Brevet FR2584227A1 — publié le 19870102

L'invention concerne un dispositif de condensation de vapeur d'eau sous une pression sensi- blement supérieure à la pression atmosphérique, telle que la vapeur d'eau produite par un générateur de va- peur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, pen- dant son refroidissement après un incident. On connait des dispositifs permettant le re- froidissement d'un réacteur nucléaire à eau sous pres- sion après son arrêt consécutivement à un accident. De tels dispositifs comportent, associé à chacune des boucles du circuit primaire du réacteur, un circuit auxiliaire d'alimentation du générateur de vapeur cor- respondant. Sur ce circuit auxiliaire est disposé un condenseur relié à la sortie de vapeur du générateur d'une part et à l'entrée d'eau d'alimentation dans ce générateur de vapeur d'autre part. Lorsque le circuit auxiliaire est en fonctionnement, le condenseur reçoit la vapeur du générateur et en assure la condensation. Le condenseur du circuit auxiliaire peut être disposé a un niveau supérieur au niveau tassé de l'eau conte- nue dans le générateur de vapeur, si bien que le condensat peut être renvoyé par circulation gravitai- re, dans le générateur de vapeur. La vapeur sortant du générateur pendant le refroidissement du réacteur est à une température et à une pression élevées, variables au cours du refroidis- sement. Cette température et cette pression sont de - 300'C et 86.10 Pa, respectivement, au début du re- froidissement et de 160'C et 5,8.10 Pa, à la fin du refroidissement, juste avant la mise en service du circuit de refroidissement à l'arrêt du réacteur. Pour le refroidissement d une telle vapeur à haute tempéra- ture et à haute pression, avec recirculation du condensat, les condenseurs connus et utilisés, par exemple à la sortie des étages de turbine des centra- les de production d'électricité ne sont pas adaptés, et on a proposé d'autres dispositifs tels que par exemple des condenseurs immergés dans une réserve d'eau de volume important. Les condenseurs sont cons- titués sous forme d'un ensemble de distribution et d'échange comportant un ensemble de tubes dans les- quels circule la vapeur. Le refroidissement et la condensation de cette vapeur sont réalisés grâce au refroidissement des tubes plongés dans la réserve d'eau. Cette réserve est constituée par une ou plu- sieurs piscines ménagées dans la structure d'un bâti- ment attenant a l'enceinte de sécurité du réacteur, à un niveau situé au-dessus des générateurs de vapeur. Cette disposition complique considérablement la conception des bâtiments de la centrale nucléaire et, pour certains types de centrales, il n'est même pas possible de concevoir l'implantation de telles piscines en altitude. D'autre part, les échanges entre la paroi des tubes et la masse d'eau dans laquelle ces tubes sont plongés ne s'effectuent pas toujours dans des conditions favorables, bien qu'une ébullition locali- sée de la masse d'eau au contact des tubes favorise ces échanges, grâce à la circulation de la vapeur for- mee. Enfin, la régulation du fonctionnement des condenseurs immergés dans des piscines de volume im- portant est difficile à réaliser. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de condensation de vapeur d'eau sous une pression sensiblement supérieure à la pression atmos- phérique, par refroidissement de cette vapeur en cir- 258422? culation en contact avec une paroi d'échange thermique refroidie par de l'eau, dispositif qui puisse être fa- cilement installé dans une centrale nucléaire pour as- surer le refroidissement passif du réacteur, qui ait un très bon rendement grâce à des échanges thermiques efficaces et qui ne nécessitent qu'une quantité limi- tée d'eau de refroidissement dans l'équipement lui- même. Dans ce but, le dispositif de condensation suivant l'invention est constitué par un ensemble réa- lisé sous forme mécano-soudée comportant: - un réservoir contenant de l'eau relié à une cheminée d'évacuation de vapeur à sa partie supérieure, - un ensemble de distribution et d'Achange fixé à l'intérieur du réservoir et comportant un collecteur d'arrivée de vapeur, un collecteur d'évacuation de condensat et un ensemble de tubes d'échange sensible- ment verticaux reliés à leurs extrémités supérieures au collecteur d'arrivée de vapeur et à leurs extrémi- tés inférieures au collecteur d'évacuation de conden- sat dans lesquels la vapeur et le condensat circulent en continu, - un moyen de fourniture d'eau au réservoir pour rem- placer l'eau de ce réservoir vaporisée au contact des tubes, le fluide au contact de la surface externe des tubes, pendant la circulation de la vapeur, étant constitué par un mélange biphasique d'eau et de la vapeur pro- duite par la chaleur de condensation de la vapeur sous pression transmise par la paroi des tubes d'échange à l'eau du réservoir et par échange de chaleur avec le condensat. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limi- tatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un dispositif de condensation suivant l'invention. La Fig. 1 est une vue en coupe par un plan vertical, suivant AA de la Fig. 2, d'un dispositif de condensation suivant l'invention. La Fig. 2 est une vue en plan suivant BB de la Fig. 1. La Fig. 3 est une vue en coupe et en éléva- tion suivant CC de la Fig. 1. La Fig. 4 est une vue en élévation d'un élé-- ment de l'ensemble de distribution et d'échange du dispositif de condensation. La Fig. 5 est une vue en coupe suivant VV de la Fig. 4. Sur la Fig. 1, on voit une plateforme 1 fai- sant partie de la structure d'un bâtiment de la cen- trale attenant à l'enceinte de sécurité du réacteur. La plateforme 1 est à un niveau supérieur au généra- teur de vapeur. Le dispositif de condensation suivant l'in- vention désigné de façon générale par le repère 2 repose sur la plateforme 1 par l'intermédiaire de sup- ports 3 faisant partie de la structure résistante du dispositif 2, cette structure résistante comportant un ensemble de poutrelles 5 placées verticalement, soli- daires de la paroi externe 6 du réservoir dont elles assurent la tenue mécanique et la rigidité. Le réser- voir 6 de forme parallélipipèdique comporte un fond 6a en tôle épaisse soudée sur les parois latérales rigi- difiées par les poutrelles 5 et un couvercle amovible 6b reposant sur la partie supérieure du réservoir et comportant une cheminée 7 d'évacuation de vapeur. Des sécheurs 8 sont disposés à l'intérieur de la cheminée 7 pour éviter l'entrainement de gouttelettes d'eau par la vapeur sortant du réservoir 6. Comme il est visible sur la Fig. 3, le couvercle 6b a une structure compor- tant des éléments de rigidification. La structure intérieure du réservoir 6 est visible sur les Fig. 1, 2 et 3. Cette structure inté- rieure comporte une paroi interne 10 fixée sur la sur- face interne du réservoir 6 grâce à des entretoises 12, une grille de tranquillisation 13 sensiblement ho- rizontale et reposant sur les entretoises 12 et un plancher support 14 reposant sur le fond 6b et suppor- tant l'ensemble 15 de distribution et d'échange immer- gé dans l'eau du réservoir dont le niveau supérieur 16 correspond sensiblement au plan de la grille de tran- quillisation 13. L'ensemble 15 repose sur le plancher 14 par l'intermédiaire de la partie inférieure 18a d'un ber- ceau 18 comportant également une partie supérieure 18b et des montants latéraux 18c assurant l'assemblage des parties 18a et 18b. L'ensemble de distribution et d'échange com- portent sept éléments identiques 19 disposés parallè- lement les aux autres à l'intérieur du berceau 18. Comme il est visible sur les Fig. 4 et 5, chacun des éléments 19 comporte un collecteur supé- rieur 20 d'arrivée de la vapeur, un collecteur infe- rieur 22 d'évacuation du condensat et un ensemble de tubes 24 disposés suivant trois rangées parallèles entre les collecteurs 20 et 22. Les tubes 24 sont sen- siblement verticaux et reliés par leur partie supé- rieure au collecteur de vapeur 20 et à leur partie in- férieure au collecteur de condensat 22. Les collecteurs 20 rectilignes sont disposés les uns à la suite des autres, avec leurs axes paral- leles en appui sur la partie supérieure 18b du berceau 18. De la même façon, les collecteurs 22 sont disposés à axes parallèles, les uns à la suite des autres, sur la partie inférieure d'appui 18a du berceau 18 et maintenus sur ce berceau par des brides 17. Chacun des collecteurs de vapeur 20 est re- lié à une conduite d alimentation calorifugée 21, les conduites 21 étant reliées à leur autre extrémité, à une conduite de distribution de vapeur 23 placée hori- zontalement à la partie inférieure de l'ensemble 15 et elle-même reliée à une canalisation 35 traversant le fond 6a du réservoir 6 de façon étanche grâce à un joint à soufflet 25 absorbant d'autre part les dilata- tions différentielles entre la conduite 35 recevant la vapeur à haute pression et la paroi du réservoir 6. De la même façon. chacun des collecteurs 22 est relié à une conduite d'évacuation de condensat 26; les conduites 26 sont reliées à un collecteur de condensat 27 horizontal disposé à la partie inférieure de l'ensemble 15 et relié à une canalisation 28 d'éva- cuation du condensat traversant le fond 6a du réser- voir de façon étanche. Les collecteurs 23 et 27 sont fixés sur des berceaux reposant sur le plancher de support 14 à l'intérieur du réservoir 6. L'ensemble du dispositif 15 est fixé à l'in- térieur du réservoir 6 avec lequel il constitue un en- semble modulaire. Cet ensemble peut être mis en posi- tion sur une plateforme 1 d'un bâtiment adjacent à l'enceinte de sécurité du réacteur, à un niveau supé- rieur au niveau tassé de l'eau contenue dans les géné- rateurs de vapeur. Les canalisations 35 et 28 d'entrée de la vapeur et de sortie du condensat, respective- ment, sont alors reliées à une canalisation recevant la vapeur en sortie d'un générateur de vapeur et avec une canalisation d'alimentation de ce générateur de vapeur, respectivement. D'autre part, le berceau 18 supportant l'en- semble 15 est également solidaire d'anneaux de manu- tention 29 permettant, grâce à un engin de levage, de soulever et de séparer cet ensemble 15 du réservoir, le couvercle 6b et la grille 13 ayant été enlevés et les connections des canalisations 35 et 28 démontées. On peut ainsi réaliser la mise en place, la réparation et l'entretien du dispositif de condensation 2 sans aucune difficulté. Une conduite 30 d'alimentation ern eau de re- froidissement débouche à la partie inférieure du ré- servoir 6, cette conduite étant reliée à un circuit ou à tout autre moyen de fourniture d'eau de refroidisse- ment 31. Cette conduite 30 pourrait également débou- cher dans le réservoir 6 en tout autre point situé à un niveau inférieur au niveau de la grille de tran- quillisation 13. En particulier, ce circuit 31 peut être réa- lisé sous une forme entièrement passive comme décrit dans une demande de brevet déposée par la Société FRAMATOME le même jour que la présente demande de bre- vet. Un tel circuit passif comporte une bâche d'ali- mentation contenant de l'eau surmontée par un gaz sous pression. Une soupape d'admission de gaz au-dessus de l'eau d'alimentation pilotée par la pression de l'eau de refroidissement dans le réservoir 6 permet de four- nir de l'eau d'appoint dans ce réservoir pour mainte- nir un niveau constant, par exemple pour maintenir ce niveau dans sa position 16 représentée sur la Fig. 1. Le fond 6a du réservoir 6 est traversé par une conduite de vidange 32 qui permet de vider entié- rement le réservoir ou d'effectuer un traitement chi- mique de l'eau de ce réservoir, de façon discontinue ou continue, l'eau traitée étant réinjectée par le circuit 31 et la canalisation 30. Le circuit 31 peut être remplacé par une simple pompe d'injection comman- dée par un capteur de niveau de l'eau dans le réser- voir 6. Le fonctionnement du dispositif est le sui- vant: après l'arrêt d'urgence du réacteur consécutif à l'accident, la vapeur du générateur de vapeur auquel est associé le condenseur 2 est envoyée dans la cana- lisation 35 grâce à des vannes prévues sur le circuit auxiliaire d'alimentation du générateur de vapeur. La vapeur est distribuée par le collecteur 23 et les ca- nalisations 21 aux différents collecteurs 20 des uni- tés 19. Le calorifugeage des conduites 21 par un ca- lorifuge métallique permet d'éviter la condensation de la vapeur avant qu'elle ne pénètre dans les collec- teurs 20 et donc d'éviter que, pendant le fonctionne- ment en puissance du réacteur, la quantité d'eau en- trainée par la vapeur vers la turbine ne soit accrue. La vapeur est ensuite distribuée dans les tubes 24 o elle se condense, par échange de chaleur à travers la paroi des tubes. Le condensât 34 ruisselle le long des tubes et se rassemble dans la partie inférieure de ces tubes 24 puis dans les collecteurs 22, avant d'être remis en circulation dans le circuit d'alimentation du générateur de vapeur par la canalisation 28. L'eau contenue dans le réservoir 6 jusqu'au niveau 16 dans laquelle les tubes 24 sont immergés est en ébullition au contact de la paroi des tubes, la vapeur étant en- trainée vers le haut et traversant l'eau de refroidis- sement jusqu'au moment o elle traverse la grille de tranquillisation qui permet de limiter l'entraînement d'eau par la vapeur et de renvoyer cette eau à la base de l'élément d'échange 15. par une circulation descen- dante dans l'espace 11 ménagé entre la paroi interne et la paroi latérale du réservoir 6. L'eau venant à la partie inférieure de l'ensemble d'échange 15 com- mence à former de la vapeur, ce qui diminue la densité du fluide en contact avec la paroi externe des tubes 24, ce fluide étant constitué par un mélange de vapeur et d eau. Ce fluide remonte donc rapidement le long des tubes dont il assure le refroidissement et, par là même, la condensation de la vapeur sous pression cir- culant dans ces tubes. Il se produit donc une circula- tion continue de fluide de refroidissement le long des tubes 24, de bas en haut, avec retour du fluide débar- rassé de sa vapeur par la partie périphérique du ré- servoir 6. La circulation et le renouvellement du fluide de refroidissement sont d'autant plus rapides que la quantité d'eau dans le réservoir 6 est relati- vement faible par rapport au volume de l'ensemble de refroidissement par échange thermique 15 et très fai- ble par rapport au volume des piscines de refroidis- sement des éléments de condensation suivant l'art an- térieur. La vapeur formée au contact des tubes 24 et séparée du fluide en circulation rapide dans le réser- voir est extraite du réservoir 6 par la cheminée 7, les secheurs 8 permettant de renvoyer dans le réser- voir 6 les gouttelettes d'eau encore contenues dans cette vapeur. L'eau envoyée sous forme de vapeur, à l'atmosphère, par la cheminée 7 est remplacée dans le réservoir 6 par de l'eau d'appoint, grâce au moyen de fourniture d'eau 30. On peut prévoir un débit de re- nouvellement de l'eau dans le réservoir 6 relativement élevé, ce qui favorise une circulation rapide et un refroidissement intense au contact des tubes 24. La puissance de refroidissement de -l'ensem- ble d'échange 15 peut être régulée en réglant le débit d'alimentation du générateur de vapeur par le conden- 1 0 sat en sortie de cet élément d'échange 15. Les varia- tions de ce débit permettent de faire varier le niveau du condensat 34 dans les tubes 24. La puissance de re- froidissement de l'ensemble d'échange 15 est pratique- ment proportionnelle à la longueur des tubes vide de condensat, dans laquelle se produit la condensation. Cette longueur des tubes vide de condensat peut être réglée grâce à un moyen de réglage du débit d'alimen- tation du générateur de vapeur en condensat. Un dis- positif de réglage passif répondant à ce principe a été décrit dans la demande de brevet de la Société FRAMATOME déposée le même jour que la présente demande et relatif à un dispositif de refroidissement d'un ré- acteur nucléaire après un accident. Il est à noter que la position de l'interface de séparation entre la va- peur et le condensat 34 dans les tubes 24 dépend non seulement du débit de condensat dans le circuit d'ali- mentation du générateur de vapeur mais encore des ca- ractéristiques thermodynamiques de la vapeur envoyée dans le condenseur 2. Les principaux avantages du dispositif sui- vant l'invention sont de permettre une installation facilitée de ce dispositif, grâce à son volume réduit et une très grande efficacité de refroidissement et de condensation de la vapeur, grâce à une circulation ra- pide du fluide de refroidissement au contact des tu- bes. De plus, ce dispositif de condensation permet un excellent contrôle de la puissance évacuée puisque la production de bulles de vapeur au contact des tubes augmente lorsque la puissance apportée par la vapeur augmente et que de ce fait la densité du fluide au contact des tubes diminue. L'écart de densité entre ce fluide et l'eau circulant de haut en bas dans l'espace 11 augmente, ce qui augmente la force motrice assurant la circulation du fluide de refroidissement et donc le débit de ce fluide. L'invention ne se limite pas au mode de réa- lisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut imaginer de réaliser l'ensemble de distribution et d'échange sous une forme différente, avec un nombre d'éléments d'échange et un nombre de rangées de tubes dans chacun de ces éléments d'échange différents de ce qui a été indiqué dans la description ci-dessus. Les tubes peuvent être plus ou moins inclinés à l'intérieur du réservoir. De la même façon, le réservoir peut avoir une forme différente. Le moyen de fourniture d'eau à ce réservoir pour son réapprovisionnement peut être réalisé aussi bien par un circuit passif que par un ensemble régulé comportant des éléments actifs tels que des pompes. Enfin, le dispositif de condensation suivant l'invention peut être utilisé non seulement dans un circuit auxiliaire d'alimentation d'un générateur de vapeur constituant un dispositif de refroidissement de secours d'un réacteur nucléaire mais également dans tout les cas o il est nécessaire de condenser une vapeur a une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de condensation de vapeur d'eau sous une pression sensiblement supérieure à la pression atmosphérique par refroidissement de cette vapeur en circulation en contact avec une paroi d'é- change thermique refroidie par de l'eau, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un ensemble réa- lisé sous forme mécano-soudée comportant: - un réservoir (6) contenant de l'eau relié à une che- minée (7) d'évacuation de vapeur à sa partie supérieu- re, - un ensemble de distribution et d'échange thermique (15) fixé à l'intérieur du réservoir (6) et comportant un collecteur d'arrivée de vapeur (20), un collecteur d'évacuation de condensat (22) et un ensemble de tubes d'échange (24) sensiblement verticaux reliés à leur extrémité supérieure au collecteur d'arrivée de vapeur (20) et à leur extrémité inférieure au collecteur d'é- vacuation de condensat (22) dans lesquels la vapeur et le condensat circulent en continu, - un moyen (30, 31) de fourniture d'eau au réservoir pour remplacer 1'eau de ce réservoir vaporisée au contact des tubes (24), le fluide au contact de la surface externe des tubes (24) étant constitué, pendant la circulation de la va- peur sous pression, par un mélange biphasique d'eau et de la vapeur produite par la chaleur de condensation de la vapeur sous pression transmise par la paroi des' tubes d'échange (24) à l'eau du réservoir (6) et par échange de chaleur avec le condensat (34). 2.- Dispositif de condensation suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ensem- ble de distribution et d'échange thermique (15) est constitué par une pluralité d'éléments (19) comportant chacun un collecteur supérieur (20) et un collecteur inférieur (22) tubulaires, rectilignes et parallèles et plusieurs rangées parallèles de tubes (24) disposés entre les collecteurs (20) et (22), les éléments (19) étant disposés côte à côte et parallèles les uns aux autres, dans un berceau de support commun (18). 3.- Dispositif de condensation suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le ber- ceau (18) repose sur le fond (6a) du réservoir et com- porte des anneaux de levage (29) à sa partie supérieu- re. 4.- Dispositif de condensation suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait qu'il comporte une grille de tranquillisa- tion (13) au-dessus de l'élément d'échange (15), pour faciliter la séparation de l'eau de refroidissement et de la vapeur formée dans cette eau. 5.- Dispositif de condensation suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractéri- se par le fait que le réservoir (6) comporte une paroi interne (10) sur une partie de sa hauteur limitant un espace (11) pour la circulation de l'eau de refroidis- sement de haut en bas et son retour à la partie infé- rieure de l'élément d'échange (15), entre la paroi (10) et la surface interne du réservoir (6). 6.- Dispositif de condensation suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 et 5, carac- térisé par le fait que le moyen de fourniture d'eau au réservoir est constitué par un circuit passif (30, 31) comportant une réserve d'eau surmontée par un gaz sous pression et une réserve de gaz sous pression communi- quant avec le gaz surmontant l'eau du réservoir, par l'intermédiaire d'une soupape pilotée par la pression de l'eau dans le fond du réservoir (6). 7.- Dispositif de condensation suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, ca- ractérisé par le fait que la cheminée (7) du réservoir (6) renferme des moyens sécheurs (8) limitant l'en- trainement de gouttelettes d'éau par la vapeur sortant par la cheminée (7). 8.- Application d'un disposition de conden- sation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la condensation de vapeur produite par un généra- teur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression, après son arrêt d'urgence consécutif à un accident, le dispositif de condensation de vapeur étant placé dans un circuit auxiliaire d'alimentation du générateur de vapeur.