Brevet FR2572838A1 — publié le 19860509

-1 REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES REFROIDI PAR UN METAL LIQUIDE ET DONT LES STRUCTURES INTERNES SONT EQUIPEES D'UN DISPOSITIF DE PROTECTION THERMIQUE La présente invention se rapporte à un réac- teur nucléaire à neutrons rapides refroidi par un métal liquide et comprenant de façon connue une cuve principale remplie de métal liquide et contenant le coeur du réacteur, au moins un échangeur de chaleur, au moins une pompe pour faire circuler le métal liqui- de entre le coeur et l'échangeur, et des structures internes à la cuve pour séparer à l'intérieur de celle-ci une partie relativement chaude du métal li- quide sortant du coeur d'une partie relativement froide du métal liquide sortant de l'échangeur. Dans les réacteurs nucléaires de ce type, les structures internes se composent généralement d'une cuve interne pouvant prendre différentes formes (cylindrique, à redan, etc...) et de cheminées de passage pour les composants tels que les pompes et les échangeurs, lorsque ceux-ci se trouvent à L'intérieur de La cuve du réacteur. Ces structures internes sont généralement réalisées en acier inoxydable, chaudron- né et mécano-soudé. Elles ont pour fonction de séparer le métal liquide relativement chaud sortant du coeur du réacteur du métal liquide relativement froid sor- tant des échangeurs. Lorsque le métal liquide est constitué par du sodium comme c'est généralement le cas, les températures correspondantes sont respecti- vement d'environ 550 C et 400 C. Compte tenu du niveau moyen de température auquel se trouvent les structures internes du réac- teur, et de la différence de température entre le métal liquide relativement chaud et le métal liquide relativement froid qui se trouvent de part et d'autre de celLes-ci, les structures internes du réacteur sont soumises en fonctionnement normal et au cours des pé- riodes transitoires (changements de régime du réac- teur) à des problèmes de tenue mécanique. En particulier, les structures internes du réacteur sont soumises à des phénomènes d'instabilité dûs aux pressions interne et externe, notamment en cas de séismes. Ces structures sont soumises en plus à des phénomènes de fatigue-fluage dûs à la différence de températures dans leur épaisseur entraînant La mise en compression de la face chaude. Les solutions à ces deux problèmes princi- paux sont contradictoires. En effet, l'amélioration de la stabilité conduit à épaissir les structures alors que la limitatiqn des effets du phénomène de fatigue- fluage demande au contraire de réduire l'écart de tem- pératures et, par conséquent, l'épaisseur de la struc- ture. De plus, les contraintes induites par ces deux phénomènes ne sont pas indépendantes, mais interfé- rent. La présente invention a précisément pour objet un réacteur nucléaire à neutrons rapides du type défini précédemment, dans lequel les structures inter- nes sont recouvertes au moins partiellement, du côté du métal liquide relativement chaud, par un dispositif de protection thermique. Un tel dispositif améLiore sensiblement la tenue du matériau (acier inoxydable austénitique par exemple) constituant ces structures en réduisant la température moyenne de ces structures et la différence de température dans l'épaisseur de celles-ci. De façon plus précise, il est proposé con- formément à l'invention de recouvrir au moins partiel- lement les structures internes du réacteur, sur leur face en contact avec le métal liquide relativement chaud, par un dispositif de protection thermique com- prenant des plaques modulaires en un matériau homogène identique à celui de la-structure à protéger, ces plaques étant disposées côte à côte avec un certain jeu entre elles et épousant approximativement la forme des structures internes. De préférence, chaque plaque est fixée sur les structures internes par un moyen de fixation placé à proximité du centre géométrique de ladite plaque. - La fixation des plaques sur les structures internes étant réalisée de préférence au moyen d'un goujon soudé par étincelage sur- la face adjacente chaude des structures à protéger, une sécurité peut être prévue en cas de rupture de l'un des goujons. Cette sécurité peut être obtenue en fixant, notamment par soudage, une plaquette sur l'un des coins de cha- que plaque, de telle sorte que cette plaquette recou- vre en partie les plaques adjacentes. Pour tenir compte de la géométrie des struc- tures internes, certaines plaques doivent être galbées ou cintrées. Le rayon de courbure des plaques est alors légèrement inférieur à celui de la partie des structures internes sur laquelle elles s'appuient, afin que les coins des plaques ne baillent pas et qu'elles ne puissent pas être sollicitées aux vibra- tions d'origine hydraulique. Selon un autre aspect de l'invention, lors- que les structures' internes comportent un redan tra- versé par la pompe et par l'échangeur et des cheminées de passage de ces derniers soudées sur le redan, chaque cheminée comportant une onde tournée vers la partie relativement froide du métal liquide, et par laquelle ladite cheminée est soudée sur le redan, les plaques modulaires fixées sur la cheminée pénètrent dans la cavité formée par cette onde du côté de la partie relativement chaude du métal liquide et les plaques modulaires fixées sur le redan ferment cette cavité. 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 I est une vue schématique par- tielle représentant de face et en coupe un réacteur nucléaire à neutrons rapides dont La structure interne est équipée d'un dispositif de protection thermique conformément à l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée représentant une partie de La structure inter- ne du réacteur de la figure I équipée du dispositif de protection thermique selon l'invention; et - La figure 3 est une vue en coupe transver- sale d'une pièce de la structure interne du réacteur de la figure 1 équipée du dispositif de protection thermique selon l'invention. Le réacteur nucléaire à neutrons rapides re- présenté partiellement sur la figure I comprend de façon connue une cuve cylindrique, d'axe vertical, dite cuve principale 10 qui est reçue à L'intérieur d'un puits de cuve 12 formé dans un bâtiment de béton assurant la protection biologique de l'environnement. De façon connue, la cuve 10 peut être soit suspendue à la partie supérieure du puits de cuve 12, soit posée sur le fond de ce dernier. Une dalle de béton (non représentée) obture simultanément le puits de cuve 12 et la cuve 10 afin de compléter la protection biologi- que. Dans le mode de réalisation représenté à titre préférentiel sur la figure 1, le réacteur est de type intégré, c'est-à-dire que la cuve principale 10 contient, outre le coeur 14 du réacteur, tous Les com- posants du circuit primaire du réacteur parmi lesquels les principaux sont les échangeurs de chaleur 16 et les pompes primaires 18. Bien qu'un seul de chacun de ces composants soit représenté sur la figure 1, on sait que leur nombre peut être variable selon la puis- sance du réacteur. Afin d'assurer le transfert de la chaleur dégagée par la matière fissile dans le coeur 14 du réacteur jusqu'aux échangeurs 16, la cuve principale est remplie d'un métal liquide 20 généralement constitué par du sodium. La circulation du métal liquide 20 entre le coeur 14 et les échangeurs 16 est assurée par les pom- pes 18 comme l'indiquent les flèches sur la figure 1. Le métal liquide relativement chaud sortant du coeur 14 à l'extrémité supérieure de celui-ci pénètre par des orifices d'entrée 16a dans chacun des échangeurs 16. Après avoir transmis la chaleur qu'il véhicule à un fluide secondaire généralement constitué par du sodium, le métal liquide primaire ressort des échan- geurs 16 par des orifices de sortie 16b. Il est ensui- te repris par les orifices d'aspiration 18a des pompes 18, qui refoulent ce métal liquide relativement froid, par des conduites 22, dans le sommier 24 d'alimenta- tion et de supportage du coeur 14, disposé immédiate- ment en-dessous de celui-ci. Généralement, le sommier d'alimentation 24 repose lui-même sur le fond de la cuve 10 par l'intermédiaire d'une structure de suppor- tage 26 appelée platelage. Afin de tenir compte de la différence de température entre le métal liquide relativement chaud qui circule dans la cuve 10 entre le coeur 14 et les orifices d'entrée 16a des échangeurs (environ 550 C lorsqu'il s'agit de sodium) et le métal liquide rela- tivement froid qui circule également dans la cuve entre les orifices de sortie 16b des échangeurs et les orifices 18a des pompes (environ 400 C pour du so- dium), on est amené, pour des raisons hydrauliques et thermiques, à séparer le volume interne de la cuve principale 10 en deux volumes distincts, généralement appelés collecteur chaud 28 et collecteur froid 30, au moyen de structures internes 32. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 dans lequel les composants principaux du circuit primaire que sont les échangeurs 16 et les pompes 18 sont placés directement à l'intérieur de la cuve principale 10, ces structures internes 32 se com- posent d'une cuve interne 34 et de cheminées 36 sou- dées à la cuve (34. Les cheminées 36 permettent aux composants de traverser la cuve interne tout en pré- servant la séparation entre le métal liquide retative- ment chaud contenu dans le collecteur chaud 28, situé généralement audessus du coeur 14 et le métal liquide relativement froid contenu dans le coLLecteur froid 30 et situé généralement à la périphérie du coeur 14. Comme on a eu l'occasion de le mentionner précédemment, la cuve interne 34 peut prendre diffé- rentes formes. Dans le mode de réalisation préféré représenté sur la figure 1, cette cuve interne 34 com- prend principalement une partie 34a en forme de redan, que traversent les pompes 18 et les échangeurs 16, et une virole externe 34b, sensiblement cylindrique, dont le bord supérieur s'élève à un niveau plus élevé que le niveau maximum du sodium 20 contenu dans le collec- teur chaud 28 lors du fonctionnement des pompes 18. Les cheminées 36 sont raccordées sur la partie 34a de la cuve 34. Conformément à l'invention et afin d'abais- ser à la fois la température moyenne des structures internes 32 et la différence de température dans l'épaisseur de ces structures, pour conduire à une meilleure tenue mécanique de celles-ci, les faces chaudes des structures internes 32, c'est-à-dire les faces de celles-ci situées du côté du collecteur chaud 28, sont recouvertes par un dispositif de protection thermique dont la structure va maintenant être décrite en détail en se référant aux figures 2 et 3. On remar- quera que si le dispositif de protection thermique recouvre de préférence toutes Les-faces chaudes du redan 34a, de la virole externe 34b et des cheminées 36, il peut aussi être limité aux seules parties des structures 32 les plus chargées thermiquement, ou être ajusté en épaisseur en fonction des contraintes ther- miques régnant au niveau des couronnes successives. Ainsi, les plaques d'une même couronne ont la même épaisseur, alors que les plaques de couronnes diffé- rentes ont des épaisseurs différentes. Comme L'illustrent en particulier Les figu- res 2 et 3, le dispositif de protection thermique qui recouvre les faces chaudes des structures internes 32 comprend des plaques ou tôles modulaires 38 disposées bout à bout avec un certain jeu entre elles et appLi- quées directement sur la surface à protéger en épou- sant approximativement la forme de cette surface. Ces plaques 38, qui jouent le rôle de baffles thermiques, sont réalisées en un matériau homogène identique à">çelui de-la structure, et de préférence en acier inoxydable. Selon La forme de la surface à protéger, les plaques 38 ont un-module sensiblement carré ou trapé- zoidal, dont La surface (par exemple voisine de 0,25 m2), permet de les manipuler manuellement. De façon générate, la forme des plaques 38 est conçue de façon à éviter les angles aigus, en particulier autour des cheminées 36 de passage des composants et pour s'adapter au mieux à La géométrie des structures internes. A cet effet, La fabrication de ces plaques peut être réalisée avantageusement à partir de gaba- rits. De plus, pour Les formes simples telles que la virole externe 34b et les cheminées 36 de passage des composants, on peut envisager un module standard de plaques pour chaque catégorie de viroles. En ce qui concerne les plaques de protection du redan 34a, leur découpage peut être linéaire, compte tenu des grands rayons de courbure de celui-ci devant les dimensions relativement faibles des plaques. En ce qui concerne le jeu qui est prévu entre les bords adjacents des plaques 38, il doit permettre les dilatations différentielles entre les plaques et les structures internes porteuses 32, tout en étant suffisamment limité pour qu'aucun courant de métal liquide chaud ne puisse s'instaurer entre les structures à protéger et les plaques 38. Etant donné que les dilatations différentielles entre Les plaques et les structures porteuses sont faibles compte tenu des dimensions des plaques, on peut prévoir en prati- que un jeu entre plaques de l'ordre de 3 à 4 mm inté- grant les tolérances de fabrication. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, chacune des plaques 38 est fixée à La partie adjacente de la structure interne 32 à. protéger par un moyen de fixation placé à proximité du centre géométrique (ou de gravité) de cette plaque. Comme l'iLlustre en particulier La figure 3, ce moyen de fixation est constitué de préférence par un goujon 40, soudé par étincelage sur la face chaude des structures 32 à protéger de façon à limiter son gradient thermi- que axial. Bien entendu, le diamètre du goujon 40 est dimensionné de façon à assurer sa tenue mécanique. Ce mode de supportage permet à chaque plaque de se dila- ter librement à partir du goujon 40 implanté au centre de celle-ci. Comme on l'a représenté sur les figures 2 et 3, cette fixation des plaques 38 sur les structures 32 peut être doublée d'une structure de supportage de secours permettant de maintenir en place l'une des plaques 38 en cas de rupture de son goujon de fixation 40. Ce dispositif de supportage de secours comporte des plaquettes 42 qui sont fixées, de préférence par soudage, sur l'un des coins de chacune des plaques 38, de façon à recouvrir en partie les plaques adjacentes. Ainsi, grâce à une disposition judicieuse de ces plaquettes, dans le cas préférentiel o l'on uti- lise des plaques 38 de forme sensiblement carrée, trois des coins de chacune de ces plaques sont recou- verts par des plaquettes 42 soudées sur les plaques voisines, de sorte que cette plaque reste en place même dans l'hypothèse de la rupture de son goujon de supportage 40. A titre indicatif et nullement limita- tif, la surface de chacune des plaquettes 42 est sen- siblement dix fois plus faible que celle des plaques de protection 38. Comme l'illustre en particulier la figure 2, l'implantation des plaques modulaires 38 est faite selon des anneaux ou des couronnes, en coordonnées cy- lindriques pour la protection des viroles cylindriques (viroles externes 34b et cheminées 36 des composants) et en coordonnés polaires pour le redan 34a. Compte tenu de la géométrie de ces structures, certaines des plaques 38 qui recouvrent le redan 34a doivent être galbées et certaines des plaques 38 qui recouvrent les viroles 34b et 36 doivent être cintrées. Comme l'illustre en particulier la figure 3, les rayons de courbure des plaques cintrées 38 qui recouvrent les viroles 34b et 36 sont légèrement infé- rieurs à ceux des structures porteuses, afin que les bords correspondants des plaques ne baillent pas et que ces dernières ne puissent pas être sollicitées par les vibrations d'origine hydraulique. Les bords cor- respondants 38a des plaques 38 sont en appui élastique sur la structure porteuse 32 sous l'effet de la com- pression résultant de la fixation de la plaque sur la structure porteuse par le goujon 40. De préférence, Les arêtes des bords 38a en contact avec la structure porteuse 32 sont arrondies pour éviter les effets de coins lors de cyclages thermiques. L'épaisseur des plaques de protection ther- mique 38 est déterminée en fonction du chargement thermique initial, de façon que les contraintes et la tenue mécanique ide l'ensemble de la structure soient admissibles quelles que soient les conditions de fonc- tionnement. Cette épaisseur des plaques, qui peut être caLculée pour chaque partie de la structure interne 32 à protéger, peut être par exemple, selon le niveau des contraintes thermiques, de 5, 10 ou 15 mm pour une épaisseur de la structure interne de 30 mm. De préférence, l'épaisseur maximale des plaques n'excède pas la moitié de l'épaisseur de la structure à protéger. Pour des plaques de 500 mm de côté, le jeu entre les bords adjacents des plaques peut être d'environ 2 mm. Dans le mode de réalisation préféré repré- senté sur les figures 1 et 2, le raccordement des che- minées de passage 36 sur la virole 34a est réalisé par l'intermédiaire d'une onde 44 tournée vers le collec- teur froid 30, de façon à réduire La température moyenne de cette région et à soulager Les contraintes mécaniques qui sont généralement élevées à ce niveau. Afin d'améliorer encore la tenue mécanique de cette région, la cavité formée par l'onde 44 et tournée du côté du collecteur chaud 28 est fermée par les plaques 38 qui assurent la protection thermique du redan 34a, de telle sorte que le métal Liquide qui se trouve dans cette cavité est maintenu dans un état quasi-statique. De plus, les plaques 38 assurant la protection thermique des cheminées 36 se prolongent jusqu'à la partie inférieure de cette cavité. Comme on l'a représenté en 46 sur la figure 1, une tablette de faible largeur (trois à quatre fois l'épaisseur de la virole) peut être soudée sur l'arête supérieure de la virole externe 34b de la cuve inter- ne, afin d'améliorer sa rigidité. Le dispositif de protection thermique des structures internes qui vient d'être décrit permet pour un encombrement minimum et pour une même épais- seur de ces structures internes, de réduire leur tem- pérature moyenne, le gradient thermique dans leur épaisseur, ainsi que le gradient thermique axial pour Les viroles et radial pour le redan durant les pério- des transitoires de fonctionnement du réacteur, en particulier pour les viroles dans la zone de variation du niveau Libre du métal liquide. Enfin la nouvelle conception de la liaison entre le redan 34a et les cheminées 36 permet de réduire les contraintes mécani- ques dans les isthmes du redan entre Les cheminées de composants et dans les liaisons de ces cheminées avec le redan. Toutes ces conditions améliorent sensible- ment la tenue mécanique des structures internes en particulier vis-à-vis des problèmes de stabilité et de 3 fatigue-fluage. Il est à noter que l'invention s'applique quelle que soit la forme des structures internes. En particulier, la protection thermique selon l'inven- tion peut être utilisée aussi bien dans le cas d'une cuve interne à redan comme on vient de le décrire, que dans Le cas d'une cuve interne cylindrique ou de toute autre forme. De ce point de vue, l'invention n'est pas limitée à un réacteur de type intégré et s'applique également à un réacteur de type "à boucles", dans Lequel les échangeurs et, éventuellement, les pompes, sont placés hors de la cuve principale. REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par un métal liquide, comprenant une cuve (10) remplie de métal Liquide et contenant le coeur (14) du réacteur, au moins un échangeur de chaleur (16), au moins une pompe (18) pour faire circuler le métal liquide (20) entre le coeur (14) et l'échangeur (16), et des structures internes (32) à la cuve (10) pour séparer à l'intérieur de celle-ci une partie re- lativement chaude (28) du métal liquide sortant du coeur (14) d'une partie relativement froide (30) du métal liquide sortant de l'échangeur (16), lesdites structures internes (32) étant recouvertes au moins partiellement, sur leur face en contact avec le métal liquide relativement chaud par un dispositif de pro- tection thermique, caractérisé en ce que ce dispositif de protection thermique comprend des plaques modulai- res (38) en un matériau homogène identique à celui de la structure à protéger, disposées côte à côte avec un certain jeu entre elles et épousant approximativement la forme des structures internes (32). 2. Réacteur selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que chaque plaque (38) est fixée sur la structure interne (32) par un moyen de fixation (40) placé à proximité du centre géométrique de ladite plaque (38). 3. Réacteur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ledit moyen de fixation est un goujon (40) soudé sur la face adjacente chaude des structures internes (32). 4. Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications I à 3, caractérisé en ce que les plaques (38) sont disposées en couronnes, les plaques d'une même couronne ayant la même épaisseur et les plaques 257U838 appartenant à des couronnes différentes ayant des épaisseurs différentes. 5. Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur des plaques (38) est au maximum égale à la moitié de l'épaisseur de la structure (32) à protéger. 6. Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications I à 5, caractérisé en ce qu'une plaquette (42) est soudée sur l'un des coins de chaque plaque (38) de telle sorte que cette plaquette (42) recouvre en partie les plaques adjacentes. 7. Réacteur selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, et dont les structures internes (32) comportent un redan (34a) traversé par la pompe (18) et par l'écangeur (16), et des cheminées (36) de passage de ces derniers soudées sur le redan (34a), chaque cheminée (36) comportant une onde (44) tournée vers La partie relativement froide (30) du métal Li- quide par laquelle Ladite cheminée (36) est soudée sur le redan (34a), caractérisé en ce que l'onde (44) de chaque cheminée (36) forme du côté de la partie rela- tivement chaude (28) une cavité dans laquelle pénè- trent les plaques modulaires (38) fixées sur ladite cheminée (36), les plaques modulaires (38) fixées sur le redan (34a) fermant ladite cavité.