Brevet FR2585104A1 — publié le 19870123

- 1 - L'invention concerne un appareil à liquide formant soupape de surpression pour vapeurs et/ ou gaz radio-ac- tifs d'un réacteur nucléaire, notamment d'un réacteur à eau légère ou d'un réacteur à haute température refroi- di à l'hélium, et comportant un système de buses pour l'introduction du milieu réfrigérant dans le réservoir de l'appareil en cas d'incident. Un dispositif de ce type est décrit par le brevet DE- C 29 31 140. L'appareil à liquide qui en fait partie est intercalé entre le réservoir sous pression du réac- teur et/ ou le réservoir de protection du réacteur (con- tainment), d'une part, et un dispositif de décharge de la pression comportant un cyclone de lavage et un cyclo- ne de séchage, d'autre part. Le dispositif de décharge ne doit normalement intervenir qu'en cas d'incident, par exemple si, dans le réservoir de protection du réacteur, par suite de fuites dans le circuit de refroidissement, il s'échappe une assez grande quantité de milieu réfri- gérant pollué par des substances radio-actives. Par con- tre, pendant le fonctionnement normal de la centrale nu- cléaire, une légère dépression est maintenue dans le ré- servoir de protection,de préférence pour empocher toute sortie de gaz et de vapeurs radio-actifs au niveau des sas destinés au personnel et au matériel. Le dispositif de décharge de la pression, à travers lequel un milieu réfrigérant propre, c'est-à-dire débarrassé de constitu- ants radio-actifs, doit être évacué dans l'atmosphère est donc, quand le réacteur fonctionne sans incident, i- solé par un appareil à eau formant soupape de surpression de l'atmosphère du réservoir sous pression du réacteur ou de la canalisation d'évacuation des gaz d'une soupape de surpression classique du réservoir sous pression du réacteur. Pour protéger les dispositifs techniques, notamment l'installation électronique du réservoir de protection ou pour permettre l'accès du réservoir de protection aus- si rapidement que possible après un incident, il faut que la soupape de surpression réagisse dans un domaine de pres- sion relativement grand allant de 1 à 50. 103 Pa environ. Un incident de ce type est évidemment très peu probable pendant la durée de vie d'un réacteur nucléaire, mais il faut prendre les précautions permettant d'être str de pou- voir régler l'incident et d'assurer la réparation et la remise en marche de toute l'installation. Comme soupape de surpression correspondant aux fai- bles pressions susceptibles d'être envisagées dans ce contexte, le brevet DE- C 29 31 140 décrit un appareil à liquide, notamment un appareil à eau. Cet appareil est placé dans un réservoir fermé comprenant,au-dessus de la surface du liquide, un volume d'accumulation de gaz et d'air et, audessous de la surface du liquideun système de buses pour l'introduction du gaz et/ ou de la vapeur de refroidissement. Un appareil à liquide de ce type ne le cède évidem- ment à aucune soupape mécanique ni à aucune membrane à déchirure en ce qui concerne la fiabilité, la précision de réaction et la facilité d'entretien, mais, pour les faibles pressions, il présente l'inconvénient que le li- quide ne peut pas être éjecté, m4me lorsque la surpres- sion est celle à laquelle il doit réagir, mais que, dans certains cas, il faut d'abord qu'il soit chauffé par la vapeur surchauffée expulsée par surpression et qu'il soit vaporisé.Un gaz incondensable ne peut donc faire pétiller le liquide de l'appareil et, le cas échéant, le chauffer, tandis que la vapeur d'eau se condense et, de ce fait, chauffe le liquide. Tant que n'interviennent que de la vapeur surchauf- fée ou des gaz incondensables très chauds, le liquide du dispositif se vaporise assez rapidement dans les con- ditions voulues. Mais si c'est de la vapeur humide qui 2 58 5 10 4 - 2 - pénètre dans l'appareil, il y a lieunaturellementfde s'attendre à une augmentation de la quantité de liquide et non pas à une vaporisation. Or, une condensation qui évolue dans le sens d'une condensation complète n'est pas souhaitable. L'appareil doit assurer une fonction opti- male par rapport à l'installation de purification située en aval. Il doit donc assurer les fonctions suivantes: - agir comme soupape de surpression, fermée en cas de fonctionnement normalspour les faibles pressions de va- peur et / ou de gaz: - en cas de dépassement lent de la pression à laquelle il doit réagir, permettre la condensation de la vapeur ou le dégagement sous formede bulles et le refroidisse- ment des gaz incondensables; de la pression - en cas d'augmentation rapide/quand on utilise de la va- peur surchauffée, provoquer la vaporisation et l'éjection du liquide de l'appareil (dans le cas d'une vapeur humi- de, le liquide du dispositif doit être éjecté le plus ra- pidement possible; dans le cas de gaz chaudsl'éjection de ce liquide n'est pas nécessaire, mais ne présente pas d'inconvénient); - quel que soit l'état dans lequel se trouve la vapeur> éviter en tous cas des coups d'eau. Les deux premiie fonctions peuvent être assurées même par un appareil qui n'a rien de spécial. Quand on utilise de la vapeur surchauffée ou de la vapeur humide, c'est déjà nettement plus difficile. Pour empêcher les coups d'eau, il faut, comme l'indique le brevet DE C 29 31 140, que la vapeur soit insufflée par des buses dans l'eau de l'appareil. Ce système présente évidemment l'a- vantage que les coups de liquide se décomposent en une pluralité de petits coups dont les bruits ne produisent plus qu'un sifflement, mais présente l'inconvénient qu'à la différence du cas o l'on utilise de la vapeur sur- chauffée le liquide de l'appareil augmente constamment - 3 - - 4 - et que, de ce fait, l'appareil déborde. Si l'on utilisait comme réservoir, pour le liquide de l'appareil, un tube en U rempli d'eau>il en résulte- rait l'avantage de la sûreté de réaction et de la simpli- cité d'entretien, mais aussi l'inconvénient qu'en cas de dépassement de courte durée d'une pression fixée, l'eau serait éjectée.Mtme en cas de fuites donnant lieu à la sortie de faibles quantités de milieu réfrigérant, l'eau est déjà éjectée d'un appareil de ce type. Il s'y ajoute- rait les coups d'eau déjà mentionnés dans la branche as- cendante du tube en U)aussi bien dans le cas d'une aug- mentation de pression de courte durée que dans le cas de faibles écoulements à l'extérieur, quand le milieu réfri- gérant est de la vapeur d'eau. Le but de l'invention est de réaliser un appareil à liquide de telle manière qu'il ne perde pas sa capaci- té d'arrêt dans le cas d'une augmentation de pression de courte durée ou dans le cas de faibles écoulements à l'ex- térieur, mais qu'il ne la perde que lorsque l'incident a dépassé son stade transitoire et s'est stabilisé et de telle manière que le liquide de l'appareil soit éjecté, qu'il s'agisse de gaz, de vapeur humide, de vapeur sur- chauffée ou d'un mélange de gaz et de vapeur. Ce but est atteint, suivant l'invention, du fait que, pour l'introduction du milieu réfrigérant dans le réser- voir de l'appareil du type initialement défini, celui-ci comporte une couronne à buses d'axe vertical et des buses de même sens orientées à peu près tangentiellement de ma- nière à produire une action de cyclone. Il est préférable que les busesqui s'ouvrent en forme de trompettes dans le sens de l'écoulement, soient orientées obliquement vers le haut; de plus, le réservoir doit comporter une paroi d'enveloppe en forme de tronc de cône sur le fond duquel la couronne à buses est montée sur palier. Du fait de cette disposition, une action de cyclone -5 - s'exerce, en cas de mise en marche de l'appareil, sur le liquide qu'il contient et a pour effet de provoquer l'éjection d'une quantité de liquide de l'appareil d'au- tant plus grande que la surpression est fore. Cela signi- fie,tout d'abord,que le courant à peu près circulaire qui est produit par la pénétration de la vapeur dans l'ap- pareil à liquide produit un mélange forcé de la vapeur et du liquide et, de ce fait, une répartition de la cha- leur de condensation dans tout le volume de l'appareil. Maissurtoutjles buses de la couronne à buses qui provo- quent l'action du cyclone produisent la rotation du li- quide contenu dans le réservoir de l'appareil, de sorte que le niveau du liquide, primitivement horizontal, prend, sous l'effet de la force centrifuge correspondant à l'action de cyclone, une forme plus ou moins en enton- noir et que le liquide initialement contenu dans le ré- servoir de l'appareil est éjecté avec plus ou moins de force suivant la valeur de la surpression qui doit 9tre atténuée. Il en résulte l'avantage que la condensation diminue, comme cela est souhaitable, à mesure que la sur- pression est plus grande et que la perte de pression du mélange des gaz et/ ou de vapeur dans l'appareil di- minue, car les jets de vapeur qui sortent des buses de la couronne à buses ne doivent plus traverser le liqui- de qui est encore contenu dans le réservoir de l'appareil en allant jusqu'au niveau statique initial>mais seule- ment jusqu'au niveau résultant de la rotation. La vapeur de milieu réfrigérant n'a donc plus à traverser, suivant le trajet raccourci allant des buses au niveau résultant de la rotationsqu'une couche de liquide relativement mince, pratiquement sans condensation. le système de bu- ses ne doit pas être conçu en cherchant à assurer la condensation, mais en cherchant à augmenter au maximum la vitesse de rotation dans le réservoir de l'appareil. Il suffit pour cela d'utiliser des buses rela- tivement peu nombreuses de construction assez grossière -6 - et, de ce fait,fonctionnant longtemps d'une manière sû- re. Les Jets de vapeur qui sortent de ces buses peuvent traverser pratiquement sans condensation la couche de liquide dont l'épaisseur est faible en cas de grande vi- tesse de rotation de l'appareil à liquide. L'inclinai- son et la largeur intérieure des buses, de même que les autres dimensions de l'appareil, se déterminent sans difficulté dans chaque cas d'application au moyen d'es- sais. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée au moyen d'un exemple de réalisation en se référant au dessin. La figure 1 est une coupe transversale d'une soupa- pe à surpression comportant un appareil à liquide. La figure 2 est une vue par en-dessus d'un système de buses comme celui qui est représenté par la figure 1. Comme l'indique la figure 1, une canalisation 1 d'amenée du milieu réfrigérant reliée à une réservoir sous pression du réacteur et/ou à un réservoir de pro- tection du réacteur et comportant un orifice de sortie 2 est montée dans un réservoir 4 d'appareil contenant un liquide ou de l'eau 3 et situé audessous du niveau statique 5 du liquide. A l'état de repos, le niveau 5 du liquide dans le réservoir 4 de l'appareil correspon- dant à l'exemple de réalisation décrit se trouve légê- rement au-dessous du niveau 6 du liquide dans la cana- lisation d'amenée 1 du milieu réfrigérant, du fait qu'une dépression est maintenue dans le réservoir de protection du réacteur. Le réservoir 4 de l'appareil se trouve dans un réservoir 7 d'accumulation de gaz d'air qui comporte un orifice de sortie 8 conduisant à l'ins- tallation de lavage et un orifice de sortie 9 se rac- cordant à une canalisation du milieu réfrigérant. Suivant l'invention, l'orifice de sortie 2 de la canalisation d'amenée 4 du milieu réfrigérant au niveau -7- du fond 10 du réservoir 4 de l'appareil porte une cou- ronne à buses 11 d'axe vertical (par rapport au fond ). Comme l'indiquent les figures 1 et 2, cette cou- ronne à buses 11 comporte une série de buses 13 dont les ouvertures de sortie sont orientées tangentiellement et obliquement vers le haut dans le sens de la flèche 14. Lorsque les buses 13 de la couronne à buses 11 sont soumises à l'action du milieu réfrigérant qui doit être évacué, le liquide 3 commence à tourner autour de l'axe 12.En raison de l'action de cyclone et de la for- ce centrifuge qui s'exerce alors, le liquide 3 est pous- sé contre la paroi du réservoir 4 de l'appareil qui a la forme d'un tronc de cène, de sorte que le niveau sta- tique horizontal 5 se transforme en un niveau 15 de li- quide en rotation et qu'une partie 16 du liquide 3 est explusée par dessus le bord supérieur 17 du récipient 4 de l'appareil. Le bord 17 peut également (comme l'in- dique la figure 1) être muni d'un rebord extérieur. En raison de la diminution de la quantité de liquide et de la transformation du niveau statique 5 du liquide en un niveau de rotation 15, on obtient la diminution(voulue) de la condensation et, en même temps, une diminution ra- pide de la perte de pression du mélange de gaz et/ ou de vapeur dans le liquide 3, car les jets de vapeur qui sortent des buses 13 dans la direction 14 ne sont plus obligés de se frayer un passage dans le liquide 3 jus- qu'au niveau statique 5 du liquide, ce qui aurait pour résultat une condensation de la vapeurcontraire au but recherché et aboutissant au chauffage final du liquide 3, mais peuvent traverser pratiquement sans condensation, suivant le trajet raccourci compris entre les buses 13 et le niveau de rotation 15, une couche de liquide rela- tivement mince. A l'intérieur du réservoir d'accumulation 7, il est - 8 - 2585104 avantageux qu'il y ait, au-dessus du liquide 3, un sé- parateur de gouttes qui emp4che que du liquide entrafné par la vapeur ou le gaz qui sortent des buses 13 sor- te également de l'appareil et pénètre dans la cana- lisation 9 de milieu réfrigérant. Dans le cas d'un incident dans lequel la pression augmente rapidement, notamment dans le cas de vapeur propre, il pourrait se produire des coups d'eau tant que l'eau ne tourne pas dans l'appareil. Cependant, dans ce cas, le volume d'eau dans la couronne à buses 11 et dans le tube d'amenée 1 est très important car, refoulé par la vapeur qui arriveil est chassé hors des buses et, de ce fait, déclenche la rotation du liquide de l'ap- pareil. REVENDICATIONS 1. Appareil à liquide formant soupape de surpression pour vapeurs et / ou gaz radio-actifs d'un réacteur nuclé- aire, notamment d'un réacteur à eau légère ou d'un ré- acteur à haute température refroidi à l'hélium, et comportant un système de buses pour l'introduction du milieu réfrigérant dans le réservoir de l'appareil (4) en cas d'incident, caractérisé en ce qu'il compr pour l'introduction du milieu réfrigérant dans le ré- servoir (4) de l'appareilune couronne à buses (11) d'a- xe vertical (12) et des buses (13) de même sens orien- tées à peu près tangentiellement de manière à produire une action de cyclone. 2. Appareil à liquide selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les buses (13) de la couronne à buses (11) sont orientées obliquement vers le haut. 3. Appareil à liquide selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le réservoir (4) de l'appareil comporte une paroi d'enveloppe ayant approximativement la forme d'un tronc de cône. 4. Appareil à liquide selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que la couronne à buses (11) est montée sur le fond du réservoir (4) et en ce que le diamètre exté- rieur de la couronne à buses (11) est à peu près égal au diamètre du fond du réservoir.