Brevet FR2616578A1 — publié le 19881216

i.: 2616578 DISPOSITIF POUR E]PECHER LA PENETRATION DANS LE SOL D'UN COEUR DE REACTEUR NUCLEAIRE FONDU DOMAINE TECHNIQUE DE L' INVENTION L'invention concerne un dispositif pour empêcher la pénétration dans le sol d'un coeur de réacteur nucléaire fondu, notamment après perte de contr8le et emballement du réacteur. ETAT DE LA TECHNIQUE Pour la bonne compréhension de l'invention, on rappelle qu'un réacteur nucléaire à fission d'uranium est généralement constitué (figure 3) par un coeur 1 contenant le réacteur proprement dit, disposé à l'intérieur d'une enceinte 2 en béton. Cette enceinte est elle-même enfermée dans une autre enceinte 3 dite de confinement, également en béton, avec un fond 4, appelé "radier", de 4 à 5 mètres d'épaisseur, généralement supporté par des pilotis, de façon à constituer un ensemble anti-sismique. De récents incidents dans des centrales nucléaires ont montré que des risques d'accidents majeurs, pouvant conduire à la fusion du coeur, n'étaient pas à exclure. Dans ce cas, et notamment dans les centrales du type de celles installées en France, le système de double enveloppe et de filtres permet de confiner à l'intérieur de l'enceinte les vapeurs radioactives. Par contre, il est à peu près certain que la masse en fusion du corium ne pourra pas être stoppée, avec tous les risques que cela comporte sur la solidité de l'infrastructure de sauvegarde et de confinement, ainsi que, et surtout, sur la nappe phréatique. Après tout incident qui va conduire à la destruction du coeur d'un réacteur, on se trouve en présence d'une masse, en fusion composée essentiellement: d'une phase oxyde, énergétique puisqu'elle contient des produits de fission, constituée principalement d'oxydes d'uranium et de zirconium, 2 2616578 - et d'une phase métallique comportant notamment de l'acier, du zircalloy, du chrome et divers autres métaux. L'ensemble, appelé "corium" constitue une masse très énergétique qui au bout d'un jour ou deux va conserver, du fait de la radioactivité de certains éléments et des réactions exothermiques de décomposition du béton, une puissance résiduelle de l'ordre de 10 à 15 MW pour un réacteur d'une puissance initiale de l'ordre de 1000 MW, et une température que l'on a pu estimer à 2000 C environ. Cette masse en fusion attaque et décompose le béton du radier et - l'on estime qu'au bout de quelques heures la vitesse d'attaque est de quelques centimètres à l'heure. Au bout de quelques jours, le béton du soubassement du radier sera inexorablement traversé et le corium ira jusque dans le sous-sol. Par ailleurs, dès lors que le radier est traversé, l'étanchéité de l'enceinte de confinement n'est plus assurée et il peut se produire des fuites de gaz radioactifs. EPOSE DU PROBLEME Compte-tenu des dangers que présente un réacteur ayant échappé au contr8le, il est nécessaire de concevoir un moyen permettant de stopper le corium avant qu'il n'atteigne le sous-sol, en s'opposant ainsi aux risques majeurs que constitue la pollution du sous-sol et de l'atmosphère du fait des fuites. Un tel dispositif doit remplir la double fonction suivante: - En contact avec le corium, il doit être réfractaire et inerte chimi- quement vis à vis des constituants indiqués plus haut, jusqu'à des températures de l'ordre de 2000 à 2500 C; - Il doit évacuer le flux thermique résiduel généré par le corium en abaissant la température de l'interface corium-réfractaire. Ce matériau réfractaire et inerte devra, en outre, être associé à 261657 8 des circuits de refroidissement conçus et dimensionnés pour évacuer le flux thermique ainsi transféré. On ne connaît pas, à l'heure actuelle, de matériau capable d'assurer, à lui seul, les deux fonctions et possédant une conductivité thermique élevée dans l'intervalle de température concerné. Il faut donc séparer les deux fonctions et les confier chacune à un mat6riau convenable. OBJET DE LIUVENTION Compte-tenu de ce que l'on vient d'exposer, il apparaît que le moyen pour empêcher la pénétration dans le sol d'un coeur de réacteur nucléaire fondu, objet de la présente invention, sera constitué par une cuvette circulaire en graphite très conducteur reposant sur des systèmes de refroidissement appropriés. La face interne de la cuvette sera revêtue d'une couche de zircone dont l'épaisseur aura été calculée pour que le graphite travaille dans la zone de température optimale. Ladite cuvette sera disposée dans le coeur du réacteur de manière à bloquer le corium dans le radier, tout en permettant à celui-ci de conserver son étanchéité. On a ainsi séparé les deux fonctions: résistance physico-chimique et thermique au corium et évacuation du flux de chaleur. De façon plus précise, l'objet de l'invention est un dispositif pour empêcher la pénétration dans le sol du corium d'un réacteur nucléaire fondu, ce réacteur étant supporté par un radier en béton en appui sur le sol, caractérisé en ce qu'il comporte, insérée dans le radier, une cuvette de rétention circulaire en matériau réfractaire dont la partie supérieure 10 en contact avec le corium fondu est constitué d'un matériau réfractaire et chimiquement inerte vis à vis des constituants dudit corium, et dont la partie inférieure 8 est constituée d'un matériau réfractaire, dont la conductivité thermique est sensiblement supérieure à celle de la partie supérieure, dans un -rapport au moins égal à quinze fois, la partie supérieure ayant elle-même une conductivité thermique faible, comprise entre 1 et 15 W/m.K. La partie inférieure coopère avec des moyens de refroidissement, connus en eux-mêmes, pour évacuer le flux thermique recueilli par la cuvette de rétention. Les figures 1 à 5 illustrent l'invention. La figure 1 montre la zone (en hachures) dans laquelle se -situe la conductivité thermique moyenne des graphites (en W/m.K.) en fonction de la température. La figure 2 montre la progression de l'attaque latérale du radier en béton 4 en fonction de la descente du corium, et le moyen pour favoriser cette attaque latérale grace à des séries de cavités 5 convenablement disposées. La figure 3 est une coupe très simplifiée de la partie inférieure d'un réacteur 1 muni de la cuvette de rétention 6 objet de l'invention, des cavités 5 favorisant l'attaque latérale, et des moyens de refroidissement 7 de la cuve. On a également représenté l'enceinte du réacteur 2 et l'enceinte de confinement 3. La figure 4 est une variante de réalisation dans laquelle la cuvette de rétention 6 comporte une nervure 8 augmentant sa surface totale, donc le flux de chaleur admissible. La figure 5 montre le détail de réalisation de la cuvette 6, avec la partie en graphite 8, le revêtement de zircone 10, le rebord latéral 9 sur lequel le revêtement de zircone a été épaissi, et la position du système de refroidissement 7. Considérons tout d'abord le problème du flux thermique à évacuer: La loi de l'écoulement d'un flux thermique en régime permanent, au travers d'une paroi plane en matériau i est donné par la relation suivante (loi de Fourier). T= Ai S [T2 i-Tl, ei dans laquelle: est le flux thermique 2616 57 8 Xila conductivité thermique du matériau S la surface de contact ei l'épaisseur du matériau i T2,i la température de la face chaude du matériau i T1 i la température de la face froide du matériau i On note donc que le flux évacué sera d'autant plus important que la conductibilité thermique du matériau i sera élevée et que la surface de contact (corium-réfractaire) sera importante. Essayons maintenant de résoudre la première fonction dévolue au système de protection: le matériau réfractaire doit être parfaitement inerte chimiquement vis à vis des oxydes, notamment de l'oxyde d'uranium, jusqu'à des températures de l'ordre de 2500 C: la zircone (PF: 2650 C) remplit ces conditions. Par contre, ce produit a une conductivité thermique relativement faible (env. 3W/m.K.). Il ne peut donc être employé seul et en grande épaisseur, car il constituerait un frein à l'évacuation du flux thermique. La thorine ThO2 peut également convenir, sous réserve de son prix élevé. Sa conductivité thermique, variable avec la température est de 2 à 3 fois supérieure à celle de la zircone. La solution réside donc dans un système dans lequel la première fonction est assurée par une couche de zircone de faible épaisseur, de l'ordre de 2 à 10 centimètres. La deuxième fonction est l'évacuation des calories. Le matériau réfractaire parfaitement adapté à cette fonction est le graphite, à condition qu'il travaille dans des zones de températures peu élevées, car sa conductivité thermique décroît avec la température (voir figure 1). Il y aura donc tout intérêt à maintenir son interface avec la zircone à une température inférieure à 300 C. En outre, il est souhaitable que la conductivité thermique du matériau constituant la partie inférieure soit au moins égale à quinze fois celle du matériau constituant la partie supérieure, qui doit être comprise, de préférence, entre 1 et 15 W/m.K. C'est le cas du graphite. 6 2616.578 Considérons maintenant le problème de la surface (paramètre S de la formule de Fourier): Nous avons effectué des calculs thermiques par modélisation pour voir dans quelle mesure le système que nous avons défini s'insère à l'intérieur d'un réacteur nucléaire compte tenu de la géométrie adoptée. Le coeur 1 d'un réacteur généralement a un diamètre d'environ 5 mètres. Si l'on pose le coeur du réacteur à l'intérieur de la cuvette, on trouve que pour un flux à évacuer de 15 MW, la température dans la couche de zircone se situe vers 6000K. On voit donc qu'il convient de disposer la cuvette à un emplacement tel que la surface de contact corium-zircone soit plus importante que celle qui correspond à un diamètre de cinq mètres (voir exemple 1). En admettant que l'on veuille maintenir la température de l'interface corium-zircone au voisinage de 1500 C, le calcul montre que la cuvette doit avoir un diamètre de l'ordre de 14-15 mètres (exemples 2 et 3). Dans ces conditions, une couche de zircone d'une épaisseur de l'ordre de 5 centimètres est suffisante pour permettre au graphite de travailler dans de bonnes conditions thermiques. Supposons que dans la configuration considérée (coeur du réacteur de 5 mètres de diamètre), on confine le corium de telle manière qu'il amorce préférentiellement la traversée du radier. Au départ, il est en contact avec le béton sur une superficie correspondant à 5-6 mètres de diamètre. Lors de la traversée du radier (figure 2) le corium fondu attaque le béton en profondeur et latéralement. Latéralement, l'attaque s'arrête lorsque le béton n'est plus en contact avec le corium; du fait de sa pénétration progressive dans le radier; la pénétration latérale, au niveau du front de progression de l'attaque, est d'autant plus importante que le corium s'étale en largeur. Compte tenu de sa température le corium est, soit à l'état liquide, soit à un état pâteux à viscosité relativement faible qui lui permet de 7 2616578 remplir tout l'espace accessible sur le front d'attaque. De ce fait, au cours de sa descente progressive, sa hauteur diminue et sa surface frontale augmente. L'attaque du radier va donc progresser avec un certain angle d'élargissement. On a intérêt à ce que cet angle d'attaque (par rapport à la verticale) soit le plus grand possible, pour que la cuvette de rétention puisse être disposée à la construction le plus près possible de la surface du radier. Cela permet de conserver, sous la cuvette de rétention, une épaisseur de radier intacte suffisam-ent importante pour qu'il continue à assurer pendant de très nombreuses années après destruction accidentelle du réacteur, ses trois fonctions essentielles: étanchéité aux liquides et gaz radioactifs, résistance mécanique et intégrité de l'ensemble de la structure, et résistance anti-sismique, sans qu'il soit nécessaire d'augmenter, de façon prohibitive, l'épaisseur initiale du radier. A titre d'exemple, si le radier a une épaisseur initiale de 5 mètres et que la cuvette de rétention soit située sous 3 mètres de radier, il restera près de 2 mètres de radier intact pour assurer les fonctions indiquées. On peut perfectionner ce dispositif en y incorporant des systèmes déviants appropriés permettant d'accroître la portée de l'attaque latérale du radier. Ces systèmes deviants peuvent être constitués par une pluralité de cavités concentriques formées dans le radier, au-dessus de la cuvette 6, et disposées en relation superposée, chaque cavité ayant un diamètre supérieur à celle qui est située immédiatement au-dessus d'elle. L'angle d'évasement formé par l'ensemble des cavités concentriques est compris entre 45 et 70 , et de préférence entre 60 et 70 . Cet angle peut aussi augmenter progressivement du haut vers le bas, comme cela apparatt sur la figure 2. Grâce à cet élargissement du front d'attaque du radier, (figure 2) la cuvette 6 peut alors être disposée sous seulement 2 mètres de radier au lieu de 3 si l'angle d'attaque 0 est de l'ordre de 60 à (par rapport à la verticale). 8 2616578 Le système de confinement de la pénétration verticale par le corium est représenté sur la figure 3. Le système de refroidissement 7 a été simplement schématisé car il ne fait pas partie de l'invention proprement dite (circulation de fluide ou caloducs, par exemple). Un tel système stoppera la pénétration verticale. Il évitera la pollution du sous-sol tout en maintenant en espace confiné les vapeurs radioactives. La figure 4 montre un moyen d'augmenter la surface de la cuvette en contact avec le corium, grâce à une ou plusieurs nervures concentriques 8, également recouvertes de zircons 10. Sur la figure 5, nous avons représenté un détail montrant une façon de disposer la cuvette de confinement 6. En effet, la géométrie de l'ensemble doit permettre de conserver l'intégrité de toute la structure du réacteur malgré la disparition de la partie centrale. Il y a donc tout intérêt à accroître la surface de contact corium- réfractaire, tout en diminuant si possible le diamètre de la cuvette. Par ailleurs, l'ensemble devra être adapté au volume du corium. La masse de corium représente un volume de 30 à 40 mètres cubes, soit pour une cuvette de 15 mètres de diamètre une hauteur de corium d'environ 20 centimètres. Ce qui, latéralement, correspond à environ % de la surface de contact participant à l'écoulement du flux thermique et permet de diminuer d'autant les dimensions de la cuvette. Dans la réalisation selon la figure 5 la partie en graphite 8 à une épaisseur de 600 mm, et elle est munie d'un rebord 9 et d'un recouvrement de zircone 10 de 50 mm d'épaisseur dans la partie horizontale, épaisseur qui a été portée à 100 mm sur le rebord 9. La face inférieure de la partie en graphite 8 est en contact avec un moyen de refroidissement 7 non détaillé (circulation de fluides, caloducs... etc). EXENPLES DE MISE EN OEUVRE- On s'est placé dans les hypothèses suivantes: - puissance thermique initiale du réacteur 2700 MW - cuvette de rétention constituée par une épaisseur de graphite de 600 mm recouverte d'une couche de zircone de 50 mm d'épaisseur - conductivité du graphite de 200 W/m.K. dans le sens horizontal et de 170 W/m.K. dans le sens vertical, du fait de l'anisotropie du produit. - conductivité thermique de la zircone de 3 W/m.K. - système de refroidissement imposant une température de 50 C sous la couche de graphite. - flux thermique à évacuer: 15 MW. - température de fusion du corium: de l'ordre de 1500 C EXEMPLE 1 5 (I titre comparatif) Le revêtement de protection est conforme à celui de la figure 5, avec un diamètre -de 5 mètres, (sensiblement égal à celui du coeur du réacteur), disposé au-dessus de la cuvette de rétention munie de sa couche de zircone. Le calcul thermique montre qu'un tel système ne peut évacuer que 1,2 MW, ce qui est tout à fait insuffisant. La température (calculée) à mi-hauteur dans la couche de zircone est de 5000 C. Il n'y a donc aucune- protection; ce mode de mise en oeuvre ne remplit pas les conditions posées. EXEMPLE 2 (selon l'invention) Cas d'un revêtement de protection, selon la figure 5, de 15 mètres de diamètre. Le corium étant arrivé au contact de la couche de zircone, sur toute la surface de la cuvette de rétention, et le flux à évacuer étant de 15 MW, la température moyenne de la zircone, au centre de la cuvette, est de 1000 C environ, la température de l'interface corium- zircone est de 1500 C, la température de l'interface zircone-graphite est de l'ordre de 330 C. Cette température d'interface est un peu trop élevée, et place le graphite dans un domaine de conductivité thermique peu. favorable (voir figure 1), mais le corium est malgré tout retenu dans la cuvette. 2616 5 7 8 EXEMPLE 3 Le revêtement de protection (cuvettes de rétention) selon la figure a son diamètre porté à 17 mètres. Le corium étant arrivé au contact de la couche de zircone, sur toute la surface de la cuvette de rétention, et le flux à évacuer étant de 15 MW. la température moyenne de la zircone, au centre de la cuvette, est de 810 C environ, la température de l'interface corium- zircone est de 1500 C, la température de l'interface zircone-graphite est de l'ordre de 250 C. Cette température d'interface est correcte, et place le graphite dans un domaine de conductivité thermique favorable; Le but de l'invention est ainsi atteint, et la pénétration du corium dans le radier est stoppée avec une très bonne marge de sécurité. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour empêcher la pénétration dans le sol du corium d'un réacteur nucléaire fondu, ce réacteur étant supporté par un radier en béton en appui sur le sol, caractérisé en ce qu'il comporte, insérée dans le radier 4, une cuvette de rétention 6 en matériau réfractaire dont la partie supérieure 10 en contact avec le corium fondu est constituée d'un matériau réfractaire et chimiquement inerte vis à vis des constituants dudit corium, et dont la partie inférieure 8 est constituée d'un matériau réfractaire, dont la conductivité thermique est au moins égale A 15 fois celle de la partie supérieure. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure 8 est constituée par du graphite. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure 8 est munie d'un moyen de refroidissement 7. 4. Dispositif, selon revendication 1, caractérisé en ce que la partie supérieure a une conductivité thermique comprise entre 1 et 15 W/m.K. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie supérieure 10 est constituée par un oxyde réfractaire choisi parmi la zircone et la thorine. 6. Dispositif selon revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie supérieure est comprise entre 2 et 10 cm. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 A 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens 5 de déviation de l'attaque latérale du radier. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de déviation 5 sont constitués par une pluralité de cavités concentriques formées dans le radier, au-dessus de la cuvette 6, et disposées en relation superposée, chaque cavité ayant un diamètre supérieur à celle qui est située immédiatement au-dessus d'elle. 12 2616 5 7 8 9. Dispositif selon revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'angle d'évasement compris entre 45 et 70 C. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la cuvette 6 comporte au moins une nervure 8 en vue d'augmenter la surface en contact avec le corium. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la cuvette 6 comporte un rebord latéral 9 dont la hauteur permet de contenir la masse du corium à l'intérieur du dispositif.