Brevet FR2615648A1 — publié le 19881125

La présente invention concerne des réacteurs nuclé- aires à refroidissement par du sodium. L'invention porte plus particulièrement sur un circuit de sodium perfectionné pour un système de refroidissement auxiliaire d'une cuve de réac- teur, destiné à augmenter le transfert de chaleur à travers la cuve du réacteur vers un écoulement d'air, pour l'extrac- tion de la chaleur résiduelle que dégage un réacteur au so- dium qui a été arrêté dans des conditions d'urgence. Dans certains réacteurs refroidis par du sodium, un système de refroidissement par air est prévu à l'extérieur immédiat de la cuve du réacteur et de la cuve de confinement. Ce système de refroidissement par air assure la dissipation de la chaleur résiduelle en cas d'arrêt d'urgence du réacteur. On ne décrira pas davantage ici de tels systèmes de refroidis- sement par air, du fait qu'ils sont bien connus dans l'art an- térieur. L'invention porte au contraire sur la dissipation de la chaleur à travers les parois de la cuve du réacteur et de la cuve de confinement, de façon qu'elle puisse atteindre le système de refroidissement par air. Dans certains réacteurs refroidis par du sodium, une chemise de la cuve du réacteur sépare le bassin de sodium chaud et le bassin de sodium froid. La chemise de la cuve du réacteur a pour but de séparer le bassin chaud du réacteur et le bassin froid du réacteur, et de produire une circula- tion forcée de fluide à travers l'échangeur de chaleur inter- médiaire-qui se trouve à l'intérieur de la cuve du réacteur. La chemise de la cuve du réacteur a une fonction secondaire vitale. Cette fonction consiste à court-circuiter la circula- tion à travers l'échangeur de chaleur intermédiaire vers l'espace de circulation de la chemise de la cuve du réacteur, près de la paroi de la cuve du réacteur. Une telle mise en court-circuit est nécessaire pour la dissipation de la cha- leur résiduelle en cas d'arrêt du fonctionnement des systèmes d'évacuation de chaleur normaux. La chaleur résiduelle s'échappe, à travers la cuve du réacteur et la cuve de confine- ment. En présence d'un tel incident, on suppose que les barres de commande du réacteur sont entièrement introduites dans le coeur. Avec cette introduction complète, il reste néanmoins une production de chaleur résiduelle qui doit être dissipée. C'est la dissipation de cette chaleur résiduelle et l'activation du chemin de circulation du fluide de refroidis- sement (qui est ici du sodium liquide) qui constituent le sujet de l'invention. Dans la description de l'invention, on examinera en détail le chemin de circulation pour le fonctionnement normal dans l'art antérieur, et le chemin de circulation pour l'éva- cuation de la chaleur résiduelle dans l'art antérieur. On in- sistera plus particulièrement sur les inconvénients du chemin de circulation pour l'évacuation de la chaleur résiduelle dans l'art antérieur. Ensuite, et une fois que ces inconvé- nients auront été compris, on présentera le perfectionnement que constitue l'adjonction de pompes à jet de fluide qui as- pirent le fluide du bassin froid pour le décharger dans le bassin chaud, à une pression légèrement plus élevée. On insis- tera sur le fait que l'invention procure un circuit de sécuri- té perfectionné. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1A: une représentation en coupe et en éléva- tion d'un réacteur refroidi par sodium appartenant à l'art antérieur, qui illustre le circuit de circulation pendant le fonctionnement normal du réacteur; Figure lB: une vue en plan du réacteur de la figure 1A, selon les lignes lB-lB de la figure 1A et de la figure 1C; Figure 1C: une représentation du chemin de circula- tion du fluide de refroidissement, consistant en sodium, qui est utilisé dans l'art antérieur, pendant le fonctionnement d'un système de refroidissement auxiliaire de la cuve du réac- teur, montrant le circuit de circulation du sodium pour la dissipation de la chaleur vers un écoulement d'air passant à l'extérieur de la cuve de confinement; Figure 2A: une illustration du perfectionnement comprenant la pompe à jet de fluide installée en communication avec l'espace de circulation de la chemise de la cuve du réacteur, qui établit une différence de charge hydrostatique du fluide de refroidissement entre le bassin froid de sodium liquide et le bassin chaud de sodium liquide, qui est à une pression légèrement supérieure; et Figure 2B: une représentation du circuit de fluide de refroidissement perfectionné pour le refroidissement auxi- liaire de la cuve du réacteur, en cas de perte de la pression de la pompe de fluide de refroidissement. En considérant la figure 1A, on voit un réacteur à sodium liquide qui est enfermé à l'intérieur d'une cuve de confinement C et d'une cuve de réacteur V. Comme il est habi- tuel dans la technique, la cuve de confinement C est placée à faible distance de la cuve de réacteur V et est capable de contenir le sodium liquide S en cas de rupture de la cuve de réacteur V. On pourra mieux discerner les éléments du réacteur en suivant le chemin de circulation du fluide de refroidisse- ment, consistant en sodium, et en décrivant simultanément les éléments constitutifs. En poursuivant l'examen de la figure 1A et en se souvenant qu'on considère que le réacteur fonctionne à puis- sance normale, on note que le coeur 12 échauffe le sodium S 26 1 56AB qui le traverse et évacue le sodium S vers un bassin chaud 14. Le bassin chaud 14 est confiné à l'intérieur du réacteur par une chemise de cuve L. Il est important de noter que la chemise de cuve L ne s'étend que sur une partie de la hauteur totale de la cuve de réacteur V, et se termine en 16, au- dessous de la partie supérieure de la cuve de réacteur V. Le sodium qui provient du bassin chaud 14 entre dans l'échangeur de chaleur intermédiaire H et dissipe de la chaleur. La chaleur est dissipée au moyen d'un circuit de so- dium secondaire, désigné schématiquement par la référence 18, qui est dirigé de façon caractéristique vers un échangeur de chaleur de production de vapeur, la vapeur ainsi produite étant ensuite dirigée vers un système classique de production d'énergie électrique (aucun de ces éléments n'est représenté). Apres échange de chaleur et perte de charge du fait de l'écoulement dans l'échangeur de chaleur H, le sodium li- quide passe vers'le bassin froid 20. Le bassin froid 20 est à une pression hydrostatique inférieure à celle du bassin chaud 14, à cause de la perte de charge à la traversée de l'échan- geur de chaleur H. Le fluide du bassin froid 20 s'écoule vers l'entrée 24 de pompes de réacteur principales P, en traver- sant des cylindres fixes 22, formant écran. Les pompes de réacteur principales P sont de façon caractéristique du type électromagnétique et elles ont une entrée à basse pression 24 et une sortie à haute pression 26. Le sodium qui sort par la sortie à haute pression 26 traverse le tuyau d'évacuation de pompe 28 en direction de l'entrée du coeur 12. Ceci achève le circuit de sodium. Le bassin froid 20 du réacteur est maintenu à une pression légèrement inférieure (environ 28 kPa) à celle du bassin chaud du réacteur, pendant le fonctionnement normal. Les barres de commande du réacteur, qui sont nécessaires, sont introduites dans une chambre de barres de commande 30 et ex- traites de cette dernière. Du fait que les barres de commande ne font pas partie de l'invention, on ne les examinera pas davantage. Le lecteur notera que la figure 1A et sa description constituent une représentation excessivement simplifiée du réacteur refroidi par sodium. Dans la pratique réelle, le réacteur comporte deux échangeurs de chaleur de section réni- forme H et quatre pompes P. On peut comprendre la disposition des pompes P et des échangeurs de chaleur H en se référant à la figure lB. On notera en outre que la coupe de la figure 1A a pour but de faciliter la compréhension. On remarquera les li- gnes de coupe 1A-lAreprésentées sur la figure lB. La position des lignes de coupe lA-lA sur la figure lB montre qu'il ne s'agit pas d'une coupe habituelle. En considérant la figure 1C, on peur comprendre la boucle de circulation du sodium dans le système de refroidis- sement auxiliaire de la cuve de réacteur de l'art antérieur. Premièrement, et lorsque se produit un incident en- traînant la perte de tous les chemins normaux d'extraction de chaleur par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur inter- médiaire H et du circuit de sodium secondaire 18, on suppose que l'alimentation des pompes électriques est entièrement in- terrompue. Du fait de l'interruption de toute alimentation électrique, les pompes P cessent de fonctionner. En cas de perte de la pression du fluide de refroi- dissement sortant des pompes, les barres de commande se trou- vant dans la chambre 30 sont entièrement introduites dans le coeur 12. Initialement, et pendant une durée de quelques heu- res, la chaleur résiduelle dans le coeur 12 établitun circuit de circulation de sodium primaire identique à celui qui est représenté sur la figure 1A. Cependant, avec la perte de la pression des pompes P, le débit de la circulation naturelle de sodium primaire sera égal à 2% ou 3% du débit normal. En environ deux ou trois heures, un changement des conditions thermiques se produira dans le réacteur. Ce der- nier s'échauffera depuis une température normale de bassin chaud d'environ 470 C jusqu'à une température d'environ 540 C aussi bien dans le bassin chaud que dans le bassin froid. Cet échauffement résulte du fait que même avec les barres de com- mande entièrement introduites, une chaleur résiduelle prove- nant des réactions atomiques dans le coeur 12 doit être dissi- pée. Le circuit de fluide de la figure 1A lorsque les pompes ne fonctionnent pas n'a qu'une action marginale en ce qui concerne la dissipation exigée de la chaleur résiduelle du réacteur, à long terme. Lorsque la température du sodium augmente, ce dernier se dilate. En se dilatant, il passe du niveau relativement bas représenté sur la figure 1A au niveau relativement élevé qui est représenté sur la figure 1C. En fait, le niveau du sodium s'élève et le sodium passe au-dessus de la paroi supérieure 16 de la chemise L de la cuve du réac- teur. C'est à ce point que se forme un circuit de circulation nouveau (mais appartenant à l'art antérieur) qui procure la dissipation de chaleur nécessaire. En considérant la figure 1C, on note qu'une circula- tion a lieu du bassin froid 20 du réacteur vers le tuyau d'évacuation de pompe 28, en passant par le collecteur d'en- trée de pompe 24, la pompe P et le collecteur de sortie 26. Le sodium traverse le coeur 12 pour pénétrer dans le bassin chaud 14. Dans le bassin chaud 14, une partie du sodium traverse l'échangeur de chaleur intermédiaire H. La plus grande partie du sodium passe en 16 au sommet de la chemise L de la cuve, et entre dans l'espace de circulation G de la chemise de la cuve. En se souvenant du fait que l'espace de circulation G de la chemise de la cuve s'étend entièrement autour de la périphérie de la cuve du réacteur, V, on peut-voir qu'un meilleur chemin d'évacuation de chaleur est établi pour le sodium chaud. Du fait que l'extérieur de la cuve de confine- ment C est continuellement refroidi par un écoulement d'air, on voit que le circuit de circulation de l'art antérieur de la figure 1C procure la dissipation améliorée qui est néces- saire pour la chaleur résiduelle provenant du réacteur qui a été arrêté. Dans l'industrie nucléaire, on cherche toujours à améliorer les marges de sécurité. Pour comprendre l'inven- tion, il est nécessaire de revoir les considérations de sécu- rité concernant le circuit de réacteur de l'art antérieur qu'on vient de décrire. On notera que le circuit de circulation qui est re- présenté sur la figure 1C est sous la dépendance du volume de sodium qui se trouve à l'intérieur de la cuve de réacteur V. Si le volume est inférieur à celui qui est représenté sur la figure 1A, le réacteur devra subir un échauffement transitoi- re plus important pour donner lieu à la dilatation du sodium S qui est nécessaire pour provoquer le débordement exigé au- dessus de la chemise. L'intérieur de la cuve de réacteur V est un envi- ronnement extrêmement hostile. Le fonctionnement des jauges de niveau de sodium a été et est toujours suspect. Dans un système de circulation-de sodium qui est sous la dépendance du volume de sodium, le fonctionnement défectueux d'une jauge de niveau pourrait parfaitement conduire à une situation dans laquelle le réacteur serait soumis à des variations transi- toires de température plus importantes que celles prévues à l'origine pour l'établissement du circuit de circulation de la figure 1C. En outre, et en supposant qu'il se produise une rupture dans la cuve V, laissant passer le sodium vers la cuve de confinement C, le niveau du sodium diminuerait et le circuit de circulation de la figure 1C ne serait pas établi sans une variation transitoire de température plus élevée, son établissement n'étant d'ailleurs même pas assuré. Sous une forme simple, on peut dire que le circuit de circulation de la figure 1C présente des inconvénients démontrables, con- nus de l'homme de l'art. La figure 2A illustre le perfectionnement qu'appor- te l'invention. En termes simples, on a installé une pompe à jet de fluide 40 de part et d'autre de la chemise L de la cuve du réacteur. La pompe à jet de fluide 40 comporte une entrée 42 dans l'espace de circulation G de la chemise de la cuve du réacteur, un venturi 44 et une sortie 46. La sortie 46 est de façon caractéristique à l'intérieur du bassin de sodium, et elle est parallèle à la surface du bassin de so- dium et bien en-dessous de cette dernière, pour éviter un jaillissement du sodium liquide à la surface supérieure du bassin pendant le fonctionnement normal du réacteur. Pendant le fonctionnement normal du réacteur, la pompe à jet de fluide 40 est alimentéeà partir d'un conduit de sodium à haute pression 48. Le conduit de sodium 48 com- porte une entrée 49 dans la chambre à haute pression 26 de la pompe P, et une sortie à vitesse élevée 50 dans le ventu- ri 44. En présence d'un écoulement de fluide de pompage de la chambre à haute pression 26 vers le venturi 44, la pompe à jet de fluide 40 entraînera un écoulement de fluide. Cet écoulement de fluide sera dirigé du bassin froid vers le bassin chaud 14, en passant par l'espace de circulation G de la chemise de la cuve du réacteur. Comme le montre la figure 2A, conjointement à l'écoulement dans l'échangeur de chaleur intermédiaire H, la pompe à jet de fluide 40 de la figure 2A contribuera à établir la différence de pression exigée entre le bassin froid, dans l'espace de circulation G de la chemi- se de la cuve du réacteur, et le bassin chaud 14. On notera qu'une seule pompe à jet de fluide 40 est représentée sur la figure 2A. Dans la pratique réelle, on envisage à l'heure actuelle d'utiliser huit pompes à jet de fluide 40, en faisant communiquer deux de ces pompes avec chaque pompe P. On notera que le nombre de pompes 40 et leur disposition seront choisis dans un processus d'optimisation qui dépendra des conditions thermodynamiques de la circula- tion de fluide de n'importe quel réacteur au sodium particu- lier. En considérant la figure 2B, on pourra comprendre aisément le fonctionnement de la pompe 40 en cas de perte de la haute pression à l'intérieur de la chambre à haute pres- sion 26 de la pompe P. Comme indiqué précédemment, une perte de la haute pression dans la pompe P se produira à la suite de la perte des chemins normaux d'évacuation de la chaleur, ce qui exige une activation rapide du chemin de débordement. Premièrement, la pompe à jet de fluide 40 ne fonc- tionnera plus. Secondement, du sodium liquide provenant du bassin chaud 14 du réacteur sera immédiatement refoulé vers l'espace de circulation G de la chemise de la cuve du réac- teur, en passant par la sortie 46 de la pompe à jet de fluide, en direction de l'entrée 42 de cette pompe. En résu- mé, la pompe à jet de fluide 40 fonctionnera à la manière d'une soupape de retenue non mécanique, permettant l'établis- sement immédiat d'un circuit de circulation du bassin chaud 14 de la cuve du réacteur vers l'espace de circulation G de la chemise de la cuve du réacteur. Le lecteur comprendra que du fait de l'établisse- ment d'un circuit de circulation immédiat du bassin chaud du réacteur vers l'espace de circulation G de la chemise de la cuve du réacteur, un échauffement transitoire du réacteur pour produire la dilatation exigée du sodium n'est plus né- cessaire. Le circuit de refroidissement supplémentaire est au contraire immédiatement établi, et dès l'arrêt de la pom- pe P. L'invention procure ainsi une structure de réacteur perfectionnée. Cette structure perfectionnée comprend la caractéristique qui consiste en ce qu'une élévation de tem- pérature transitoire n'est pas nécessaire pour activer le circuit de refroidissement de l'art antérieur qui est repré- senté sur la figure 1C. En outre, le circuit de refroidissement de l'in- vention n'est plus aussi dépendant du volume ou du niveau de sodium liquide S que doit contenir un réacteur. Le sys- tème de l'invention fonctionne aussi 'longtemps que le niveau 26 15684 de sodium se trouve au-dessus de la sortie 46 de la pompe à jet de fluide 40. On peut.spécialement comprendre l'avantage de ceci dans le cas o il se produit une rupture de la cuve du réac- teur, et un écoulement vers la cuve de confinement. Lorsqu'un tel écoulement se produit, on observe une chute du niveau de sodium S. Cette chute du niveau de sodium S n'affectera pas le fonctionnement du circuit de refroidissement de l'inven- tion, ni son établissement immédiat. En outre, le circuit de refroidissement de l'inven- tion est moins dépendant de l'exactitude de jauges de niveau de sodium à l'intérieur de la cuve de réacteur V. Il y a un prix à payer pour la caractéristique de sécurité du système de l'invention. On note que le bassin chaud 14 du réacteur est dilué par une petite circulation directe provenant du bassin froid de la cuve du réacteur en passant par l'espace de circulation G de la chemise de la cuve. En outre, les pompes à jet de fluide 40 utilisent de l'énergie de la pompe P. Il est donc nécessaire d'augmenter la taille des pompes et des échangeurs de chaleur, pour per- mettre une augmentation d'environ 15% du débit global du système. En outre, la température dubassin chaud diminuera. Cependant, la puissance de sortie globale du réacteur restera pratiquement inchangée. A titre d'exemple, dans un réacteur de 400 méga- watts, environ 4 mégawatts seront utilisés pour le pompage. Dans le mode de réalisation de l'art antérieur de la figure 1C, le pompage nécessaire exigera 4,6 mégawatts avec l'in- corporation du circuit de sécurité de l'invention. On considère que ces changements exigés dans la capacité des échangeurs de chaleur et des pompes seront plus que compensés par la sécurité accrue qui a été indiquée. 2 6 1 5 6 4 8 ii REVENDICATIONS 1. Réacteur refroidi par sodium du type comportant un bassin chaud de réacteur (14), un bassin froid de réacteur (20) à pression légèrement inférieure, et une chemise de cuve de réacteur (L) définissant un espace de circulation (G) de chemise de cuve de réacteur qui sépare le bassin chaud (14) et le bassin froid (2.0), le long des parois latérales de la cuve du réacteur (V), et dans lequel le circuit de sodium normal.dans le réacteur comprend des pompes principales (P) de fluide de refroidissement du réacteur au sodium, ayant un orifice d'aspiration dans le bassin froid de sodium à pres- sion inférieure (20) et une sortie qui débite dans un coeur de réacteur (12); ce coeur de réacteur (12) étant destiné à chauffer le sodium et à évacuer le sodium vers le bassin chaud (14) du réacteur; un échangeur de chaleur (H) destiné à recevoir du sodium provenant du bassin chaud (14), et à extraire de la chaleur du sodium et à évacuer le sodium vers le bassin froid à pression inférieure (20); caractérisé en ce qu'une pompe à jet de fluide (40) est. installée de part et d'autre de la chemise de cuve de réacteur (L), et com-. prend: un venturi (44) installé de façon à communiquer avec les deux côtés de la chemise de cuve de réacteur (L), une entrée inférieure (42) de la pompe à jet de fluide (40), communiquant avec le bassin froid de la cuve du réacteur, à travers la chemise de cuve de réacteur (L), et une sortie supérieure (46) dans.le bassin chaud (14) de la cuve du réacteur; une entrée de fluide de pompage (49) qui communi- que avec la sortie à haute pression des pompes principales de fluide de refroidissement (P) du réacteur au sodium, cet- te entrée débitant du sodium à vitesse élevée vers le ventu- ri (44) de la pompe à jet de fluide, grâce à quoi pendant le fonctionnement normal des pompes principales de fluide de refroidissement (P) du réacteur au sodium, la pompe à jet de fluide (40) maintient une différence de pression entre le bassin froid à pression inférieure (20) et le bassin chaud (14); et en cas d'arrêt de fonctionnement de la pompe princi- pale de fluide de refroidissement (P) du réacteur au sodium,. la pompe à jet (40) permet un refoulement immédiat du sodium du bassin chaud (14) vers le bassin froid à pression infé- rieure (20), en passant par l'espace de circulation (G) de la chemise de la cuve du réacteur, pour établir un refroidis- sement immédiat pour l'évacuation de la chaleur résiduelle du réacteur, à travers la paroi de la cuve du réacteur (V). 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie (46) de la pompe à jet de fluide (42) est parallèle à la surface du sodium liquide dans le réacteur, et nettement au-dessous de cette surface. 3. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de pompes à jet de fluide (40). 4. Réacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de pompes principales de fluide de refroidissement (P) de réacteur au sodium, et en ce que chacune de ces pompes est équipée de plusieurs pompes à jet de fluide (40). 5. Réacteur refroidi par sodium, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un bassin chaud de réacteur (14), un bassin froid de réacteur (20) à pression inférieure; une chemise de cuve de réacteur (L) qui sépare le bassin chaud (14) et le bassin froid (20) et qui se trouve à l'in- térieur d'une cuve de réacteur (V) et à proximité immédiate des parois latérales de la cuve de réacteur; une pompe prin- cipale de fluide de refroidissement (P) du réacteur au so- dium, ayant un orifice d'aspiration dans le bassin froid à pression inférieure (20), et une sortie; un coeur de réacteur (12) destiné à chauffer le sodium qui est évaeué par la pom- pe, ce coeur de réacteur ayant une entrée qui communique avec la sortie de la pompe (P), et une sortie qui communique avec le bassin chaud de réacteur (14); un échangeur de chaleur (H) destiné à recevoir du sodium provenant du bassin chaud, à extraire de la chaleur du sodium et à évacuer le sodium vers le bassin froid (20); une pompe à jet de fluide (40) compor- tant un venturi (44), installée de part et d'autre de la che- mise de cuve de réacteur (L), cette pompe à jet de fluide (40) ayant une entrée inférieure (42) qui communique avec le bassin froid (20) de la cuve de réacteur, et une sortie supérieure (46) qui communique avec le bassin chaud (14) de la cuve de réacteur; un jet de pompage ayant une entrée (49) qui communi- que avec la sortie à haute pression de la pompe principale de fluide de refroidissement (P) du réacteur au sodium, et qui comporte une sortie communiquant avec le venturi (44) de la pompe à jet de fluide (40), grâce à quoi pendant le fonction- nement des pompes de fluide de refroidissement principales (P) du réacteur au sodium, la pompe à jet de fluide maintient une différence de pression entre le bassin froid à pression inférieure (20) et le bassin chaud (14), et en cas de perte des chemins normaux d'évacuation de chaleur, et d'arrêt asso- cié des pompes de fluide de refroidissement principales (P) du réacteur au sodium, la pompe à jet (40) permet un refoule- ment immédiat du bassin chaud (14) vers le bassin froid à pression inférieure (20), par l'espace de circulation (G) de la cuve du réacteur, pour établir immédiatement un chemin de circulation pour le refroidissement du sodium, afin d'évacuer la chaleur résiduelle du réacteur à travers la cuve du réac- teur (V). 6. Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie (46) de la pompe à jet de fluide (40) dans le bassin chaud (14) de la cuve du réacteur est prallèle à la surface de ce bassin chaud. 7. Réacteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un ensemble de pompes à jet de fluide (40) sont associées au réacteur refroidi par sodium. -