Brevet FR2601178A1 — publié le 19880108

l 2601178 BLOC REACTEUR POUR UN REACTEUR NUCLEAIRE RAPIDE, PERMETTANT L'EVACUATION PAR CIRCULATION NATURELLE DE LA PUISSANCE RESIDUELLE DU COEUR On sait qu'il est nécessaire, dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides, de dissiper la puissance résiduelle sans provoquer des échauffements transitoires considérables, en cas d'arrêt du réacteur. A cette fin, on prévoit généralement un certain nombre d'échangeurs sodium-sodium dont le groupe de tubes est immergé dans le collecteur chaud, et dont le sodium en circulation constitue le fluide primaire, le fluide secondaire étant d'autre part refroidi par circulation naturelle d'air dans une cheminée adéquate. Dans le cas de la circulation naturelle, cette solution technique provoque dans le collecteur chaud des stratifications du sodium à une température relativement basse et qui empêchent la circulation du sodium du coeur vers le collecteur chaud, en empêchant ainsi la mise en oeuvre correcte de la circulation 20 du sodium primaire. Il est ainsi difficile de garantir qu'il ne se produira pas d'échauffements transitoires dangereux. L'un des buts de la présente invention est de pallier ces difficultés et ceci est réalisé en immergeant le faisceau de tubes des échangeurs de chaleur utilisés pour dissiper la 25 puissance résiduelle, non plus dans le collecteur chaud, mais dans le collecteur froid. Ainsi, selon l'invention, le bloc réacteur pour un réacteur nucléaire de type rapide comportant: un réservoir contenant le sodium primaire, un coeur d'éléments combustibles, 30 au moins une structure de séparation hydraulique qui divise 2 2601178 avec le coeur le volume du réservoir en un collecteur supérieur chaud et un collecteur inférieur froid, des échangeurs intermédiaires qui traversent la structure de séparation hydraulique ainsi que des pompes destinées à refouler le sodium contenu dans le collecteur froid en direction du fond du coeur des éléments combustibles, dans lequel il est prévu, pour dissiper la puissance résiduelle en cas d'arrêt du réacteur, des échangeurs auxiliaires sodium-sodium dont le fluide primaire est constitué par le sodium contenu dans le 10 réservoir et dont le fluide secondaire cède de la chaleur en retour à l'air ambiant à l'aide d'échangeurs sodium-air adéquats, est caractérisé par le fait que les échangeurs auxiliaires sont immergés dans le collecteur froid au niveau du collecteur chaud dont ils sont séparés par au moins un 15 anneau. Selon un autre mode de réalisation, les échangeurs auxiliaires traversent la structure de séparation hydraulique entre le collecteur chaud et le collecteur froid et sont séparés du collecteur chaud par au moins un anneau. La struc20 ture de séparation hydraulique comporte deux éléments qui définissent un intervalle intermédiaire dans lequel ces éléments s'étendent tous les deux sous la forme d'anneau autour des échangeurs intermédiaires. Selon l'invention, ces échangeurs sont ainsi entourés par au moins un anneau qui les isole 25 du sodium du collecteur chaud. L'anneau extérieur entourant chaque échangeur auxiliaire présente à sa partie supérieure un nombre convenable de trous calibrés. Le bloc réacteur selon l'invention, équipé d'échangeurs 30 intermédiaires présentant une enveloppe cylindrique entourant chaque échangeur intermédiaire, ladite enveloppe comportant des ouvertures supérieures pour l'entrée du sodium contenu dans le collecteur chaud et des ouvertures inférieures pour la sortie du sodium en direction du collecteur froid, est carac35 térisé par le fait que les bords supérieurs de ces ouvertures inférieures sont situés à un niveau plus élevé que le centre thermique du coeur. 3 2601178 Selon encore un autre mode de réalisation, en cas d'arrêt du réacteur et de refroidissement du combustible par circulation naturelle, les moyens de sortie du sodium en provenance du collecteur chaud sont situés au- dessus du niveau du centre thermique du coeur. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 représente schématiquement la coupe trans10 versale d'un réacteur nucléaire classique de type rapide. Sur cette figure, les parties concernant le système d'évacuation de la puissance résiduelle apparaissent nettement; - la figure 2 est similaire à la figure 1 mais se rapporte à l'installation d'échangeurs de chaleur mettant en oeuvre la présente invention; - les figures 3/A et 3/B représentent schématiquement les 20 échangeurs auxiliaires, respectivement de type connu et selon l'invention, en situation d'attente de service; - les figures 4/A et 4/B sont similaires aux figures 3/A et 3/B mais se rapportent à la situation 25 existant dans les échangeurs auxiliaires, respectivement selon l'état de la technique et selon l'invention, peu de temps apres l'arrêt du réacteur. Comme on l'a représenté à la figure 1, de façon connue, 30 le bloc réacteur est divisé en une zone inférieure dénommée le collecteur froid 1, et une zone supérieure et centrale 2 dénommée le collecteur chaud. Ces deux zones sont séparées l'une de l'autre par une ou plusieurs structures de séparation hydraulique 3, 4. Le sodium circule normalement depuis le collecteur froid en direction du collecteur chaud, via le coeur 5 du réacteur, en s'échauffant et depuis le collecteur chaud vers le collecteur froid, via les échangeurs intermédiaires 6 en se refroi- 4 2601178 dissant. Dans des conditions normales, la circulation est assurée par les pompes 70 immergées dans le collecteur froid 1 et qui, à l'aide de canalisations adéquates 7, refoulent le sodium liquide sous la grille 71 supportant les éléments combustibles formant le coeur 5. Lorsqu'une situation d'arrêt se produit, la dissipation de la puissance résiduelle est réalisée par les échangeurs auxiliaires sodium-sodium 8, qui sont habituellement dénommés les échangeurs d'évacuation de puissance résiduelle. Le sodium 10 secondaire de ces échangeurs auxiliaires cède en retour la chaleur qu'il a absorbé à de l'air s'écoulant dans une cheminée adéquate. Ce second échangeur de chaleur du système de dissipation de puissance résiduelle est habituellement dénommé l'échangeur sodium-air. Les pompes 70 fonctionnent en général correctement. Selon une première solution connue, on s'arrange pour que, au moins l'une des pompes reste en service. Dans ce cas et à l'arrêt du réacteur, le sodium du collecteur chaud 2 est refroidi par les échangeurs auxiliaires 8 et il passe ensuite 20 via les échangeurs intermédiaires 6 dans le collecteur froia 1, d'o il est refoulé par les pompes 70 et les conduites 7 pour traverser le coeur 5 o il absorbe de la chaleur puis retourne une fois de plus au collecteur chaud. Si d'autre part, dans des conditions d'arrêt du réac25 teur, on doit envisager que l'alimentation de toutes les pompes est interrompue, le sodium doit continuer à circuler naturellement. Cependant, la disposition habituelle des échangeurs auxiliaires 8, telle ru'illustrée à la figure 1, n'assure pas la circulation effi.ace du sodium entre le collecteur 30 chaud et le collecteur réchauffé lorsque toutes les pompes 7 sont à l'arrêt. En effet, l'agencement représenté à la figure 1 permet le refroidissement du sodium dans le collecteur chaud mais empêche la circulation du sodium dans le coeur: en fait, le sodium qui est situé directement au-dessus du coeur et qui est refroidi par les échangeurs auxiliaires 8 se stratifie et ce sodium relativement froid tente à descendre vers le fond, c'est-à- dire en direction du coeur 5. Il s'ensuit que le débit 2601178 de sodium à travers le coeur 5 est instable et difficile a assurer, ce qui peut conduire à des températures élevées dans les éléments combustibles du coeur. La figure 2 illustre la solution selon l'invention; dans 5 un but de simplification, on a attribué aux parties correspondantes de cette figure les mêmes repères de référence. Dans ce cas, les échangeurs auxiliaires sodium-sodium 8 du circuit de dissipation de puissance résiduelle sont installés dans le collecteur froid 1. Les échangeurs auxiliaires 8 sont cepen10 dant installés au niveau du collecteur froid 2. Dans ce but, les échangeurs auxiliaires 8 sont entourés par des anneaux qui, dans ce cas spécifique, sont des anneaux cylindriques 9, au nombre de deux et qui sont reliés à leur base aux structures de séparation hydraulique 3 et 4 entre les collec15 teurs chaud et froid. Cette solution ne présente pas de contre-indication lorsque l'installation fonctionne dans des conditions normales: dans ce cas, le sodium du collecteur froid présente une température d'environ 400 C, tandis que le sodium du collec20 teur chaud présente une température d'environ 550 C. Les échangeurs auxiliaires enlèvent une faible partie de la puissance au sodium dans le collecteur froid et la cède à l'atmosphère via les échangeurs sodium-air mentionnés précédemment. Cette dissipation de puissance présente cependant un 25 effet positif du fait qu'elle sert à abaisser la température de la couche de sodium contenue entre les structures 9 et 10, et donc entre les structures 3 et 4, dont les structures 9 et constituent le prolongement entourant les échangeurs 8. De cette façon, le sodium contenu à l'intérieur de l'anneau 10 le plus intérieur est maintenu à une température relativement proche de 400 C, en dépit de l'apport de chaleur réalisé par conduction du fait du sodium du collecteur chaud qui l'entoure. De cette façon, les circuits d'évacuation de puissance résiduelle sont maintenus dans des conditions de travail normales à l'état d'attente active, à une température d'environ 400 C, tandis que dans les solutions connues représentées à la figure 1, et à l'état d'attente active, ils restent à une température d'environ 550 C. 6 2601178 Cette situation est illustrée sur les figures 3/A et 3/B qui se rapportent toutes les deux à la situation qui existe à l'état d'attente active dans les collecteurs auxiliaires 8 et dans les échangeurs sodium-air 80. Comme on l'a déjà mentionné, la figure 3/A se rapporte à la solution connue de la figure 1 tandis que la figure 3/B se rapporte à la solution selon l'invention représentée à la figure 2. Après l'arrêt du réacteur, par suite de l'inertie des pompes qui continuent à tourner pendant quelque temps, la 10 température entre les collecteurs chaud et froid tente à s'uniformiser à une valeur intermédiaire et cette situation est représentée schématiquement sur les figures 4/A et 4/B. La figure 4/A se rapporte à la solution connue tandis que la solution 4/B se rapporte à la solution selon l'inven15 tion. On peut voir clairement sur la figure 4/A que le sodium secondaire présent dans l'échangeur auxiliaire 8 a une température inférieure à celle du sodium secondaire dans l'échangeur sodium-air 80 situé à un niveau plus élevé: ainsi, dans la solution connue, la mise en route de la circulation natu20 relle du sodium secondaire entre l'échangeur auxiliaire 8 et l'échangeur sodiumair 80 situé au-dessus de lui est retardée jusqu'à ce que la température à l'intérieur du collecteur chaud commence à augmenter à nouveau. Au contraire, dans le système illustré à la figure 4/B, les échangeurs auxiliaires 8 25 et 10 et l'échangeur sodium-air 80 se trouvent à une température légèrement supérieure à celle de l'autre, si bien que la mise en route de la circulation naturelle du sodium secondaire est accélérée. Ainsi, selon l'invention, dans une situation d'arrêt, 30 l'intervention des échangeurs auxiliaires et-des échangeurs air-sodium est plus rapide. On va maintenant voir que, selon l'invention, même après le départ de la circulation naturelle à l'intérieur des échangeurs auxiliaires, la dissipation de la puissance résiduelle 35 est mise en oeuvre de façon plus efficace. L'évacuation de la puissance résiduelle par suite de la circulation du sodium primaire est due à l'effet moteur provoqué par les éléments combustibles. Au cours de la phase 7 2601178 de dissipation de la puissance résiduelle à l'aide de la circulation naturelle du sodium primaire, celui-ci s'écoule du coeur 5 en direction du collecteur chaud 2. De là, il entre dans les échangeurs intermédiaires 6, via les ouvertures supérieures 61, et s'évacue par les ouvertures inférieures 62 vers le collecteur froid 1. Il retourne ensuite via les pompes 70 et les conduites 7 dans le coeur 5 pour effectuer à nouveau le trajet qui vient d'être mentionné. Selon l'invention, le sodium chaud en provenance des 10 fenêtres inférieures 62 des échangeurs intermédiaires 6 se stratifie dans la partie supérieure du collecteur froid 1 (en plus de la course de mélange du sodium froid à l'intérieur de cette partie) et pénètre ainsi à l'intérieur de l'anneau 10 qui entoure l'échangeur auxiliaire 8. Il pénètre ainsi via les 15 ouvertures supérieures 81 de l'échangeur auxiliaire 8 et, après s'être refroidi à l'intérieur de cet échangeur, encore en circulation naturelle, il sort via les ouvertures inférieures 82. Il est ensuite aspiré en retour à partir de ces ouvertures par les pompes 70 et les canalisations 7 en 20 direction du coeur 5. On remarquera qu'afin d'assurer la circulation naturelle du sodium primaire à l'intérieur du coeur 5, il est nécessaire que le bord supérieur 63 des ouvertures inférieures 62 des échangeurs intermédiaires 6 soit à un niveau supérieur à celui 25 du centre thermique (q) du coeur 5. Cette solution réalisée à l'aide de l'invention, lorsque la séparation entre le collecteur froid et le collecteur chaud est réalisée à l'aide d'au moins deux structures 9 et 10, tel que représenté sur les figures, permet le refroidissement par 30 circulation naturelle des éléments combustibles usés disposés dans le stockage interne situé autour du coeur 5. A l'aide de l'installation selon l'invention, ce refroidissement est réalisé dans un état de fonctionnement quelconque du réacteur. Dans ce but, la partie supérieure de l'anneau extérieur 9 qui 35 entoure les échangeurs auxiliaires 8 est équipée de trous calibrés 15. Le sodium du collecteur chaud 2 pénètre à travers ces trous calibrés dans l'intervalle existant entre les deux anneaux 9 et 10 et, par conduction, cède de la chaleur au 8 2601178 sodium du collecteur froid contenu entre l'anneau interne 10 et la paroi extérieure de l'échangeur auxiliaire 8. Cette chaleur est en retour cédée au sodium secondaire de l'échangeur auxiliaire 8 et au moins partiellement, via 5 celui-ci, à l'ambiance à l'aide de l'échangeur sodium-air. Une seconde fraction de cette chaleur est cédée au sodium du collecteur froid dans la zone située en-dessous des -échangeurs auxiliaires 8. Le sodium qui descend dans l'intervalle existant entre les anneaux 9 et 10 continue son parcours 10 dans l'intervalle 16 existant entre les deux structures 3 et 4, servant de séparation hydraulique entre les collecteurs froid et chaud. De cette façon, le sodium circulant dans l'intervalle 16 déjà refroidi à l'aide du mécanisme qui vient d'être décrit, ne crée pas de gradients thermiques excessifs 15 dans la masse de. la structure 3. L'écoulement du sodium en circulation dans l'intervalle 16 se termine en refroidissant les éléments combustibles 14 stockés autour du coeur 5. Selon un mode de réalisation en variante, les échangeurs auxiliaires 8 peuvent être situés à l'extérieur par rapport aux éléments de 20 séparation hydraulique 3 et 4. Dans ce cas, les échangeurs auxiliaires peuvent être insérés à l'intérieur du collecteur froid sans les structures de confinement 9 et 10 prévues dans la solution citée précédemment. Dans ce cas, les structures 3 et 4 doivent prévoir des boucles circonférencielles afin de laisser l'espace nécessaire pour l'installation des échangeurs sodium-sodium. Cette solution structurelle permet d'éliminer la structure 90 de confinement du sodium en provenance du collecteur froid (figure 1). Cette structure de confinement 90 a pour fonction de faire transiter un faible pourcentage du débit total de sodium primaire froid de façon à ce qu'il vienne lécher le réservoir principal pour le refroidir. En effet, la présence des échangeurs sodium-sodium 8 à l'extérieur de la structure de séparation 3 permet d'absorber la chaleur transmise au sodium à la 35 partie supérieure du collecteur froid par conduction via les structures 3 et 4 citées précédemment. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 9 2601178 REVENDICATIONS 1.- Bloc-réacteur pour un réacteur nucléaire rapide, permettant l'évacuation par circulation naturelle de la puissance résiduelle à l'arrêt, du type comportant: - un réservoir contenant le sodium primaire, - un coeur d'éléments combustibles, - au moins une structure de séparation hydraulique qui divise, avec ledit coeur, le volume du réservoir en un collecteur supérieur chaud et un collecteur inférieur 10 froid, - des échangeurs intermédiaires qui traversent la structure de séparation hydraulique, ainsi que - des pompes pour faire circuler le sodium contenu dans le collecteur froid en direction du fond du coeur des 15 éléments combustibles, dans lequel il est prévu, pour dissiper la puissance résiduelle en cas d'arrêt du réacteur, des échangeurs auxiliaires sodiumsodium dont le fluide primaire est constitué par le sodium contenu dans le réservoir et dont le fluide secondaire cède de 20 la chaleur en retour à l'air ambiant à l'aide d'échangeurs sodium-air adéquats, caractérisé par le fait que les échangeurs auxiliaires (8) sont immergés dans le collecteur froid (1) au niveau du collecteur chaud (2) dont ils sont séparés par au moins un anneau (9, 10). 2.- Bloc-réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les échangeurs auxiliaires (8) traversent la structure de séparation hydraulique (3, 4) entre le collecteur chaud (2) et le collecteur froid (1) et sont séparés du collecteur chaud par au moins un anneau (9, 10). 3.- Bloc-réacteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la structure de séparation hydraulique comporte deux éléments (3, 4) qui définissent un intervalle intermédiaire (16) dans lequel ces éléments s'étendent tous les deux sous la forme d'anneaux (9, 10) autour des 35 échangeurs intermédiaires (8). 4.- Bloc-réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'anneau extérieur (9) entourant chaque échangeur auxiliaire (8) est muni, 2601178 à sa partie supérieure, d'un nombre convenable de trous calibrés (15). 5.- Bloc-réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, équipé d'échangeurs intermédiaires qui présentent une enveloppe cylindrique entourant chaque échangeur intermédiaire, ladite enveloppe comportant des ouvertures supérieures pour l'entrée du sodium du collecteur chaud et des ouvertures inférieures pour la sortie du sodium en direction du collecteur froid, caractérisé par le fait que les bords supérieurs (63) des ouvertures inférieures (62) sont situés à un niveau plus élevé que le centre thermique (q) du coeur (5). 6.- Bloc-réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'en cas d'arrêt du réacteur et de refroidissement du combustible par circula15 tion naturelle, les moyens de sortie (62) du sodium en provenance du collecteur chaud (2) sont situés au-dessus du niveau du centre thermique (q) du coeur (5).