Brevet FR2563895A1 — publié le 19851108

Perfectionnement aux générateurs de vapeur à corps central du type sodium- eau La présente invention a pour objet un perfectionnement aux généra- teurs de vapeur du type sodium-eau utilisés notamment dans les centrales nu- cléaires. Dans les centrales électriques, une chaudière apporte de la cha- leur au fluide d'un circuit en boucle fermée, ce fluide échauffé circulant alors dans un générateur de vapeur afin de céder sa chaleur à de l'eau qui est transformée en vapeur, cette vapeur étant ensuite envoyée dans les tur- bines de la centrale. Certaines centrales nucléaires, notamment du type à neutrons rapi- des, utilisent comme fluide servant au transport des calories depuis la chaudière vers le générateur de vapeur, du sodium liquide. Dans ce cas le générateur de vapeur est constitué d'un échangeur de chaleur dont le cir- cuit primaire renferme du sodium liquide et dont le circuit secondaire ren- ferme de l'eau transformée en vapeur. Ces générateurs de vapeur comportent une enveloppe cylindrique à axe vertical fermée par des fonds bombés à l'intérieur de laquelle est dis- posé le faisceau tubulaire. Ce faisceau, lorsqu'il est constitué par des tu- bes enroulés en hélice, occupe une partie seulement de la section transver- sale du volume interne de l'enveloppe et ne s'étend que sur une partie de la hauteur de l'enveloppe. Au-dessus du faisceau, est ménagée une zone dans laquelle débouche au moins une conduite d'arrivée de sodium liquide échauf- fé, alors qu'à la partie inférieure du générateur de vapeur est prévue une conduite de sortie du sodium liquide refroidi. Le sodium liquide circule, entre son entrée et sa sortie de l'en- veloppe du générateur de vapeur, en contact avec la surface externe des tu- bes du faisceau tubulaire à l'intérieur desquels circule de l'eau qui se va- porise par échange de chaleur avec le sodium liquide. La partie centrale du volume interne de l'enveloppe est occupée par un corps central cylindrique fermé à sa partie supérieure, coaxial à l'enveloppe du générateur de vapeur, depuis la partie inférieure dudit géné- rateur jusqu'à la zone supérieure dans laquelle arrive le sodium liquide. Le faisceau tubulaire occupe la partie périphérique du volume interne de l'enveloppe, autour du corps central, sur toute la hauteur de celui-ci, à l'exeption de sa partie inférieure dans laquelle des ouvertures permettent la sortie du sodium liquide après sa traversée du faisceau sans créer de perturbation d'écoulement au niveau des lyres de sortie des tubes du fais- ceau. L'alimentation en sodium et la circulation de celui-ci dans le gé- nérateur de vapeur sont réglées de façon que le niveau supérieur de ce so- dium dans l'enveloppe du générateur se situe un peu au-dessus de l'arrivée de sodium, dans la partie supérieure de l'enveloppe. L'espace compris entre le niveau supérieur du sodium et le fond supérieur du générateur est rempli par un gaz neutre tel que l'argon. Dans de tel générateurs de vapeur, des précautions doivent être prises pour éviter tout contact entre le sodium liquide du circuit primaire et l'eau du circuit secondaire. En effet, on sait que le mélange de sodium et d'eau à haute température provoque des réactions chimiques très violen- tes, avec dégagement de gaz et augmentation brutale de la pression régnant dans le sodium liquide. Ces réactions brutales accidentelles qui peuvent s'apparenter à une explosion à l'intérieur du générateur, peuvent provoquer la détérioration partielle de certains organes, mais aussi, du fait de la propagation de l'onde de pression dans les canalisations du circuit secon- daire, l'endommagement des échangeurs intermédiaires, ou l'endommagement des pompes de circulation ou toute autre installation située sur ce circuit secondaire. Il est donc nécessaire de favoriser la propagation des ondes de pression vers un niveau libre du sodium liquide o ces ondes sont amorties. Jusqu'à présent, en cas de réaction sodium-eau, l'onde de pres- sion qui se dirige vers le haut reçoit un amortissement important sur la surface libre supérieure du sodium, par contre celle qui se dirige vers le bas ne rencontre pas une telle surface libre. La présente invention vise à pallier principalement ces diffé- rents inconvénients tout en permettant la sortie du sodium liquide qui a traversé le faisceau tubulaire sans entraîner d'écouments tourbillonnaires au niveau des lyres de sortie des tubes. Suivant l'invention le corps central rempli de sodium liquide dans sa partie supérieure et moyenne comporte à sa partie inférieure - d'une part un fond bombé sous lequel est injecté un gaz inerte pour consti- tuer une poche qui contient un petit volume de gaz et définit une surface de séparation gaz-liquide servant à la reflexion et à l'atténuation d'une onde de pression en cas de réaction sodium-eau, et - d'autre part une pièce en étoile qui relie l'extrémité inférieure du corps central à une pièce ter- minale munie d'une partie tronconique s'emboitant avec un jeu annulaire dans une tubulure pour la sortie du sodium liquide qui a traversé le fais- ceau tubulaire. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente une vue en coupe par un plan vertical de symétrie du générateur de vapeur. La figure 2 représente une vue en coupe à plus grande échelle de la partie inférieure du générateur de vapeur. La figure 3 représente une demi-vue en coupe selon AA de la figu- re 2. Le générateur de vapeur comporte une enveloppe cylindrique 1 de grande longueur par rapport à son diamètre et disposée verticalement rem- plie de sodium liquide en circulation constituent le circuit primaire. Cette enveloppe 1 est fermée par deux fonds bombes 2 et 3 à son e:gtrémité supérieure et à son extrémité inférieure, respectivement. Le fond inférieur 3 est muni d'un prolongement 4 l!gàremen, coni- que pour former une tubulure 5 de sortie du sodium. Le sodium liquide arri- vant au générateur de vapeur, est introduit dans la chambre d'entrêe paz des orifices 6 radiaux h l'enveloppe 1, puis circule de haut sn bas 2 inl térieur de ladite enveloppe, et parvient L la zone de sortie cStu&e h la partie inférieure du gén rateur de vapeur d'o il est 9vacud par la tubulu- re 5. A l'intérieur de l'enveloppe! est fizé un corps cylindrique creux 10, coaxialement à ladite enveloppe. Le générateur de vapeur comporte un circuit secondaire constitue par un faisceau tubulaire 7 enrould en héli- ce dans l'espace annulaire existant entre le corps central 10 et l'envelop- pe 1. Ce faisceau hélicoïdal se termine par des lyres de dilatation 8, chla- que tube 9 traversant ensuite radialement l'enveloppe externe o1. L'eau est introduite par la partie inférieure des tubes 9 et ressort par la partie su- périeure sous forme de vapeur. En se reportant plus particulièrement aux figures 2 et 3, on voit qu'une pièce en étoile 11 formée par huit ailettes radiales 12 portant un petit tube central 13 est soudée sur la partie inférieure du corps central par l'intermédiaire d'une collerette supérieure 14. Cette pièce en étoi- le 11 comporte également une collerette inférieure 15 sur laquelle est sou- dée une pièce terminale 16 qui s'achève par une partie tronconique 17 s'em- boitant avec un jeu assez important dans la tubulure conique 5. Ce jeu per- met un certain débit de sodium, environ 10 %, entre l'enveloppe 1 et la fin du corps cylindrique de manière à balayer les lyres de dilatation 8, évi- tant tout sodium stagnant nuisible. Les aillettes 12 forment donc huit sec- teurs 18 qui, au niveau de la fin du faisceau hélicoïdal 7 et du début des lyres 8, communiquent chacun par une ouverture 19 avec l'espace périphéri- que du générateur de vapeur disposé autour du corps central 10. La pièce en étoile 11 réalisée par exemple en fonderie comporte également au milieu de chaque ailette 12, un bras 20 destiné à centrer le corps central 10 par rap- port à l'enveloppe extérieure et maintenir ce corps en cas de sollicita- tions radiales par exemple lors de séisme; il y a donc autant de bras que d'ailettes. Une sonde de niveau 21 maintenue par le petit tube central 13 est montée dans l'axe du corps cylindrique 10. Légèrement au-dessus de la collerette supérieure 14 de la pièce en étoile 11, le corps cylindrique 10 est fermé par un fond bombé 23 de ma- nière à constituer une poche 24 contenant un petit volume de gaz inerte par exemple de l'argon et difinissant une surface de séparation 25 gaz-liqui- de; la partie supérieure du corps cylindrique 10 située au-dessus de ce fond bombé étant remplie de sodium liquide. La partie centrale du fond bom- bé 23 est traversée par la sonde de niveau 21. Un petit conduit 26 amène dans la poche 24 le volume de gaz nécessaire, et un tube 27 s'étend entre la surface de séparation 25 et le niveau libre 30 supérieur de sodium. Ce tube 27 permet de conserver un niveau de sodium constant dans la poche 24 remplie de gaz, tout surplus s'échappant vers le niveau libre supérieur 30 du générateur de vapeur. Le fond bombé 23 comporte également un tube 22 pour la vidange du corps central 10, notamment en cas de vidange rapide du générateur de vapeur. Avant la mise en service du générateur de vapeur, l'enveloppe 1 de celuici est remplie de sodium liquide jusqu'au niveau 30. On envoie alors l'argon à l'intérieur de la poche 24 par le petit conduit 26. Le ni- veau de sodium dans la poche 24 s'établit au niveau de la partie inférieure du tube 27. Si dans le générateur de vapeur tel que décrit précédemment une fuite se produit dans le faisceau tubulaire transportant l'eau, l'onde de pression consécutive à la réaction violente sodium-eau rencontre très rapi- dement un niveau libre sodium argon si bien qu'elle est considérablement amortie à l'intérieur même du générateur de vapeur. En effet, l'onde de pression, qui se dirige vers le haut, rencontre le niveau libre supérieur o elle est considérablement amortie. Il en est de même pour l'onde de pression qui se dirige vers le bas, car elle rencontre très rapidement la surface de séparation 25 gaz-liquide o elle est également amortie, du fait de l'élasticité de la poche de gaz 24, évitant ainsi que cette onde de pres- sion ne se propage dans des proportions importantes par la canalisation de sortie du sodium, en direction des autres appareils situés dans ce circuit, c'est-à-dire principalement les pompes de circulation et surtout les échan- geurs intermédiaires. D'autre part, en cas de fuite d'un tube du faisceau, la sonde de niveau permet, avec d'autres appareillages spécialisés, de détecter le ni- veau o se situe la fuite par abaissement successif du niveau de sodium du générateur de vapeur. On voit que le principal avantage du dispositif selon l'invention est de permettre un amortissement rapide des ondes de pression, après l'ap- parition de celles-ci, et quel que soit leur sens de propagation. Ce résul- tat est obtenu par une conception simple des dispositifs de réalisation d'un niveau libre à la base du générateur de vapeur. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit, elle en comporte au contraire toutes les variantes et l'on peut modifier les points de détail sans pour autant sortie du cadre de l'in- vention. Il est possible par exemple d'appliquer les dispositions propres à la présente invention à un générateur de vapeur dont les tubes du circuit secondaire seraient disposés autrement que hélicoTdalement. REVENDICATIONS 1.- Perfectionnement aux générateurs de vapeur du type sodium-eau notamment pour centrales nucléaires comprenant: - une enveloppe cylindrique à axe vertical remplie de sodium li- quide et fermée par deux fonds bombés à son extrémité supérieure et à son extémité inférieure, ledit fond inférieur étant muni d'un prolongement légè- rement conique pour former une tubulure de sortie du sodium, - un corps central creux, ouvert à sa partie supérieure, disposé à l'intérieur et coaxialement à l'enveloppe cylindrique, - et un circuit secondaire constitué par un faisceau tubulaire de circulation d'eau s'étendant dans l'espace annulaire entre le corps central et l'enveloppe cylindrique, caractérisé par le fait que le corps central (10) rempli de sodium liquide dans sa partie supérieure et moyenne comporte à sa partie inférieure -d'une part un fond bombé (23) sous lequel est injecté un gaz inerte pour consti- tuer une poche (24) qui contient un petit volume de gaz et définit une sur- face de séparation (25) gaz-liquide servant à la réflexion et à l'atténua- tion d'une onde de pression en cas de réaction sodium-eau, et -d'autre part une pièce en étoile (11) qui relie l'extrémité inférieure du corps central (10) à une pièce terminale (16) munie d'une partie tronconique (17) s'emboi- tant avec un jeu annulaire dans la tubulaire (5) pour la sortie du sodium liquide qui a traversé le faisceau tubulaire (7). 2.- Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la poche (24) contenant un petit volume de gaz comporte un petit conduit (26) d'alimentation en gaz et un tube vertical (27) reliant ladite poche à la partie supérieure du générateur de vapeur pour permettre d'évacuer le gaz en excès et maintenir le niveau gaz-sodium constant. 3.Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pièce en étoile (11), réalisée en fonderie, est formée par des ailettes radiales (12) portant un petit tube central (13) pour le maintien d'une sonde de niveau (21) et comporte une collerette supérieure (14) et une collerette inférieure (15) qui sont respectivement soudées sur le corps central (10) et sur la pièce terminale (16). 4.- Perfectionnement selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les ailettes radiales (12) déterminent dans la pièce en étoile (11) des secteurs (18) communiquant chacun par une ouvertu- re (19) avec l'espace annulaire compris entre le corps central (10) et l'en- veloppe (1). 5.- Perfectionnement selon les revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que chaque ailette radiale (12) se prolonge sur une partie de sa hauteur par des bras (20) sensiblement jusqu'à l'enveloppe (1) pour le centrage et le maintien radial du corps central (10) par rapport à l'enveloppe (1).