Brevet FR2605136A1 — publié le 19880415

L'invention concerne un dispositif de re- froidissement de la cuve principale d'un réacteur nu- cléaire à neutrons rapides refroidi par un métal li- quide tel que le sodium. Dans les réacteurs nucléaires à neutrons ra- pides refroidis par un métal liquide, la cuve princi- pale de grandes dimensions contient du métal liquide dans lequel plonge le coeur du réacteur. Cette cuve comporte généralement une paroi latérale cylindrique et un fond bombé et sa suspension à la structure du réacteur est assurée par l'intermédiaire de l'extrémi- té supérieure de sa paroi cylindrique. Le niveau du métal liquide dans la cuve principale est tel que la partie supérieure de la pa- roi cylindrique est en contact avec ce sodium jusqu'à une certaine hauteur, la partie immergée est donc par conduction à la même température que le sodium qui est en contact avec elle; la partie supérieure de la cuve principale en contact avec du gaz a une température qui décroit pratiquement linéairement jusqu'à son en- castrement. Pour remplir son râle de supportage du coeur et d'enceinte intermédiaire de sécurité, la cuve doit être maintenue froide pendant son fonctionnement nor- mal (option à fluage négligeable); de plus le système doit être tel que le niveau libre de sodium en contact avec la cuve soit fixe pour éviter les problèmes de déformations progressives liés aux variations de ni- veau. Il faut donc maintenir froide et à un niveau fixe de sodium cette partie supérieure de la cuve principale située au droit du collecteur chaud (8). Parmi de nombreuses solutions, la plus usi- tée consiste à faire circuler du sodium refroidi en contact avec la surface intérieure de la paroi de la cuve, dans sa partie supérieure. Ce sodium refroidi ou sodium froid est prélevé ila sortie des pompes pri- maires et provient du collecteur froid du réacteur dans lequel débouche la sortie des échangeurs intermé- diaires. On assure, grâce à des moyens adaptés, l'in- jection de ce sodium froid dans un premier collecteur, ou collecteur de déversement, de forme annulaire et ménagé entre la partie supérieure de la paroi de la cuve principale, de forme globalement cylindrique, et une virole appelée virole de déversement coaxiale i la paroi de la cuVe principale et d'un diamètre inférieur au diamètre de cette cuve. La hauteur de la virole et du collecteur de déversement correspondent à une frac- tion de la hauteur de la cuve. Le sodium froid reçu dans le collecteur de déversement s'écoule dans un second collecteur annu- laire appelé collecteur de restitution. par dessus l'extrémité supérieure de la virole de déversement. Le collecteur de restitution est délimité par la virole de déversement constituant sa paroi externe et par une virole interne de forme globalement cylindrique coa- xiale à la virole de déversement et a la paroi de la cuve et d'un diamètre inférieur à celui de la virole de déversement. Le fond du collecteur de restitution est percé de trous permettant le retour du sodium li- quide dans le collecteur froid de la cuve principale. Ces trous sont prévus en fonction du débit d'arrivée du sodium froid dans le collecteur de restitution, de façon que le niveau de sodium s'établisse dans ce col- lecteur à une certaine hauteur en-dessous du niveau de débordement du sodium correspondant à l'extrémité su- périeure de la virole de déversement. L'alimentation en sodium froid du collecteur de déversement est généralement assurée par des tubes le faisant communiquer avec le platelage supportant le sommier recevant les pieds des assemblages du coeur, dans lequel le sodium froid est injecté par les pom- pes. Dans les dispositifs connus, la virole de déversement et la virole interne sont reliées à un mime fond, si bien que les deux collecteurs ont une hauteur sensiblement équivalente. D'autre part, la hauteur de chute du sodium correspondant i la diffé- rence de niveau dans les deux collecteurs est telle que le déversement du sodium entraîne des phénomènes de vibration de la cuve et des viroles délimitant les collecteurs. En effet, les cuves principales des réac- teurs nucléaires à neutrons rapides construits actuel- lement ou en cours de conception présentent un diamè- tre important, de l'ordre de vingt mètres, et une épaisseur relativement faible, de l'ordre de vingt- cinq millimètres, permettant de limiter les contrain- tes thermiques et le poids de métal utilisé pour la construction de la cuve. Les viroles des collecteurs ont elles-mêmes des dimensions proches de celles de la cuve et ces ensembles sont extrêmement souples et comportent des périodes propres de vibrations très faibles et voisines les unes des autres. Des vibra- tions sont donc facilement engendrées lors du déverse- ment du sodium. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de refroidissement de la cuve principale d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par un métal liquide tel que le sodium, la cuve prin- cipale du réacteur contenant du métal liquide ayant une forme globalement cylindrique dans sa partie supé- rieure et étant disposée avec son axe vertical et le dispositif de refroidissement étant constitué par un premier collecteur annulaire ménagé entre la partie supérieure de la paroi de la cuve principale et une virole de déversement coaxiale à la cuve principale d'un diamètre inférieur à celui de la cuve, par un second collecteur annulaire ménagé entre la virole de déversement et une virole interne coaxiale i la cuve principale et à la virole de déversement et d'un dia- mètre inférieur à celui de la virole de déversement et par un moyen d'amenée de métal liquide refroidi dans le premier collecteur de façon à mettre en contact avec la paroi interne de la cuve principale, ce métal liquide refroidi qui s'écoule ensuite dans le second collecteur par dessus l'extrémité supérieure de la virole de déversement, pour retourner ensuite dans la cuve principale par des ouvertures prévues dans le fond du second collecteur, ce dispositif de refroidis- sement permettant de limiter les vibrations à un mini- mum, lors de la circulation du sodium refroidi. Dans ce but, la virole interne du second collecteur présente une hauteur sensiblement lnférieu- re à la hauteur de la virole de déversement, les ex- trémités supérieures de ces viroles étant sensiblement au même niveau et la partie inférieure de la virole interne du second collecteur étant reliée à la virole de déversement dans une zone éloignée des extrémités de cette virole de déversement. 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 refroidisse- ment suivant l'invention utilisé dans un réacteur nu- 260 5 136 cléaire i neutrons rapides de type intégré refroidi par du sodium liquide. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical d'une partie d'un réacteur nucléaire i neu- trons rapides comportant un dispositif de refroidisse- ment suivant l'invention. La figure 2 est une vue agrandie d'une par- tie de la figure 1 correspondant au dispositif de re- froidissement. Sur la figure 1, on voit une partie du puits de cuve 1 d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides à la partie supérieure duquel est fixée la dalle 2 fer- mant la cuve principale 3 du réacteur. La cuve 3 com- porte une paroi latérale cylindrique fermée par un fond bombé. La partie supérieure de la paroi latérale assure la suspension de la cuve 3 dans le puits de cuve 1. La cuve Principale 3 renferme du sodium liqui- de de refroidissement dans lequel est plongé le coeur 4 du réacteur constitué par des assemblages combusti- bles dont les pieds sont fixés dans un sommier 5 repo- sant sur un platelage 6 lui-même supporté par le fond de la cuve 3. La cuve principale renferme une cuve interne 7 délimitant à l'intérieur de la cuve principale un collecteur chaud rempli de sodium jusqu'au niveau 8 dans lequel est plongé le coeur 4 du réacteur et un collecteur froid contenant du sodium liquide jusqu'au niveau supérieur 9. Un échangeur intermédiaire 10 pé- nétre dans la cuve par une ouverture de la dalle 2 et traverse la cuve interne 7 de façon que sa partie su- périeure comportant des ouvertures d'entrée 11 soit dans le collecteur chaud et sa partie inférieure com- portant des ouvertures de sortie 12 dans le collecteur froid. Des pompes non représentées permettent de prélever le sodium refroidi provenant des sorties 12 des échangeurs intermédiaires tels que 10, dans le collecteur froid et de le réinjecter à la base du coeur, dans le sommier 5. Le sodium refroidi dans les échangeurs intermédiaires est ainsi renvoyé à la base du coeur 4 dans lequel il s'échauffe en circulant de bas en haut. Le dispositif de refroidissement de la par- tie supérieure de la cuve 3 désigné de façon générale par le repère 14 et visible sur les figures 1 et 2 comporte un premier collecteur 15, un second collec- teur 16 et un ensemble de tubes d'alimentation en sodium refroidi 17 joignant la partie basse du plate- lage 6 à la partie inférieure du premier collecteur 15. Le premier collecteur 15, ou collecteur de déversement, présente une forme annulaire et se trouve délimité par la partie supérieure de la paroi de la cuve principale 3 et par une virole de déversement 18 reliée à sa partie inférieure à la paroi de la cuve principale 3 par une plaque annulaire 19. La virole de déversement 18 comporte une partie inférieure 18a cy- lindrique reliée par son extrémité inférieure à la plaque annulaire 19, une partie tronconique intermé- diaire 18b évasée vers le haut et une partie supérieu- re cylindrique 18c terminée par un seuil de déverse- ment de forme arrondie 20. Les viroles successives 18a, 18b et 18c constituant la virole de déversement 18 sont toutes coaxiales à la cuve 3 et présentent un diamètre inférieur au diamètre de cette cuve. La plaque annulaire 19 constituant le fond du collecteur de déversement 15 est percée d'ouvertu- res dans lesquelles pénètrent les extrémités des tubes d'alimentation 17. 260 5 1 3 6 Du sodium refroidi provenant du sommier 5 dans lequel il est injecté par les pompes du réacteur pénètre donc dans le collecteur de déversement 15 qui se trouve rempli jusqu'à son niveau supérieur corres- pondant au seuil de déversement 20. Le second collecteur 16, ou collecteur de restitution, est délimité par la partie supérieure de la virole de déversement 18 et par une virole interne 21 reliée à sa partie inférieure à la virole de déver- sement par une plaque annulaire 22 soudée sur la viro- le de déversement et à l'extrémité de la virole inter- ne 21. La virole interne 21 comporte une partie infé- rieure 21a de forme tronconique et une partie supé- rieure 21b de forme cylindrique. L'extrémité supérieu- re de la partie 21b est à un niveau légèrement supé- rieur au niveau du seuil 20 et comporte un rebord an- nulaire horizontal. Les viroles successives 21a et 21b consti- tuant la virole interne 21 sont coaxiales à la virole de déversement 18 et à la paroi de la cuve principale 3. Ces viroles 21a et 21b ont des diamètres inférieurs au diamètre des parties correspondantes de la virole de déversement 18. La virole interne 21 et la virole de déversement 18 ont un espacement pratiquement cons- tant sur toute la hauteur du collecteur de restitution 16. Le fond 22 de ce collecteur est percé d'ouvertures 23 permettant le retour du sodium liquide, avec un dé- bit contrôlé dans le collecteur froid ménagé à l'inté- rieur de la cuve principale par la cuve interne 7. Les ouvertures 23 sont telles que le niveau du sodium re- froidi qui se déverse dans le collecteur de restitu- tion 16 s'établit en une position 25 située en-dessous de la partie supérieure de déversement du seuil 20. Pour éviter les risques de mise en vibration des viroles et de la cuve, la hauteur séparant la par- tie supérieure de déversement du seuil 20 du niveau 25 du sodium dans le collecteur 16 est maintenue à une valeur voisine de 0,32 mètre. De plus, suivant l'invention, la hauteur de la virole interne 21 du collecteur de restitution 15 est sensiblement inférieure a la hauteur de la virole de déversement 18. La partie supérieure de cette viro- le interne 21 étant a un niveau voisin du niveau du seuil 20, la partie inférieure de la virole 21 est re- liée à la virole 18, par la plaque 22 constituant le fond du collecteur de restitution 16, dans une zone de la virole 18 éloignée de ses extrémités. On choisira de préférence une virole interne ou virole de restitution 21 dont la hauteur est voisi- ne de la moitié de la hauteur de la virole 18. De façon plus générale, on pourra utiliser, en restant dans le cadre de l'invention, une virole de restitution 21 d'une hauteur comprise entre un tiers et deux tiers de la hauteur de la virole de déverse- ment 18. De cette façon, la virole interne ou virole de restitution 21 a une fréquence de vibration très différente de celle de la virole de déversement 18. De plus, la plaque annulaire 22 constituant le fond du collecteur de restitution 16 assure le raidissement de la virole de déversement 18 à laquelle elle est fixée, dans une zone qui est voisine de sa partie médiane ou au moins éloignée de ses extrémités. Les deux viroles délimitant le collecteur 16 ayant des périodes propres très différentes et une raideur beaucoup plus élevée que dans le cas des dis- positifs selon l'art antérieur, le risque de couplage en vibration des deux collecteurs est nul et les vi- brations n'ont plus tendance à s'amorcer, pendant la circulation du sodium de refroidissement schématisée par les flèches 27. De plus, la disposition selon l'invention a l'avantage de réduire la quantité de tôles métalliques utilisées pour la construction du dispositif de re- froidissement, la virole interne de restitution 21 étant de hauteur réduite. L'invention ne se limite pas au mode de réa- lisation qui a été décrit. C'est ainsi que la forme des viroles de dé- versement et de restitution respectivement peut être différente de celle qui a été décrite, que la fixation de la partie inférieure de la virole de restitution sur la virole de déversement peut être réalisée d'une autre manière que par l'intermédiaire d'une plaque an- nulaire et que la partie supérieure de la virole de restitution peut être placée au niveau exact de la partie supérieure de la virole de déversement. Enfin, le dispositif de refroidissement sui- vant l'invention s'applique à tout réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par un métal liquide. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de refroidissement de la cuve principale (3) d'un réacteur nucléaire i neutrons ra- pides refroidi par un métal liquide tel que le sodium. la cuve principale (3) du réacteur contenant du métal liquide ayant une forme globalement cylindrique dans sa partie supérieure et étant disposée avec son axe vertical et le dispositif de refroidissement (14) étant constitué par un premier collecteur annulaire (15) ménagé entre la partie supérieure de la paroi de la cuve principale (3) et une virole de déversement (18) coaxiale i la cuve principale (3), d'un diamètre inférieur à celui de la cuve principale, par un second collecteur annulaire (16) ménagé entre la virole de déversement (18) et une virole interne (21) coaxiale à la cuve principale (3) et à la virole de déversement (18) et d'un diamètre inférieur à celui de la virole de déversement (18) et par un moyen (17) d'amenée de métal liquide refroidi dans le premier collecteur (15). de façon à mettre en contact avec la paroi in- terne de la cuve principale (3), ce métal liquide re- froidi qui s'écoule ensuite dans le second collecteur (16) par dessus l'extrémité supérieure de la virole de déversement (18) pour retourner ensuite dans la cuve principale par des ouvertures (23) prévues dans le fond du second collecteur, caractérisé par le fait que la virole interne (21) du second collecteur (16) pré- sente une hauteur sensiblement inférieure à la hauteur de la virole de déversement (18), les extrémités supé- rieures de ces viroles (18, 21) étant sensiblement au même niveau et la partie inférieure de la virole in- terne (21) du second collecteur (16) étant reliée à la virole de déversement (18) dans une zone éloignée des extrémités de cette virole de déversement (18). 1, 2.- Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la hau- teur de la virole interne (21) du second collecteur (16) est comprise entre un tiers et deux tiers de la hauteur de la virole de déversement (18). 3.- Dispositif de refroidissement suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la hau- teur de la virole interne (21) du second collecteur (16) est voisine de la moitié de la hauteur de la vi- role de déversement (18). 4.- Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, carac- térisé par le fait que la partie inférieure de la virole interne (21) du second collecteur (16) est re- liée à la virole de déversement par l'intermédiaire d'une plaque annulaire plane (22) assurant le raidis- sement de la virole de déversement (18) dans une zone éloignée de ses extrémités. 5.- Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les ou- vertures (23) prévues dans le fond (22) du second col- lecteur (16) sont telles que le niveau (25) du sodium refroidi s'établit dans une position située sensible- ment 0,32 métre en-dessous de la partie supérieure de la virole de déversement (18) constituant le seuil de déversement.