dans sa partie située au-dessus de la seconde virole 11 des ouvertures 14 répar- ties suivant une zone annulaire d'axe ZZ' tout autour de cette virole 10. L'enveloppe extérieure de la pompe 4 s'échauffe par conduction, la partie inférieure de la pompe comportant sa partie active plongeant dans le sodium liquide. En revanche, le volume de la dalle reste à une températu- re modérée. Les viroles 10 et 11 permettent d'éviter un transfert intense de chaleur par rayonnement, entre la surface de l'enveloppe externe de la pompe 4 et la traversée 2. Les viroles 10 et 11 partagent également l'espace annulaire 7 en deux espaces annulaires 7a et 7b, ces espaces communiquant l'un et l'autre à leur partie inférieure avec la couverture d'argon située au-dessus du ni- veau 5 du sodium liquide et entre eux, à leur partie supérieure, par les ou- vertures 14 de la virole 10. L'argon de couverture qui est à une températu- re de l'ordre de 350 , c'est-à-dire à une température intermédiaire entre la température de la surface externe de la pompe et la température de la dalle s'élève dans l'espace intérieur 7b et s'échauffe au contact de la pom- pe puis est arrêté par la bride 5 et redescend dans l'espace 7a o ce gaz est refroidi au contact de la traversée 2. Il s'établit donc une circula- tion naturelle d'argon suivant les flèches 13 visibles sur la figure 1. Cette circulation naturelle a lieu de façon identique sur toute la périphérie de la pompe et de la traversée 2. Il se produit donc un cer- tain refroidissement de l'enveloppe externe de la pompe et un réchauffement limité de la traversée 2 en mime temps qu'une homogénéisation de la tempéra- ture suivant toute la hauteur de la traversée. Dans le cas d'une pompe dont la température de l'enveloppe exter- ne est relativement modérée, il serait possible d'obtenir une protection thermique suffisante en utilisant une seule virole 10, la virole Il permet- tant cependant de limiter encore les échanges par rayonnement et de créer une zone d'argon stagnant d'isolation entre les viroles 10 et 11. Dans le cas d'un composant dont la surface externe est & très hau- te température comme un échangeur intermédiaire, une telle disposition à double viroles de protection serait nécessaire. Sur la figure 2, on voit une partie de la dalle 1 du réacteur com- portant une traversée 14 portant une bride de support 15 permettant le pas- sage et la mise en place d'un échangeur de chaleur intermédiaire dont l'en- veloppe externe 16 porte une bride d'appui 17 reposant sur la bride de sup- port 15 lorsque l'échangeur de chaleur intermédiaire est en position de ser- vice comme représenté sur la figure 2. L'échangeur de chaleur intermédiaire comporte une plaque tubulai- re supérieure 18 fixée à la partie inférieure de l'enveloppe 16, un fais- ceau tubulaire 19 plongeant dans le sodium liquide dont seule la partie su- périeure a été représentée et une enveloppe de faisceau 20 percée d'une fe- nêtre d'entrée de sodium 21 à sa partie supérieure. A sa partie supérieure, l'enveloppe externe 16 de l'échangeur in- terinédiaire est reliée à une enveloppe interne 23 par une pièce de révolu- tion à section en Y. Entre l'enveloppe 16 et l'enveloppe 23 est placé un matériau calo- rifuge 24 permettant de limiter la déperdition calorifique par la paroi de l'échangeur intermédiaire. L'échangeur intermédiaire comporte à sa partie centrale un con- duit tubulaire 25 coaxial à l'enveloppe 16 communiquant à sa partie infé- rieure non représentée avec une chambre en communication avec la face d'en- trée de la plaque tubulaire inférieure du faisceau tubulaire 19, non repré- sentée. Le conduit 25 permet l'arrivée de sodium secondaire "froid" ve- nant d'un générateur de vapeur du réacteur nucléaire. Ce sodium secondaire "froid" est distribué dans le faisceau 19 o il entre en contact thermique avec le sodium primaire contenu dans la cuve jusqu'au niveau 5, ce qui pro- duit l'échauffement du sodium secondaire jusqu'à une température de 525 . Pour sa mise en contact thermique avec le sodium secondaire, le sodium pri- maire entre dans l'enveloppe du faisceau 20 par une fenêtre supérieure 21 et ressort par une fenêtre inférieure non représentée. Le sodium secondaire à haute température sortant du faisceau 19 parcourt l'espace annulaire entre l'enveloppe externe 16 et le tube inté- rieur 25 suivant la direction des flèches 27. La paroi extérieure 16 de l'é- changeur intermédiaire est donc à haute température. Une virole cylindro-c8nique 28 est disposée de façon coaxiale par rapport à l'échangeur et par rapport à la traversée 2, tous ces éléments ayant comme axe l'axe vertical ZZ'. La virole 28 est reliée à la bride d'ap- pui 17 de l'échangeur intermédiaire par l'intermédiaire de tiges 29, de biellettes 30 et de pièces d'accrochage 31. Les tiges 29 permettent le dé- placement en translation verticale de la virole cylindro-cônique 28 entre une position haute comme représenté sur la figure 2 et une position basse o la partie cylindrique inférieure 28a de la virole 28 vient masquer la fe- nêtre 21 d'entrée du sodium primaire dans le faisceau 19. Cette partie 28a de la virole 28 constitue donc le volet de fermeture de l'échangeur intermé- diaire. De tels volets mobiles suspendus à des tiges de grande longueur sont généralement utilisés pour fermer l'ouverture d'arrivée du sodium pri- maire et pour mettre l'échangeur intermédiaire dans son état hors service. Le dispositif de protection thermique comporte également une viro- le interne 34 fixée de façon rigide sous la bride 17 de l'échangeur intermé- diaire. Comme il est visible à la figure 2a qui représente une partie de la portion cylindrique supérieure de la virole 28, cette virole 28 est per- cée d'ouvertures 36 suivant une couronne d'axe ZZ' sur toute sa circonféren- ce. Losque la virole 28 est en position haute, le volet 28a étant ouvert et l'échangeur intermédiaire en service, les ouvertures 36 sont au niveau de la partie inférieure de la dalle 1 du réacteur. Comme il est visible sur la figure 2b, la virole intérieure 34 est percée d'ouvertures 38 disposées suivant une zone annulaire sur toute la périphérie de la partie supérieure de cette virole. Il en est d'ailleurs de même de la virole 28 dont la partie cylindrique supérieure est percée d'ouvertures 40. La figure 2b est susceptible de représenter soit la partie supérieure de la virole 28 soit la partie supérieure de la virole 34. Audes- sus des ouvertures 40, la virole 28 porte un anneau 41 qui constitue une bu- tée pour cette virole 28 en fin de mouvement vers le haut, grâce aux tiges 29, lors de la mise en service de l'échangeur intermédiaire. L'anneau 41 vient alors en butée sur la surface inférieure de la bride 17 de l'échan- geur solidaire de la paroi extérieure 16 de cet échangeur. Lorsque l'échangeur intermédiaire est en service, le réacteur nu- cléaire étant en fonctionnement, le niveau supérieur 5 du sodium liquide dans la cuve du réacteur est surmonté par une couche d'argon de couverture qui est à une température de l'ordre de 350 C. Cet argon de couverture vient également remplir les espaces annulaires compris entre les échangeurs intermédiaires et les traversées de la dalle correspondantes. Le sodium se- condaire échauffé jusqu'à 525 C remonte dans l'échangeur intermédiaire par sa partie périphérique suivant le trajet des flèches 27. Les viroles 28 et 34 séparent l'espace annulaire compris entre la paroi 16 de l'échangeur intermédiaire à haute température et la traversée 14 en trois espaces annulaires 36a, 36b et 36c. Les deux viroles 28 et 34 réduisent le flux de rayonnement thermique entre la paroi 16 de l'échangeur et la traversée 14. La paroi 16 de l'échangeur intermédiaire est à une température de 525 alors que la dalle est à une température de 100 . L'argon à 350 venant au contact de la paroi 16 à la base de l'es- pace annulaire 36 s'échauffe et monte dans la partie intérieure 36a de l'es- pace annulaire en s'échauffant, puis atteint la partie supérieure de la vi- role 34 o cet argon échauffé traverse les ouvertures 38 et 40 des viroles 34 et 28 respectivement pour venir au contact de la traversée 14 dans la partie 36c de l'espace annulaire 36. L'argon redescend alors en se refroi- dissant jusqu'aux ouvertures inférieures 36 de la virole 38 puis revient à nouveau dans la partie 36a de l'espace annulaire. Il s'établit donc une cir- culation naturelle de l'argon suivant les flèches 35. Cette circulation na- turelle a pour effet d'homogénéiser circonférentiellement la température de la paroi externe 16 de l'échangeur. On voit donc que les principaux avantages du dispositif suivant l'invention sont de permettre une limitation du flux thermique de rayonne- ment entre la paroi extérieure d'un composant du réacteur nucléaire et la traversée correspondante à un niveau très bas et une circulation naturelle d'argon entre le composant et la traversée correspondante, ce qui entraine une meilleure répartition de la température dans la traversée et dans la dalle. Dans le cas d'un échangeur intermédiaire, l'utilisation d'une des viroles du dispositif de protection pour constituer le volet de fermeture de la fenêtre supérieure de l'échangeur intermédiaire entraine une simplifi- cation du mécanisme de commande du volet de fermeture et une augmentation de la fiabilité de ce mécanisme. En effet, les tiges de commande du volet peuvent être d'une longueur très inférieure à ce qu'elle était dans les dis- positifs de l'art antérieur o ces tiges devaient joindre un point disposé au-dessus de la bride du composant au volet situé au niveau de la partie su- périeure du faisceau. L'ensemble de commande du volet est également plus ri- gide et son guidage est mieux assuré grâce à la présence d'une virole sur toute la hauteur de la traversée. 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 dans le cas d'un échangeur intermédiaire, la viro- le externe constituant en même temps le volet mobile de l'échangeur intermé- diaire peut venir en butée haute contre un partie de la virole interne à une certaine distance en-dessous de la bride de support du composant. De ce fait, un espace est réservé au-dessus de cette virole externe et endessous de la bride d'appui du composant, pour le passage de l'argon en circulation naturelle. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir des ouvertures à la par- tie supérieure de la virole externe. De façon générale, il n'est pas tou- jours nécessaire de prévoir des ouvertures soit à la partie inférieure soit à la partie supérieure de la ou des viroles constituant le dispositif de protection, les longueurs de ces viroles et leur position par rapport à la dalle ou aux brides d'appui vers le bas et vers le haut pouvant permettre un passage d'argon en-dessous ou au-dessus de ces viroles. Dans tous les cas cependant, il faut s'assurer un passage d'argon sur toute la périphérie des viroles de protection. Suivant le type de composant et la température externe de ce com- posant, il sera possible d'utiliser seulement une ou deux viroles de protec- tion séparant l'espace annulaire entre composant et traversée en deux ou trois parties annulaires. Dans le cas o deux viroles de protection coaxiales sont utili- sées, l'espace central limité par ces deux viroles se remplit d'argon mais cet argon ne peut pas circuler, si bien qu'il constitue une couche stagnan- te a une température intermédiaire entre la température des deux viroles. Enfin, l'invention s'applique dans le cas de tout composant d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides comportant une cuve remplie de métal liquide fermée par une dalle horizontale et traversant cette dalle. L'inven- tion s'applique en particulier dans le cas des réacteurs nucléaires inté- grés refroidis au sodium liquide aussi bien que dans le cas des réacteurs nucléaires à neutrons rapides du type à boucle ou dans le cas des réacteurs nucléaires comportant non seulement des échangeurs intermédiaires mais encore des générateurs de vapeur intégrés. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de protection thermique d'un composant d'un réac- teur nucléaire à neutrons rapides avec circulation de gaz de couverture entre le composant (4) et la dalle (1) du réacteur, le réacteur nucléaire comportant une cuve remplie de métal liquide surmonté par une couche de gaz neutre de couverture et fermée par une dalle (1) percée de traversées cylin- driques (2, 14) à axe vertical par chacune desquelles la partie inférieure d'un composant (4, 16) de grande longueur disposé avec son axe vertical et muni d'une bride d'appui (5, 17) sur la dalle (1) pénètre dans la cuve du réacteur, les diamètres des composants (4, 16) et de la traversée (2, 14) de la dalle (1) étant prévus pour qu'un espace annulaire soit ménagé entre le composant (4, 16) et la dalle (1), caractérisé par le fait qu'il est constitué par au moins une virole (10, 11, 28, 34) d'un diamètre inférieur au diamètre intérieur de la traversée (2, 14) mais supérieur au diamètre du composant (4, 16) dans sa partie si- tuée dans la traversée (2, 14), d'une longueur supérieure à la longueur de la traversée (2, 14), c'est-à-dire à l'épaisseur de la dalle (1), reliée à la bride d'appui (5, 17) du composant à sa partie supérieure de façon à sé- parer l'espace annulaire (7, 36) entre le composant (4, 16) et la traversée (2, 14) en deux espaces annulaires mis en communication l'un avec l'autre uniquement au voisinage de la partie inférieure de la dalle (1) et dans la partie supérieure de la virole (10, 11, 28, 34) en-dessous de la bride d'ap- pui (5, 17) du composant (4, 16), par au moins un ensemble d'ouvertures (14, 36, 38, 40) traversant la virole (10, 11, 28, 34) dans une zone annu- laire de celle-ci, d'axe vertical ZZ'. 2.- Dispositif de protection thermique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte deux viroles coaxiales (10, 11l 28, 34) coaxiales séparant l'espace annulaire entre le composant (4, 16) et la traversée (2, 14) en trois espaces annulaires coaxiaux (7, 36). 3.- Dispositif de protection thermique suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que l'une des viroles (11) est fixée de façon rigi- de sur l'autre virole (10) qui est elle-même fixée à la partie inférieure de la bride d'appui (5) du composant, des ouvertures (14) étant prévues dans la paroi de la virole (10) fixée sur la bride d'appui (5) au-dessus de la seconde virole (11). 4.- Dispositif de protection thermique suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la partie inférieure des viroles (10, 11) se trouve au niveau de la partie inférieure de la dalle (1). 5.- Dispositif de protection thermique suivant la revendication 1, dans le cas o le composant (16) est un échangeur intermédiaire du réac- teur nucléaire, caractérisé par le fait qu'il comporte une virole (28) reliée à la bride d'appui (17) de l'échangeur intermédiaire par des tiges (29) mobiles en translation verticale pour le déplacement de la virole (28) entre une posi- tion haute o cette virole occupe toute la hauteur de l'espace annulaire entre l'échangeur (16) et la dalle (1), des ouvertures (36) de la virole (28) étant alors au niveau de la partie inférieure de la dalle (1) et une position basse o la partie inférieure de la virole (28) vient fermer la fe- nêtre d'entrée (21) de l'échangeur intermédiaire (16) et constitue ainsi son volet de fermeture. 6.- Dispositif de protection thermique suivant la revendication , caractérisé par le fait que dans sa position haute, la virole (28) est en butée par sa partie supérieure (41) sur la face inférieure de la bride d'ap- pui (17) de l'échangeur intermédiaire (16) et comporte dans sa partie supé- rieure des ouvertures (40) sur toute sa périphérie. - 7.- Dispositif de protection thermique suivant la revendication , caractérisé par le fait qu'il comporte une seconde virole (34) coaxiale à la virole (28) et de diamètre inférieur fixée de façon rigide sous la bride d'appui (17) de l'échangeur de chaleur et comportant des ouvertures (38) dans sa partie supérieure sur toute sa périphérie. 8.- Dispositif de protection thermique suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que la virole mobile (28) vient en appui dans sa po- sition haute sur une butée solidaire de la virole fixe (34) à une certaine distance en-dessous de la bride d'appui (17) de l'échangeur de chaleur. 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