Brevet FR2579903A1 — publié le 19861010

L'invention concerne un dispositif de col- lectage et de détection d'hydrogène non dissous dans une substance liquide en circulation dans une enve- loppe, substance dont la réactivité chimique est forte vis-à-vis des composés renfermant de l'hydrogène. Les réacteurs nucléaires à neutrons rapides utilisent généralement un métal liquide tel que le so- dium, à la fois comme fluide caloporteur pour refroi- dir le coeur et comme fluide d'échange intermédiaire pour apporter la chaleur prélevée dans le réacteur à l'eau d'alimentation des générateurs de vapeur, pour permettre son échauffement et sa vaporisation. En cas de fuite à travers la paroi d'échange du générateur de vapeur, de l'eau peut venir en contact avec le sodium liquide qui possède une très forte réactivité chimique vis-à-vis de l'eau. Il se produit une réaction entre l'eau et le sodium qui conduit à un dégagement d'hy- drogène. Si la fuite est faible, il n'y a pas satura- tion du sodium par l'hydrogène qui reste sous forme dissoute dans le sodium en circulation à l'intérieur du générateur de vapeur. En revanche, si la fuite est plus importante, la réaction entre le sodium et l'eau conduit à une formation abondante d'hydrogène qui se présente alors sous-forme de bulles gazeuses entrai- nées par le sodium en circulation. Il est extrêmement important de détecter très rapidement les fuites dans les générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à neutrons rapides, pour éviter une évolution pouvant conduire à une détérioration ou à une destruction du générateur de vapeur et du circuit de sodium liquide. Les générateurs de vapeur utilisant le so- dium liquide comme fluide d'échange comportent donc des dispositifs de détection d'hydrogène, soit par prélèvement de sodium et analyse de ces prélèvements, soit par recueil direct du gaz entrainé par le sodium. En particulier, dans le cas de générateurs de vapeur comportant un ou plusieurs niveaux libres, le sodium étant surmonté par un gaz de couverture inerte tel que l'argon dans certaines parties du générateur de va- peur, on peut détecter facilement l'hydrogène dans ce gaz de couverture. La méthode de détection par prélèvement de sodium et analyse des prélèvements a un temps de ré- ponse relativement long, ce qui ne permet pas toujours d'assurer la détection dans les conditions suffisante3 de rapidité. Dans le cas o on détecte l'hydrogène dans le gaz de couverture du générateur de vapeur, la dilu- tion de l'hydrogène est très forte en raison du volume important du gaz neutre de couverture surmontant le sodium liquide. La méthode manque donc de sensibilité. De plus, comme la circulation du sodium liquide dans le générateur de vapeur a lieu de haut en bas, les bulles d'hydrogène ont tendance à être entrainées par le sodium, dans la direction opposée à celle du niveau libre du sodium qui est à la partie supérieure du gé- nérateur de vapeur. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de collectage et de détection d'hydrogè- ne non dissous dans une substance liquide en circula- tion dans une enveloppe, substance dont la réactivité chimique est forte vis-à-vis des composés renfermant de l'hydrogène, ce dispositif permettant d'effectuer une détection rapide et avec une très grande sensibi- lité, de l'hydrogène transporté par le liquide réactif en circulation et donc de détecter très rapidement après son apparition, une réaction accidentelle entre la substance liquide réactive et un composé renfermant de l'hydrogène. Dans ce but, le dispositif comporte: - un réservoir dont le volume est faible par rapport au volume de l'enveloppe, en communication directe avec le volume intérieur de l'enveloppe et renfermant un gaz non réactif vis-à-vis de la substance liquide sous une pression suffisante pour créer un interface permanent entre le gaz et la substance liquide dans le réservoir, - et un moyen connu en soi de détection de l'hydrogène fixé sur le réservoir et ayant une partie en communi- cation avec le gaz inerte contenu dans le réservoir dans lequel se rassemble l'hydrogène. Selon un mode de réalisation préférentiel, le dispositif comporte en outre un moyen de piégeage interposé sur la circulation du fluide, à l'intérieur de l'enveloppe, au voisinage de la zone de jonction entre l'enveloppe et le réservoir, pour perturber l'é- coulement du liquide au niveau de cette zone de jonc- tion et favoriser la propagation de l'hydrogène non dissous vers le réservoir. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limi- tatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'un dispositif selon l'invention appliqué à la détection de bulles d'hydro- gène dans le circuit de sodium d'un générateur de va- peur associé à un réacteur nucléaire à neutrons rapi- des. Dans ces figures: - la Fig. 1 est une vue schématique partiel- le, en perspective, du circuit de sodium du générateur de vapeur; - la Fig. 2 est une vue en coupe par un plan vertical d'un dispositif de collectage et de détection d'hydrogène non dissous dans le circuit de sodium du générateur de vapeur - la Fig. 2a est une vue suivant A de la Fig. 1; - la Fig. 3 est une vue en coupe par un plan vertical d'une variante de réalisation du dispositif de collectage et de détection d'hydrogène; - la Fig. 3a est une vue en coupe suivant II de la Fig. 3. - la Fig. 4 est une vue en coupe par un plan vertical d'un dispositif de collectage et de détection d'hydrogène non dissous dans le circuit de sodium du générateur de vapeur, selon une seconde variante de réalisation. Sur la Fig. 1, on voit un générateur de va- peur 1 d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. dans l'enveloppe duquel pénètre, à sa partie supérieu- re. du sodium liquide chaud par des tuyauteries 2 et 4. Les tuyauteries 2 et 4 sont reliées aux sorties de sodium secondaire de deux échangeurs de chaleur inter- médiaires plongeant dans la cuve du réacteur nucléai- re. Le sodium primaire remplissant la cuve et venant en contact avec les assemblages combustibles du coeur du réacteur échauffe le sodium secondaire à l'inté- rieur des échangeurs de chaleur intermédiaires. Le so- dium secondaire chaud mis en circulation par une pompe -pénètre dans le générateur de vapeur 1 puis s'écoule dans ce générateur de vapeur de haut en bas, en contact avec un faisceau de tubes dans lesquels circu- le l'eau d'alimentation qui est ainsi échauffée puis vaporisée. Le sodium secondaire est lui-même refroidi et ressort du générateur de vapeur 1 par une tuyaute- rie 5 placée à la partie inférieure et au centre du générateur de vapeur. La tuyauterie 5 est elle-même reliée à la pompe de circulation du sodium secondaire qui renvoie le sodium refroidi dans la partie d'entrée des échangeurs de chaleur intermédiaires. On voit également sur la Fig. 1 deux réser- voirs de stockage 6 du sodium liquide secondaire dont l'un est relié par des canalisations comportant des vannes de fermeture aux tuyauteries 2 et 4 et dont l'autre est relié à la tuyauterie 5, en particulier par une conduite 7 de vidange rapide du sodium. Un dispositif 8 de séparation de l'hydrogène contenu dans le sodium est associé à ce réservoir 6. L'hydrogène séparé par le dispositif 8 est évacué par une cheminée 9. A l'intérieur du générateur de vapeur 1, le sodium est séparé de l'eau d'alimentation par la paroi des tubes du faisceau. Ces tubes sont obtenus par des opérations d'élaboration extrêmement soignées accompa- gnées de contrôles sévères. Cependant, il peut arriver que certains des tubes présentent de très petites fis- sures ou des amorces de fissure. Les contraintes ther- miques ou mécaniques subies par ces tubes en service de même que la corrosion peuvent également mettre en cause l'intégrité de leur paroi. La pression de l'eau ou de la vapeur dans les tubes étant plus forte que la pression du sodium, l'apparition d'une fissure se tra- duit par une introduction d'eau ou de vapeur dans le sodium et donc par une production d'une certaine quan- tité d'hydrogène. Très rapidement, cet hydrogène se trouve sous forme de bulles transportées par le sodium dans le générateur de vapeur puis dans la canalisation 5 reliée à sa partie inférieure de sortie. Il importe alors de détecter très rapidement l'apparition de la fuite se traduisant par la présence d'hydrogène dans le sodium, pour éviter que des quantités importantes d'eau ou de vapeur ne passent dans le sodium et soient la cause d'une réaction très vive et de grande ampleur pouvant s'accompagner de destructions locales ou par- tielles des composants du circuit de sodium secondai- re. Lorsqu'une fuite est détectée on peut rapidement isoler le générateur de vapeur et vidanger le sodium qu'il contient grâce à la conduite de vidange rapide 7 et au réservoir de stockage 6 correspondant. L'hydro- gene contenu dans le sodium est ensuite séparé par le dispositif 8 et la cheminée 9. Le tube défectueux du faisceau du générateur de vapeur peut être soit isolé soit réparé. Pour effectuer une détection rapide et effi- cace de l'hydrogène. on place un dispositif 10 de col- lectage et de détection d'hydrogène suivant l'inven- tion, sur une partie horizontale 5b de la canalisation située en aval du coude 5a suivant la partie verti- cale de sortie du sodium en-dessous de l'enveloppe du générateur de vapeur. De préférence, le dispositif 10 est placé sur la partie 5b de la canalisation 5, au voisinage de l'aval du coude 5a. En se reportant à la Fig.'2, on voit le dis- positif de collectage et de détection désigné de façon générale par le repère 10 qui comporte un réservoir cylindrique 11 à axe vertical, un ensemble de détec- tion et de balayage 12 et un dispositif de piégeage de l'hydrogène 14. Le réservoir 11 est en communication directe avec le volume intérieur de la partie 5b de la canalisation 5; ce réservoir est constitué par une enveloppe métallique 11b soudée sur un piquage 11a prévu sur la canalisation 5b. Le volume du réservoir 11 est extrêmement faible par rapport au volume du circuit secondaire ou par rapport au volume intérieur du générateur de vapeur 1. C'est ainsi que pour un circuit secondaire renfermant plusieurs centaines de mètres cubes de sodium, et pour une canalisation se- condaire 5 dont le diamètre est voisin de 1 mètre, on utilisera un détecteur 10 dont le volume intérieur du - 33 réservoir 11 est de l'ordre de 5.103 m La partie du réservoir 11 opposée à sa sec- tion d'entrée en communication avec la canalisation 5 est prolongée par une partie tubulaire 13 qui porte l'ensemble du dispositif de mesure et de balayage de l'hydrogène. Une conduite 15 reliée à un réservoir d'argon non représenté, avec interposition d'une vanne 16, est reliée à la partie supérieure du tube 13 qui est fermée par un bouchon 18 traversé par un tube de prélèvement 20 constituant la partie inférieure du dé- tecteur d'hydrogène 19. Le dispositif de piégeage d'hydrogène 14 est constitué par un ensemble de lames parallèles 17 dont le profil est visible sur la Fig. 2. Ces lames sont fixées sur le réservoir 11 à leur partie supérieure et comportent une partie inclinée s'étendant dans le vo- lume intérieur de la canalisation 5, en partie au ni- veau du réservoir 11 et en partie en amont de ce ré- servoir si l'on considère la circulation du métal li- quide dans la canalisation 5 (flèche 23). Les lames sont disposées côte à côte avec un faible espacement, de façon à constituer une grille interposée sur la circulation du sodium liquide dans la canalisation 5, comme il est visible sur les Fig. 2 et 2a. Pour la mise en service du dispositif de collectage et de détection 10, on introduit dans le tube 13 et le réservoir 11, grâce à la canalisation 15 dont la vanne 16 est ouverte, une certaine quantité d'argon. Le tube 20 du détecteur d'hydrogène est cons- titué par exemple par une membrane de faible épaisseur à travers laquelle l'argon ne peut diffuser. Lors du remplissage du circuit secondaire en sodium et pendant la circulation de ce sodium dans la canalisation 5 suivant, le sens 23, il s'établit à l'intérieur du réservoir 11, un interface 26 entre l'argon et le sodium liquide, l'argon s'étant mis en pression de façon à équilibrer la pression du sodium. La partie 20 du détecteur d'hydrogène mettant en communication ce détecteur 19 avec le volume intérieur du réservoir 11 est à l'intérieur de l'argon de couverture au-dessus du niveau 26. la quantité e.t la pression d'argon étant suffisantes pour maintenir le niveau 26 toujours en-dessous du tube 20. Lorsque le sodium en circulation dans la canalisation 5 renferme des bulles d'hydrogène 28 à la suite d'une introduction d'eau ou de vapeur dans le sodium liquide à l'intérieur du générateur de vapeur, ces bulles 28 sont arrêtées par le dispositif de piè- geage 14 en forme de grille, l'espacement des lames 17 de la grille étant suffisamment faible pour que la ma- jeure partie des bulles d'hydrogène en circulation avec le sodium liquide soit arrêtée par la grille. Cette grille assure également, comme il est visible sur la Fig. 2, le guidage des bulles d'hydrogène 28 jusqu'au niveau libre 26 o ces bulles viennent se diluer dans l'argon de couverture. La face de la membrane 20 est en communica- tion avec un ensemble de pompage et de mesure 29 dans lequel est créé un vide poussé. L'ensemble 29 et la seconde face de la membrane 20 peuvent être reliés à un système de prévidage du circuit non représenté par ouverture d'une vanne 30. L'hydrogène contenu dans l'argon de couver- ture dans lequel plonge le tube 20 diffuse à travers la membrane 20 puis est dirigé vers la chambre de m- 9g sure sous très faible pression 29 à l'intérieur de la- quelle on détecte l'hydrogène soit par l'information donnée par le dispositif de pompage qui peut être une pompe ionique soit par spectrométrie de masse. Des baffles thermiques 24 permettent de maintenir la membrane 20 à température constante. La méthode de détection est extrêmement ra- pide et sensible, puisque l'hydrogène est entraîné par le sodium liquide circulant à grande vitesse pour être capté par le dispositif dé collectage et de détection de faible volume et situé à une faible distance de la sortie du générateur de vapeur. De plus, le dispositif 10 est placé en aval du coude 5a au niveau duquel l'hydrogène se rassemble, comme résultat de l'effet centrifuge dans le courant de sodium, à la partie supérieure de la canalisation 5. Les bulles d'hydrogène 28 sont ainsi plus rapide- ment captées et transmises à la partie supérieure du réservoir 11 dans laquelle la teneur en hydrogène du faible volume d'argon passe très rapidement à des va- leurs relativement élevées même dans- le cas d'une faible fuite d'eau ou de vapeur dans le générateur de vapeur 1. On peut ainsi isoler le générateur de vapeur très rapidement après l'apparition d'une fuite, avant que la fissure à l'origine de la fuite n'ait eu le temps de s'élargir et avant qu'une quantité notable d'eau ou de vapeur soit introduite dans le sodium se- condaire. Sur les Fig. 3 et 3a, on voit une variante de réalisation du dispositif 10, les parties identi- ques des dispositifs représentés sur les Fig. 2 et 3 portant les mêmes repères. Le dispositif 10 selon la variante représentée aux Fig. 3 et 3a ne diffère du dispositif précédent que par la réalisation du moyen de piégeage des bulles d'hydrogène au niveau du ré- servoir 11. Ce dispositif de piégeage est constitué par une barre profilée à section triangulaire 17' visible sur la Fig. 3a fixée à la partie inférieure et dans le prolongement d'un tube de support 31 fixé à sa partie supérieure au réservoir 11. La section droite triangulaire de la barre 17' a sa base dirigée vers l'écoulement de sodium li- quide incident (flèche 23). Cette barre profilée crée dans l'écoulement de sodium liquide secondaire 23 un tourbillon 32 immédiatement en aval de la barre 17'. Ce tourbillon 32 permet une séparation des bulles d'hydrogène qui remontent par l'effet du tourbillon et de la différence de densité dans le réservoir 11 o elles viennent. se diluer dans l'argon de couverture. La détection est effectuée comme précédemment. Enfin, sur la Fig. 4, on voit que le dispo- sitif 14 de piégeage des bulles est constitué par un becquet 17" soudé sur la paroi interne de la canali- sation 5, à sa partie supérieure, immédiatement en amont du réservoir 11. On crée ainsi un tourbillon dans la partie du flux de sodium liquide renfermant la plus forte proportion de bulles d'hydrogène, ce qui permet une séparation des bulles d'hydrogène et leur récupération dans l'argon de couverture du réservoir 11. On voit que le dispositif suivant l'inven- tion permet une détection très rapide, très efficace et avec une très grande sensibilité de l'hydrogène formé par réaction chimique dans un liquide tel que le sodium. De plus, le dispositif de collectage et de dé- tection suivant l'invention est d'une très grande sim- plicité et peut être facilement monté sur un circuit de sodium liquide sans modification importante de ce circuit. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi que le dispositif de piégeage d'hydrogène peut être réalisé par tout autre disposi- tif introduisant une perturbation dans l'écoulement de métal liquide au niveau du réservoir, de façon à sépa- rer l'hydrogène, sans toutefois introduire une perte de charge notable dans cet écoulement. Dans le cas o l'écoulement est perturbé par une barre profilée placée à. la verticale du réservoir, cette barre peut avoir non seulement une section triangulaire mais encore une section rectangulaire. Ce profil peut être réalisé aussi bien sous forme pleine que sous forme tubulaire. On peut utiliser plusieurs barres verticales placées côte à côte dans l'écoule- ment de liquide. Une partie en saillie à l'intérieur de la canalisation, telle que le becquet 17" représenté sur la Fig. 4, peut être réalisée par tout procédé et selon toute forme permettant une perturbation voulue de l'écoulement dans sa partie supérieure o la pro- portion de bulles d'hydrogène est forte. Le volume du réservoir du dispositif de collectage et de détection doit être faible par rap- port au volume du circuit ou du récipient dans lequel circule le liquide réactif, ce volume permettant en particulier l'obtention d'une très bonne sensibilité de détection. Dans le cas d'un circuit secondaire de sodium d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, ce -3 -2 3 volume peut être compris entre 103 et 102 m. Ce dispositif peut être placé à un endroit différent du circuit, cependant sa disposition en aval du premier coude suivant le générateur de vapeur permet d'obtenir une très grande rapidité et une très grande sensibili- té de détection. * lZ12 Le détecteur d'hydrogène lui-même peut être de tout type connu, à partir du moment o ce disposi- tif peut être mis en communication par une de ses parties avec la couverture d argon située dans la par- tie supérieure du réservoir. Enfin, le dispositif de collectage et de détection d'hydrogène suivant l'invention peut être utilisé non seulement sur le circuit secondaire d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides mais encore sur tout circuit ou récipient dans lesquels circule un liquide réactif vis-à-vis des composés d'hydrogène le réservoir peut être mis en communication directe aussi bien avec une canalisation qu'avec la paroi d'un récipient, que ces éléments soient en position hori- zontale, verticale ou oblique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de collectage et de détection d hydrogène non dissous dans une substance liquide en circulation dans une enveloppe (5), substance dont la réactivité chimique est forte vis-à-vis des composés renfermant de l'hydrogène, caractérisé par le fait qu'il comporte: - un réservoir (11) dont le volume est faible par rap- port au volume de l'enveloppe (5), en communication directe avec le volume intérieur de l'enveloppe et renfermant un gaz non réactif vis-à-vis de la subs- tance liquide, sous une pression suffisante pour créer un interface permanent (26) entre le gaz et la subs- tance liquide dans le réservoir (11), - et un moyen (19) connu en soi de détection de l'hy- drogène fixé sur le réservoir (11) et ayant une partie (20) -en communication-avec le gaz inerte contenu dans le réservoir (11) dans lequel se rassemble l'hydrogè- ne. 2.- Dispositif de collectage et de détection suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un moyen de piégeage (14, 14') interposé sur la circulation du fluide, à l'intérieur de l'enveloppe (5) au voisinage de la zone de jonction entre l'enveloppe (5) et le réservoir (11), pour per- turber l'écoulement du liquide au niveau de cette zone de jonction et favoriser la propagation de l'hydrogène non dissous, sous forme de bulles, vers le réservoir (11). 3.- Dispositif de collectage et de détection suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que le moyen de piégeage (14) interposé sur la circulation du liquide est constitué par un ensemble de lames (17) fixées à l'une de leurs extrémités sur le réservoir (11) et s'étendant parallèlement les unes aux autres à l'intérieur de l'enveloppe (5), pour constituer une grille interposée sur la circulation du liquide dans l'enveloppe (5), ayant un faible espacement entre deux lames (17) consécutives pour le passage du liquide. 4.- Dispositif de collectage et de détection d'hydrogène suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que le moyen de piégeage est constitué par au moins une barre (17') dont la section droite dans un plan passant par la direction de circulation du liquide présente un côté sensiblement perpendiculaire à la direction (23) de circulation du liquide. 5.- Dispositif de collectage et de détection d'hydrogène suivant la revendication 4 caractérisé par le fait que la section droite de la barre profilée (17') est un triangle dont une des bases est dirigée vers l'écoulement (23) du liquide. 6.- Dispositif de collectage et de détection d'hydrogène suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que le dispositif de piégeage est constitué par une partie (17") en saillie par rapport à la paroi interne de l'enveloppe (5) disposée immédiatement en amont de la zone de jonction du réservoir (11) avec l'enveloppe (5), lorsqu'on considère le sens de circu- lation (23) du liquide dans l'enveloppe (5). 7.- Dispositif de collectage et de détection d'hydrogène dans le circuit secondaire d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides comportant un générateur de vapeur (1) ayant une tuyauterie de sortie de sodium (5) à sa partie inférieure comportant, depuis le géné- rateur de vapeur, une partie verticale, une partie coudée (5a) et une partie horizontale (5b) caractérisé par le fait qu'un réservoir (11) est disposé sur la canalisation (5) et mis en communication directe avec la partie supérieure de la portion horizontale (5b) de cette canalisation (5) en aval de la partie coudée (5a) et qu'un moyen de détection d hydrogène (19) est fixé sur le réservoir (11) avec une partie (20) en contact avec du gaz inerte contenu dans le réservoir 111). 8.- Dispositif de collectage et de détection d'hydrogène suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que le volume du réservoir (11) est com- -3 -2 3 pris entre 10 et 102 m.. 9.- Dispositif de collectage et de détection d'hydrogène suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le moyen (19) de détection de l'hydrogène comporte une membrane de diffusion sélective d'hydro- gène (20) en communication avec le gaz inerte contenu dans le réservoir (11).