Brevet FR2591019A1 — publié le 19870605

La présente invention concerne un dispositif perfectionné de refroidissement passif d'une cuve rayonnant la chaleur pour réacteurs nucléaires modulaires du type piscine refroidis par métal liquide, tels que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis 4 508 677. En cas d'urgence pendant le fonctionnement d'une centrale nucléaire refroidie par sodium ou sodium-potassium, il est parfois nécessaire d'arrêter la réaction de fission du coeur du réacteur. Pour effectuer cet "arrêt", on insère complètement les barres de commande entre les cartouches de combustible dans le coeur du réacteur de manière à absorber les neutrons. Cependant, les produits de fission continuent à dégager une quantité importante de chaleur. Il est néces- saire que les structures entourant le réacteur soient ca- pables de dissiper cette chaleur résiduelle sans provoquer leur endommagement. La capacité calorifique du réfrigérant et la structure globale aident à dissiper la chaleur rési- duelle. Les matériaux dont sont constituées les structures environnantes ne peuvent pas être en mesure de supporter en toute sécurité des températures élevées. Par exemple, des murs épais en béton contituent typiquement une partie du logement de rétention pour un réacteur nucléaire. Cependant, on ne peut compter sur le béton pour supporter des tempéra- tures élevées car celui-ci commence à s'évaser et à se fendiller sous l'effet des températures élevées. Il est - 2- nécessaire de faire appel à un système auxiliaire de refroi- dissement pour extraire en toute sécurité la chaleur de la structure du réacteur pendant un arrêt. On a utilisé dans les réacteurs nucléaires classi- ques divers systèmes de refroidissement élaborés commandés par un apport d'énergie, pour dissiper la chaleur du réac- teur. Dans la majorité des cas justifiant un arrêt, la fourniture d'énergie aux systèmes de refroidissement a pour conséquence de rendre ces systèmes sujets à panne. Par exemple, les pompes et les systèmes de ventilation servant au refroidissement du coeur peuvent être défaillants. En outre, si l'intervention d'un opérateur est nécessaire, il y a des scénarios prévisibles dans lesquels l'opérateur sera incapable de procéder à l'action appropriée. Le système de refroidissement le plus fiable et le plus souhaitable serait un système entièrement passif qui pourrait continuer à extraire la chaleur résiduelle se développant après un arrêt. Pour des réacteurs modulaires du type à refroidis- sement par métal liquide tels que ceux du type décrit dans le brevet des Etats-Unis 4 508 677, lesquels produisent une puissance de l'ordre de 200500 mégawatts (thermiques), l'utilisation de sodium ou de sodium-potassium comme réfri- gérant présente de nombreux avantages. Les réacteurs refroi- dis par eau fonctionnent à la température d'ébullition de l'eau ou près de cette température. Toute augmentation importante de la température se traduit se traduit par la production de vapeur et une augmentation de la pression. Par contraste, le sodium ou le sodium-potassium ont un point d'ébullition extrêmement élevé, de l'ordre de 980 C à une pression de 102 kPa. La température normale de fonctionne- ment du réacteur est de l'ordre de 480 C. A cause de la valeur élevée du point d'ébullition du métal liquide, les problèmes de pression soulevés par les réacteurs refroidis par eau et la vapeur ainsi produite se trouvent éliminés. La capacité calorifique du métal liquide permet de chauffer le - 3 - sodium ou le sodium-potassium & plusieurs centaines de degrés C sans que l'on risque de provoquer une défaillance des matériaux du réacteur, Les cuves des réacteurs refroidis par métal liqui- de du type piscine sont essentiellement des coupes scellées, lisses, ne présentant aucune perforation pour interrompre l'intégrité des parois de la cuveo Ce scellement d'étan- chéité est essentiel pour éviter les fuites du métal liquide à partir de la cuve primaire. Les surfaces de la cuve doi- vent aussi être accessibles pour permettre les inspections rigoureuses que nécessitent les conditions de sécurité. Dans un réacteur typique refroidi par sodium, on utilise deux niveaux de boucles de sodium. En général, on emploie une seule boucle primaire et deux ou plusieurs boucles secondaires. La boucle primaire contient du sodium très radioactif qui est chauffé par les cartouches de com- bustible. La boucle primaire traverse des échangeurs de chaleur afin d'échanger la chaleur avec l'une des boucles secondaires de sodium non radioactif. En général, on conçoit les réacteurs refroidis par sodium de façon qu'ils incorpo- rent des boucles secondaires redondantes en cas de défail- lance d'une boucle quelconque. Lors de l'arrêt du réacteur par insertion complète des barres de commande, une chaleur résiduelle continue à être produite qui se dissipe en conformité avec la capacité calorifique de l'installation. Si l'on suppose que le réac- teur a fonctionné à pleine puissance pendant une longue durée, il se produira au cours de la première heure suivant l'arrêt, une moyenne d'environ 2 % de la pleine puissance. La chaleur résiduelle se dissipe dans le temps. La chaleur résiduelle produite pendant l'arrêt d'un réacteur modulaire refroidi par métal liquide se dis- sipe passivement dans une enveloppe entourant le réacteur et les cuves de retention. Des ailettes radiales, longitudina- les, dirigées vers l'intérieur à partir des parois de l'en- - 4 veloppe complètent le système d'extraction de chaleur en- tièrement passif. Les ailettes de l'enveloppe étendent la surface disponible pour recueillir la chaleur rayonnée par les surfaces de la cuve de rétention. L'air ambiant circule naturellement vers le haut par l'intermédiaire d'évents ménagés dans l'enveloppe en traversant l'interstice séparant la cuve de rétention et l'enveloppe munie d'ailettes. Les ailettes conduisent la chaleur par convexion jusqu'à l'air en circulation, refroidissant l'enveloppe et les ailettes. A la suite de cette convection, la différence de température entre la cuve de rétention et l'enveloppe augmente. Cette différence de température améliore le rayonnement entre la cuve de rétention et l'enveloppe, car le rayonnement se poursuit tant que la cuve de rétention "voit" un corps à température plus basse. De fait, cette différence de tempé- rature constitue la force motrice dans le processus de dissipation de la chaleur résiduelle à partir- de la cuve du réacteur. En cas d'arrêt d'un réacteur, après insertion totale des barres de commande, la chaleur produite par ces barres est transférée par la cuve du réacteur, après tra- versée d'un interstice de gaz inerte, jusqu'a la cuve de rétention environnante sous l'effet principal du rayonnement thermique, avec une petite fraction de la chaleur passant par conduction et convection dans le gaz inerte. Des sur- faces présentant une émissivité thermique élevée, ménagées sur l'extérieur de la cuve du réacteur et sur l'intérieur de la cuve de rétention, permettent d'augmenter le rendement du transfert de la chaleur. La chaleur est alors extraite de la surface exté- rieure de la cuve de rétention en partie par rayonnement thermique et en partie par convection directe jusqu'à l'air en mouvement se trouvant dans le canal formé entre la cuve de rétention et l'enveloppe. Les cuves des réacteurs modu- laires ont un diamètre qui est approximativement le tiers de - 5 - celui des cuves des réacteurs nucléaires classiques et une hauteur qui est à peu près identique. Dans les réacteurs modulaires, le rapport entre la surface et la puissance développée est approximativement trois fois supérieur à celui d'un grand réacteur classique. Cela confère une sur- face suffisante dans laquelle la chaleur résiduelle peut se dissiper de manière passive. Les surfaces extérieures hau- tement émissives de la cuve de rétention améliorent égale- ment le transfert de chaleur. Ainsi, la présente invention élimine la nécessité de recourir à des boucles secondaires redondantes de sodium. Une seule boucle secondaire peut fonctionner en toute sécurité avec le système auxiliaire passif de refroidissement comme variante du mécanisme de refroidissement. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une illustration schématique de la cuve du réacteur, de la cuve de rétention et de l'enveloppe; figure 2, un graphique représentant la distribu- tion de la température du sodium en fonction de la hauteur du réacteur; figure 3, une vue schématique en coupe des trajets de transfert de chaleur dans la cuve du réacteur, la cuve de rétention et l'enveloppe; figure 4, une vue en coupe de dispositifs d'exten- sion de surface pouvant se fixer; figure 5, une vue en coupe d'un ensemble ondulé d'extension de surface après insertion. Les réacteurs modulaires refroidis par métal liquide du type piscine comportent une surface suffisante pour permettre la dissipation de la chaleur résiduelle pendant les arrêts du réacteur. Globalement, le système du réacteur présente une capacité calorifique relativement petite. Le problème restant est de dissiper la chaleur résiduelle sans provoquer un endommagement sensible des -6 - structures de rétention. Un système de refroidissement entièrement passif élimine la fiabilité attribuée aux pompes et aux ventilateurs motorisés et la nécessité de devoir faire intervenir des opérateurs. En même temps, la cuve de rétention elle-même ne doit pas être modifiée dans ses structures à cause des contraintes dimensionnelles imposées aux réacteurs modulaires, et de la nécessité de disposer d'une structure en forme de coupe lisse, non-perforée, pour éviter la présence des zones o des contraintes pourraient s'accumuler. Les conditions d'une inspection stricte impo- sent également que la cuve de rétention soit simple à exa- miner tant pendant la fabrication que pendant l'érection de la structure. La figure 1 est une illustration schématique de l'agencement du système auxiliaire de refroidissement dans le logement 1 d'un réacteur générateur modulaire refroidi par sodium du type à piscine. Les cartouches de combustible et le coeur 2 du réacteur sont entièrement enfermés dans une cuve cylindrique 4 dont les extrémités sont généralement sphériques. Idéalement, la cuve 4 du réacteur est une simple coupe dont les pénétrations ne se font qu'au sommet. Toute violation de l'intégrité de la cuve 4 est à l'origine d'un potentiel de fuites pour le réfrigérant radioactif 5, typi- quement du sodium liquide. Pour contenir les fuites éventuelles de réfrigé- rant, la cuve 4 du réacteur est entourée, au moins jusqu'au niveau du réfrigérant, par une cuve de rétention 6 d'un diamètre quelque peu plus grand. Comme dans le cas de la cuve du réacteur, la structure de la cuve de rétention se présente sous la forme d'un récipient sans interruption dans lequel aucun orifice n'est ménagé qui formerait des trajets éventuels de fuites que pourrait suivre le réfrigérant. La zone interstitielle 7 formée entre la cuve 4 du réacteur et, la cuve de rétention 6 est généralement mise sous vide et remplie d'un gaz inerte. Le gaz inerte évite les réactions 259 09 entre les fuites de sodium et l'oxygène qui provoquent l'inflammation du sodium. Séparée de la cuve 6 par un espace 9 rempli d'air en circulation, une enveloppe 8 comporte un orifice d'admission d'air 10 à son extremite inférieure et un orifice de sortie d'air 12 prés de son extrémité supérieure. En figure 3, on verra que l'enveloppe 8 présente des dispositifs internes d'extension de surface qui, dans le mode de réalisation préféré, sont constitués d'ailettes longitudinales 14, s'étendant radialement en étant circon- ferentiellement espacées les unes des autres. Entourant l'enveloppe 8, un autre interstice d'air 15, relativement étroit, est suivi d'une couche d'un matériau isolant 16, d'un autre interstice d'air étroit 17 et d'un mur épais en béton 18. On juxtapose la figure 2 au schéma de la figure 1 pour illustrer graphiquement la température du sodium en fonction de la hauteur de la cuve du réacteur. La courbe désignée par la référence G représente les conditions nor- males de fonctionnement. Pendant un fonctionnement aormal, le sodium "froid" a une température d'environ 320 C. En liaison avec la courbe G, pendant le chauffage du sodium froid par le coeur, sa température passe à environ 470 C. Ce sodium chauffé s'élève pour suivre la boucle sodium de la cuve, comme cela est indiqué par les flèches N en figure 1, et traverse des échangeurs de chaleur (non illustrés). Les échangeurs de chaleur procèdent à un échange de chaleur entre la boucle primaire de sodium et la boucle secondaire, refroidissant le réfrigérant primaire en abaissant sa tempé- rature de 470 C à environ 320 C. Examinons maintenant le cas o un arrêt se pro- duit. On insère entièrement les barres de commande, absor- bant la majorité des neutrons. Pendant une heure environ, il y a production en moyenne d'environ 2% de la puissance totale. Celle-ci diminue dans le temps alors qu'il y a décroissance de la désintégration des produits de fission. La capacité calorifique globale du système permet d'absorber une partie de la chaleur résiduelle, chauffant le sodium. Si l'on suppose une panne complète de la totalité des pompes, la convection naturelle provoque la circulation du sodium à l'intérieur de la piscine. A une température d'environ 580 C, la courbe H entre alors en jeu. Alors que le sodium passe dans le coeur, il s'échauffe jusqu'à une température d'environ 615 C. Ce sodium s'élève et se refroidit sur la surface intérieure de la cuve par échange de chaleur avec la cuve du réacteur, la cuve de rétention et l'enceinte et sa température redescend à environ 580 C. La surface formée à l'intérieur de la courbe H représente l'action naturelle de pompage de la convection induite. Dans la vue en coupe de la figure 3, on donne une illustration plus détaillée du mode de réalisation préféré du dispositif de refroidissement. Le trajet de circulation de la chaleur à partir de la cuve 4 du réacteur pendant un arrêt est représenté schématiquement à travers les diverses couches du logement 1. Pour rendre maximale l'efficacité du transfert de chaleur, on suppose que la surface extérieure de la cuve 4 du réacteur, la surface intérieure 19 de la cuve de rétention 6, sa surface extérieure 20, les surfaces 14 des ailettes intérieures et la surface intérieure 22 de l'enceinte 8 sont des surfaces hautement missives et/ou absorbantes sur le plan thermique. La chaleur Q dégagée par les produits de fission dans le boeur est transmise du réfrigérant 5 en sodium à la paroi de la cuve 4 du réacteur, comme cela est indiqué par la flèche A. La surface extérieure de la paroi de la cuve du réacteur transmet la chaleur à travers l'espace d'air 7, principalement par rayonnement, vers la surface intérieure 19 de la cuve de rétention 6, comme cela est représenté par la flèche B. Si du sodium devait pénétrer dans l'espace d'air 7, celui-ci augmenteraitle transfert de chaleur par _ 9- conduction à la cuve de rétention 6. Cette chaleur serait alors acheminée, par l'intermédiaire de l'épaisseur de la paroi de la cuve de rétention, à la surface 20 de la paroi extérieure de cette cuve. Naturellement, l'air en mouvement parcourt la surface 20 de la paroi de la cuve de rétention pour enlever par convection la majeure partie de la chaleur absorbée, cet effet étant représenté par la flèche C. La surface 20 provoque également un rayonnement vers les sur- faces intérieures, à température plus basse, de l'enceinte 8 et ses ailettes longitudinales 14 associées, comme cela est indiqué par la flèche D. Les ailettes 14 transmettent alors la chaleur par convection à l'air en mouvement, comme cela est indiqué par la flèche E. Les dispositifs d'extension de la surface que constituent les ailettes 14, absorbent la chaleur rayonnée et constituent une zone supplémentaire permettant de transmettre par convection la chaleur rési- duelle à l'air ambiant en mouvement. La convection a pour effet de refroidir les ailettes, ce qui provoque la pour- suite du rayonnement entre la cuve de rétention 6 et l'en- veloppe 8. Une quantité minimale de chaleur (flèche F) finit par être conduite, par l'intermédiaire de la paroi 8 de l'enveloppe, jusqu'à l'isolant 16 pour être dissipée dans l'air de l'interstice auxiliaire de refroidissement 17 et éviter la surchauffe du mur en béton 18. Des variantes de réalisation des ailettes agissant en dispositif d'extension de surface font l'objet des vues en coupe des figures 4 et 5. En figure 4, l'enveloppe 8 est simplement un cylindre à paroi régulière qui entoure la cuve de rétention 6. Les dispositifs d'extension de surface sont fixés à l'enveloppe 8. Ces dispositifs sont généralement constitués de bandes 24 formant un canal ayant la configu- ration générale d'un V, le sommet du V constituant une partie centrale aplatie, qui sert à la fixation 26 des bandes à l'enveloppe 8. La figure 5 illutre un mode de réalisation dans - 10 - lequel une partie insérée 28 formant des ondulations agit en dispositifs d'extension de surface. La partie insérée 28 se présente sous la forme d'une bande pliée en accordéon qui est montée entre la cuve de rétention 6 et l'enveloppe 8, créant deux courants d'air séparés - un courant d'air inté- rieur 30 et un courant d'air extérieur 32, vers lesquels elle peut transmettre la chaleur par convection. 'O9 - l1 - REVENDICATIONS 1. Dispositif perfectionné de refroidissement passif d'une cuve rayonnant la chaleur pour réacteurs modu- laires du type piscine à métal liquide comportant une cuve de réacteur (4) et une cuve de rétention (6) espacée de la cuve du réacteur en l'entourant de manière à former une première zone interstitielle (7) contenant un gaz inerte, caractérisé en ce qu'il comprend: une enveloppe (8) espacée de la cuve de rétention (6) en l'entourant de manière à constituer une seconde zone interstitielle (9) formant un canal de circulation d'air, ce canal de circulation d'air présentant un orifice d'admission d'air (10) à une première position et un orifice de sortie d'air (12) à une seconde position qui est verticalement plus élevée que la première position, la seconde zone interti- cielle (9) étant située entre l'enveloppe (8) et la cuve de rétention (6); et des moyens d'extension de la surface de l'en- ceinte, disposés longitudinalement dans cette seconde zone interstitielle en étant espacés de la surface extérieure (20) de ce récipient secondaire de rétention. 2. Dispositif de refroidissement selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les moyens d'extension de surface comportent des ailettes longitudinales (14) s'éten- dant radialement dans la direction de l'intérieur, disposées le long de la surface intérieure (221) de l'enveloppe (8). 3. Dispositif de refroidissement selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les moyens d'extension de surface comportent une multitude de bandes (24) en forme de canal, ayant en coupe la forme générale d'un V, qui sont montées longitudinalement le long des parois intérieures de l'enveloppe. 4. Dispositif de refroidissement selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les moyens d'extension de surface comprennent une partie ondulée d'insertion (28) - 12 - formée par une bande pliée qui est montée longitudinalement à l'intérieur de l'enveloppe (8) et en contact thermique avec celle-ci. 5. Dispositif perfectionné de refroidissement passif pour réacteur nucléaire modulaire du type piscine à refroidissement par sodium ou sodium-potassium, comportant une cuve primaire (4) et une cuve secondaire de rétention (6) espacée de la cuve primaire en l'entourant de manière à former une première zone interstitielle (7) remplie d'un gaz inerte, caractérisé en ce qu'il comprend: une enveloppe (8) espacée de la cuve de rétention (6) en l'entourant de manière à former une seconde zone interstitielle (9) entre cette cuve et l'enveloppe, l'enve- loppe comportant en outre un orifice d'admission d'air (10) à une première position et un orifice de sortie d'air (12) à une seconde position située verticalement à une hauteur plus élevée que la première position, et des ailettes longitudi- nales (14) s'étendant radialement vers l'intérieur, qui sont espacées les unes des autres sur la surface intérieure (22) de l'enveloppe de manière à être en saillie dans la seconde zone interstitielle (9).