Brevet FR2632760A1 — publié le 19891215

L'invention concerne-une virole interne d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, d'une structure améliorée. Les réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis par du métal liquide comportent généralement une cuve principale de grandes dimensions renfermant le métal liquide de refroidissement qui est la plupart du temps du sodium dans lequel est plongé le coeur du réacteur. A l'intérieur de la cuve principale, sont disposées des structures internes assurant le support du coeur et permettant de canaliser le sodium en cir- culation dans la cuve et de séparer le volume interne de la cuve en différentes parties o le sodium liquide se trouve à des températures différentes. Une partie de ces structures qui comporte un redan torique de forme ogivale surmonté-d'une virole sensiblement cylindrique constitue une virole interne séparant le volume intérieur de la cuve principale au- dessus du support du coeur, en un collecteur chaud si- tué à l'intérieur de la virole interne et un collec- teur froid situé à l'extérieur de la virole interne. Les composants du réacteur tels que les pom- pes de circulation du sodium liquide et les échangeurs de chaleur intermédiaires dans le cas d'un réacteur nucléaire de type intégré sont plongés dans le sodium liquide remplissant la cuve principale et traversent par leur partie inférieure la virole interne au niveau du redan. La cuve principale est fermée à sa partie supérieure par'une dalle assurant également le support de la cuve et des composants. Le métal liquide dans la cuve principale présente un niveau libre supérieur qui est surmonté par un gaz inerte tel que l'argon, dans un espace situé en-dessous de la dalle de fermeture. Ce niveau libre supérieur du sodium liquide est essentiellement variable pendant le fonctionnement du réacteur; ce niveau libre est en fait susceptible de se déplacer entre deux positions bien définies à l'intérieur de la virole interne qui seront désignées par la suite par niveau haut et niveau bas. Le niveau est par contre constant dans la cuve principale du réacteur grâce à la présence d'un ensemble déversoir. L'extrémité supérieure de la virole interne se trouve au-dessus du niveau haut du sodium, si bien que cette virole assure de manière permanente la sépa- ration du volume intérieur de la cuve principale en deux zones. La partie supérieure de cette virole est donc soumise à un gradient thermique axial important du à la présence de l'interface sodium liquidegaz inerte, aussi bien pendant le fonctionnement du réac- teur en régime permanent que lors des régimes transi- toires de fonctionnement qui s'accompagnent de varia- tions du niveau libre du sodium liquide. Ce gradient thermique axial s'accompagne de sollicitations thermomécaniques dans la partie supé- rieure de la virole interne, si bien qu'il est néces- saire de surveiller la tenue en service de cette vi- role et d'éviter des régimes de fonctionnement s'ac- compagnant de déplacements trop rapides du niveau li- bre. En particulier, il est nécessaire, lors des dé- marrages du réacteur, de limiter la montée en tempéra- ture du sodium, ce qui accroit la durée de ces démar- rages. Le gaz inerte surmontant le sodium liquide est en effet à une température qui reste constamment très inférieure à la température du sodium liquide. La 2632760. partie émergée de la virole interne est donc beaucoup plus froide que la partie immergée. D'autre part, il est nécessaire,.pour limi- ter l'effet de sollicitations éventuelles d'origine sismique sur la virole interne, de fixer sur- la partie supérieure de cette virole une structure de raidisse- ment qui est généralement constituée par une pièce an- nulaire soudée à l'extrémité supérieure de la virole. La présence de ce raidisseur accentue-les phénomènes d'inertie thermique et augmente le gradient thermique axial lors des régimes transitoires. Le but de l'invention est donc de proposer une virole interne contenue dans la cuve principale d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides renfermant du métal liquide de refroidissement du réacteur dont le niveau libre supérieur est susceptible de se dépla- cer à l'intérieur de cette virole interne, pendant le fonctionnement normal du réacteur, entre'deux posi- tions définies, désignées par niveau haut d'une part et niveau bas d'autre part. La virole interne à l'in- térieur de la cuve principale comporte au moins une virole cylindrique à axe vertical dont la partie supé- rieure se trouve au-dessus du niveau haut du métal li- quide dans la cuve principale, cette virole interne présentant une structure permettant de limiter de ma- nière importante les sollicitations thermomécaniques subies par la virole à sa partie supérieure et d'ac- croitre ainsi les possibilités du réacteur quant à son régime de fonctionnement, en particulier en période de démarrage. Dans- ce but, la virole interne suivant l'in-. vention comporte en outre une capacité annulaire à la périphérie interne de la virole cylindrique, à sa par- tie supérieure, ouverte vers le haut, et délimitée par une virole secondaire cylindrique disposée de façon sensiblement coaxiale et à l'intérieur de la virole cylindrique, dont l'extrémité supérieure se trouve en-dessous du niveau haut du métal liquide, et par un fond annulaire fixé à l extrémité inférieure de la virole secondaire et sur la surface intérieure de la virole cylindrique, en-dessous du niveau bas du métal liquide. Selon un mode de réalisation préférentiel, le fond annulaire de la capacité est réalisé sous for- me massive de façon à constituer un raidisseur de la virole cylindrique de la virole interne lui permettant de résister aux sollicitations accompagnant un séisme. 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'une virole interne améliorée suivant l'invention. La figure 1 est une vue générale en coupe par un plan vertical de la cuve principale d'un réac- teur nucléaire à neutrons rapides et de ses structures internes. La figure 2 est une vue en coupe à plus grande échelle de la partie périphérique supérieure de la virole interne d'un réacteur nucléaire suivant l'invention. Les figures 3a et 3b sont des vues schémati- ques de la partie supérieure de la virole cylindrique de la virole interne d'un réacteur nucléaire suivant l'art antérieur, au cours de deux phases de fonction- nement différentes du réacteur. La figure 4 est un diagramme représentant les variations de la température de la partie supé- rieure de la virole interne représentée sur les figu- res 3a et 3b, en fonction du niveau et au cours des - 5 deux phases différentes de fonctionnement du réacteur. Les figures 5a, 5b, 5c, 5d et 5e sont des vues schématiques de la partie supérieure de la virole interne suivant l'invention, au cours de phases diffé- -5 rentes de fonctionnement du réacteur nucléaire. La figure 6 est un diagramme représentant les variations de la température de la partie supé- rieure de la virole interne représentée sur les figu- res 5a à 5e, suivant la direction axiale et au cours des-différentes phases de fonctionnement du réacteur. La figure T est une vue en coupe de la par- tie supérieure de la virole interne suivant l'inven- tion dont le fond de la capacité annulaire de forme massive constitue un raidisseur pour la virole. Sur la figure 1, on voit la cuve principale i d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par du sodium liquide suspendue à une dalle de ferme- ture 2 en béton elle-méme supportée par une structure 3 également en béton. Sur le fond de la cuve 1 repose le support 4 du coeur 5 du réacteur constitué par des assemblages combustibles. A l'intérieur de la cuve 1, et dans une dis- position sensiblement coaxiale par rapport à cette cuve, est disposée une virole interne 6 séparant le volume intérieur de la cuve 1 en un collecteur chaud 7 et un collecteur froid 8. La virole interne 6 comporte un redan tori- que de forme ogivale 9 surmonté d'une virole 10' sensi- ,blement cylindrique. La partie inférieure du redan 9 repose sur le support de coeur 4 et l'ensemble du coeur 5 est im- mergé à l'intérieur du collecteur chaud 7. Les composants du réacteur tels que les pom- pes 11 et les échangeurs de chaleur 12 traversent le redan en ogive 9 à leur partie inférieure et sont donc plongés dans le collecteur. chaud par leurs parties su- périeures et dans le collecteur froid par leurs par- ties inférieures. Le sodium liquide remplissant la cuve pré- sente un niveau supérieur libre 14 à l'intérieur de la virole interne 6, ce niveau supérieur libre étant sur- monté par une atmosphère de gaz inerte 15 en-dessous de la dalle 2 fermant la cuve. A l'extérieur de la virole interne 6 est disposé un déversoir 16 permettant de canaliser le sodium froid venant de la partie inférieure du coeur pour assurer le refroidissement de la cuve principale. Ce déversoir 16 constitué principalement de viroles coaxiales à axe vertical est représenté à plus grande échelle sur la figure 2. Ce dispositif de cana- lisation du sodium permet de faire circuler du sodium froid en contact avec la surface intérieure de la cuve principale 1 puis de déverser le sodium dans un col- lecteur annulaire 18 communiquant à sa partie infé- rieure avec le collecteur froid 8 délimité par la sur- face intérieure de la cuve principale 1 et la surface extérieure de la virole interne 6. Le sodium liquide est à un niveau 17 à l'intérieur du collecteur froid, ce niveau étant situé en-dessous du niveau supérieur libre 14 du sodium chaud à l'intérieur de la virole 10. Le système de déversement représenté sur la figure 2 qui permet d'éviter toute mise en vibrations de la cuve principale 1 et de ses structures internes a fait l'objet d'une demande de brevet Français n' 86-14052. Pendant le fonctionnement du réacteur, le niveau supérieur libre 14 à l'intérieur de la virole interne 6 se déplace entre'deux positions définies correspondant pour l'une au niveau haut 14a et pour l'autre au niveau bas 14b du sodium chaud dans la cuve. Le niveau bas 14b correspond au niveau du sodium pendant un arrêt du réacteur, le sodium étant maintenu à une température voisine de 180*C. Le niveau haut 14a correspond à la position la plus haute que peut atteindre le niveau supérieur 14 du sodium'pendant le fonctionnement normal du ré- acteur, c'est-à-dire en régime nominal, le sodium liquide étant à une température voisine de 600'C. La partie supérieure 1-9 de la virole cylin- drique 10 de la virole interne constituée par un rai- disseur de forme annulaire se- trouve au-dessus du ni- veau haut 14a du sodium. La virole cylindrique 10 as- sure ainsi dans toutes les- phases de fonctionnement du -réacteur, la séparation entre le sodium chaud et le sodium froid. Selon l'invention, une capacité annulaire 20 est disposée à la partie supérieure de la virole 10 et à sa périphérie interne. La capacité 20 est délimitée par une seconde virole 21 dont le diamètre est inférieur au diamètre de la virole 10 et qui est disposée de façon sensible- ment coaxiale à la partie supérieure de la virole 10. La capacité annulaire 20 est ouverte à sa partie supérieure et fermée à sa partie inférieure par un fond 22 de forme annulaire qui est soudé d'une part à la partie inférieure de la seconde virole 21 et d'autre part sur la s-urface.intérieure de la virole 10. Le fond 22 assure la fermeture étanche de la capa- cité annulaire 20 dans sa partie inférieure et l'as- semblage de-la seconde virole 21 avec la virole cylin- drique 10. Comme il est visible sur la figure 2, l'ex- trémité supérieure de la seconde virole 21 est dis- posée en-dessous du niveau haut 14a du sodium alors que le fond inférieur 22 est disposé en-dessous du niveau bas 14b. La seconde virole 21 est constituée de pré- férence par une tôle d'acier inoxydable de la même nuance et de la même épaisseur que la tôle constituant la virole cylindrique 10. L'épaisseur de cette tÈle est sensiblement égale à 1,5 cm. En se reportant aux figures 3a et 3b, on voit une virole cylindrique 10' suivant l'art anté- rieur ne comportant pas de capacité annulaire déli- mitée par une seconde virole, analogue à la capacité 20 représentée sur la figure 2. Sur la figure 3a, on a représenté la virole cylindrique 10' dans le cas o le sodium chaud à l'in- térieur de la virole interne est au niveau inférieur 14b, ce niveau correspondant à un arrêt du réacteur, par exemple pour rechargement, le sodium étant à une température voisine de 180'. Sur la figure 3b, on a représenté la virole cylindrique 10' en contact avec le sodium chaud rem- plissant la virole interne jusqu'au niveau 14a. Ce niveau 14a correspond à un fonctionnement du réacteur en régime nominal, le sodium étant à une température de l'ordre de 550'C. Sur la figure 4, on a représenté la varia- tion de la température de la virole cylindrique 10', dans la direction axiale, c'est-à-dire suivant la hau- teur de cette virole 10' et pour un niveau croissant. La zone de la virole 10' en contact avec le sodium liquide, c'est-à-dire jusqu'au niveau 14b ou 14a est à une température sensiblement égale à la tem- pérature du sodium liquide, -c'est-à-dire 180'C dans le cas de la figure 3a et 550 C dans le cas de la figure 3b. A partir du niveau libre, la température de la virole cylindrique 10' diminue très rapidement pour atteindre, à son extrémité, une valeur inférieure de tI dans le cas de la figure 3a et de A4t2 dans le cas de la figure 3b, à la température du sodium liqui- de. On remarquera (courbes en traits pleins et en pointillés sur la figure 4.) que la valeur A t2 et l'allure de la courbe représentant la diminution de température au-dessus du niveau du sodium sont diffé- rentes dans le cas o le réacteur fonctionne en régime permanent (courbe en pointillés) et dans le cas o le réacteur est en régime transitoire (courbe en traits pleins). Dans tous les cas le gradient axial de tem- pérature est élevé, ce qui entraîne l'apparition de contraintes thermomécaniques importantes dans la vi- role cylindrique 10'; S.ur les figures 5a à 5e, on a représenté la virole cylindrique 10 suivant l'invention comportant une capacité annulaire 20 à sa périphérie interne et à sa partie supérieure. Les figures 5a à 5e représentent différentes phases de fonctionnement du réacteur. Sur les figures 5a et 5b, on a représenté la partie supérieure de la virole-cylindrique 10 et la capacité annulaire 20, dans le cas d'une mise en ser- vice du réacteur. Sur la-figure 5a, le niveau du so- dium liquide 14b dans le collecteur chaud du réacteur correspond au niveau pendant la phase de chargement du coeur, le sodium étant à une température voisine de 'C. La capacité annulaire 20 est vide de sodium. Lors de la mise en service du réacteur et de la montée en température du sodium liquide, le sodium liquide atteint un niveau supérieur dans le collecteur chaud qui est représenté sur la figure 5b. Ce niveau supérieur qui correspond au niveau haut 14a, le sodium étant à sa température de service voisine de 550'C, se trouve au-dessus de l'extrémité supérieure de la viro- le secondaire 21 délimitant la capacité annulaire 20, Le sodium liquide se déverse alors à l'intérieur de la capacité 20 jusqu'à en assurer le remplissage complet. Sur les figures 5c et 5d, on a représenté la partie supérieure de la virole cylindrique 10 et la capacité 20 pendant le fonctionnement en régime perma- nent du réacteur. Sur la figure 5c, le réacteur est à la fin d'une période d'arrêt, par exemple pour rechargement, le sodium étant à une température voisine de 180'C dans le collecteur chaud et son niveau supérieur 14b correspondant au niveau bas. Ce niveau 14b est situé au-dessus du fond inférieur 22 de la capacité 20, si bien que la partie inférieure de cette capacité est en contact thermique avec le sodium à 180'. Le sodium introduit dans la ca- pacité 20 lors de la mise en service du réacteur est maintenu à une température peu inférieure à 180'C et relativement constante sur toute la hauteur de la ca- pacité 20, par contact thermique avec le sodium du collecteur chaud et par effet de convection. Lors de la mise en fonctionnement normal du réacteur après un arrêt, le sodium s'échauffe jusqu'à une température de l'ordre de 550'C et son niveau libre supérieur atteint le niveau haut 14a, comme représenté sur la figure 5d. Le niveau 14a est au-dessus du bord supé- rieur de la virole secondaire 21 délimitant l'espace annulaire 20, si bien que cet espace annulaire 20 est mis en communication avec le sodium du collecteur chaud. Le sodium liquide contenu dans la capacité an- nulaire 20 est porté à une température de l'ordre de 550'C comme le sodium liquide dans le collecteur chaud. Sur la figure 5e. on a représenté la partie supérieure de la virole cylindrique 10 de la-'cuve in- terne et la capacité 20, dans le cas d'un fonctionne- ment du réacteur en régime transitoire, le niveau su- périeur 14 dans le collecteur chaud se déplaçant entre une position correspondant au niveau bas et une posi- tion correspondant au niveau haut. Le niveau supérieur du sodium dans la capa- cité 20 se déplace corrélativement entre une position basse et une position haute qui correspond à l'extré- mité supérieure de la virole secondaire 21 de la capa- cité 20. L'amplitude de déplacement du niveau supé- rieur dans la capacité 20 n'est cependant pas très importante, le déplacement du niveau de sodium étant du simplement à la dilatation due aux variations de température du sodium contenu dans cette capacité. Il en résulte dans tous les cas que le gra- dient de température dans la direction axiale de la virole cylindrique 10 est relativement faible et considérablement réduit par rapport au cas d'une vi- role interne selon l'art antérieur telle que repré- sentée sur les figures 3a et 3b. Sur la figure 6, pn a représenté-les varia- tions de la température dans la direction axiale de la virole cylindrique10 telle que représentée sur les figures 5c, 5d et 5e. La courbe inférieure représente les varia- tions de la température le long de la direction axiale de la virole cylindrique 10, dans le cas o le sodium à 180 C est à son niveau bas 14b. Dans ce cas, la tem- pérature de la virole cylindrique 10 est sensiblement égale à la température du sodium dans le collecteur chaud, soit 180'C, dans toute la partie immergée de la virole cylindrique 10. Au-dessus du niveau libre 14b, la température décroit légèrement et avec une amplitu- de totale égale à & 'tl, jusqu'à l'extrémité supérieu- re de la virole 10. Dans le cas du fonctionnement du réacteur en régime permanent tel que représenté sur la figure 5d ou en régime transitoire tel que représenté sur la fi- gure 5e, la température de la virole cylindrique 10 dans sa partie immergée dans le sodium du collecteur chaud est sensiblement égale à 550'C, cette températu- re connaissant ensuite une décroissance au-delà du ni- * veau libre 14a, (14), cette décroissance d'une ampli- tude totale û't2 jusqu'à l'extrémité supérieure de la virole 10 étant limitée par rapport à la décroissance de la température, dans le cas de la virole 10' repré- sentée sur la figure 3b. En comparant les figures 6 et 4, on peut remarquer que 6 't2 est très inférieur à - t2 et 'T1 très inférieur à A ti. Il en résulte des contraintes thermoméca- niques beaucoup plus faibles dans la partie supérieure de la virole interne suivant l'invention que dans la partie supérieure de la virole interne suivant l'art antérieur. Sur la figure 7, on a représenté la partie supérieure de la virole cylindrique 10 d'une virole. interne suivant l'invention comportant une capacité 20 délimitée à sa partie inférieure par un fond de forte épaisseur 22' de forme annulaire constituant un rai- disseur pour la partie supérieure de la virole cylin- drique 10 et de la virole interne 6. Ce raidisseur 22' disposé en-dessous du niveau bas 14b du sodium est à une température qui correspond toujours sensiblement à la température du sodium chaud et de la partie immer- gée de la virole cylindrique 10. La disposition du raidisseur en-dessous du niveau de sodium permet de diminuer l'inertie thermique et l'effet de gradient thermique, par rapport au cas d'un raidisseur disposé à la partie supérieure constamment immergée de la vi- role cylindrique 10. On constitue ainsi à la fois le fond de la capacité annulaire 20 limitant le gradient thermique dans la virole cylindrique 10 et ie raidisseur supé- rieur de cette virole permettant-d'éviter l'apparition de vibrations et de déformations importantes en cas de séisme. L'invention permet donc de limiter le gra- dient thermique et donc les contraintes thermomécani- ques dans la partie supérieure de la virole interne d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Cette dis- position permet également d'élargir les plages de fonctionnement du réacteur nucléaire, en ce qui concerne l'amplitude et la rapidité des transitoires acceptables en cours de fonctionnement et en ce qui concerne la montée en température au moment du démar- rage du réacteur. Ces nouvelles possibilités sont ob- tenues sans accroître les contraintes thermomécaniques dans la partie supérieure de la, virole interne. Dans le cas d'un réacteur nucléaire à neu- trons rapides correspondant à la technique actuelle, on prévoira de préférence une capacité annulaire 20 dont la largeur est au plus égale à 10 cm, cette lar- geur correspondant à la distance radiale entre la sur- face intérieure de la virole cylindrique 10 et la sur- face intérieure de la virole secondaire 21 de la capa- cité 20. La hauteur de la virole secondaire 21 sera choisie de préférence inférieure à 1,5 m. L'extrémité supérieure de la seconde virole se trouvera de préfé- rence à une distance de l'ordre de 10 cm en-dessous du niveau haut 14a du sodium dans le collecteur chaud. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut imaginer d'autres di- mensions et d'autres formes de réalisation de la capa- cité annulaire 20 limitant le gradient thermique dans la partie supérieure de la virole interne. Dans le cas o la virole interne comporte plusieurs viroles concentriques plongeant dans le so- dium liquide et constituant par exemple des espaces annulaires de canalisation du sodium, il est possible d'associer à tout ou partie de ces viroles, des capa- cités annulaires maintenant en contact avec la partie supérieure des viroles une certaine quantité de sodium limitant le gradient thermique dans la partie supé- rieure des viroles correspondantes. L'invention ne se limite pas aux réacteurs nucléaires refroidis par du sodium liquide mais peut être appliquée au contraire à tout réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide. REVENDICATIONS 1.- Virole interne d'un. réacteur nucléaire à neutrons rapides qui comporte une cuve principale (1) renfermant du métal liquide de refroidissement du ré- acteur dont le niveau libre supérieur est susceptible de se déplacer à l'intérieur de la virole interne, pendant le fonctionnement normal du réacteur, entre deux positions définies désignées par niveau haut (14a) d'une part et niveau bas (14b) d'autre part et,' à- l'intérieur de la cuve principale (1), une virole interne (6) comportant au moins une virole cylindrique (10) à axe vertical dont la partie supérieure se trou- ve au-dessus du niveau haut (14a) du métal liquide dans la cuve principale, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre, une capacité annulaire (20) à la périphérie interne de la virole cylindrique (10) de la virole interne (6), à sa partie supérieure, ou- verte vers le haut et délimitée par une virole secon- daire cylindrique (21) disposée de façon sensiblement coaxiale et à l'intérieur de la virole cylindrique (10), dont l'extrémité supérieure se trouve en-dessous du niveau haut (14a') du métal liquide, et par un fond annulaire (22) fixé à l'extrémité inférieure de la vi- role secondaire (21) et sur-la surface-intérieure de la virole cylindrique (10) de la virole interne,.en- dessous du niveau bas (14b) du métal-liquide.' 2.- Virole interne suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que le fond annulaire (22) de forte épaisseur réalisé sous forme massive consti- tue un raidisseur pour la virole cylindrique (10) de la virole interne (6) destiné à limiter les effets de sollicitations sismiques. 3.- Virole interne suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la capacité annulaire (20) présente une largeur, dans la direction radiale de la virole cylindrique (10) de la virole interne (6), au plus égale à 10 cm et une hauteur, dans la direction axiale de la virole cylindrique (10), au plus égale à 1,5 m. 4.- Virole interne suivant la revendication 3, caractérisée par le fait que l'extrémité supérieure de la virole secondaire (21) de la capacité annulaire (20) est disposée à un niveau situé sensiblement à 10 cm en-dessous du niveau haut (14a) du métal liquide. 5.- Virole interne suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée par le fait que la virole secondaire (21) de la capacité annulaire (20) est réalisée à partir d'une tôle ayant une épais- seur voisine de 1,5 cm.