Brevet FR2650111A1 — publié le 19910125

DISPOSITIF DE TRANSFERT D'UN FLUIDE ENTRE DEUX CIRCUITS POUVANT SUBIR UN DEPLACEMENT RELATIF LIMITE, ET SON AP PLICATION A UNE INSTALLATION DE DETECTION DE RUPTURE DE GAINE DANS UN REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES. DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif de transfert d'un fluide entre un circuit amont et un circuit aval equipe de moyens de pompage, ces deux circuits pouvant subir un déplacement relatif limité. L'invention concerne également l'application d'un tel dispositif de transfert à une installation de rupture de gaine équipant un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Il est à noter que les expressions "circuit amont" et "circuit aval" doivent être prises dans le sens le pius targe, c'est-å-dire indépendamment de la nature et de La forme des circuits considéres, qui peuvent être constitués indifféremment de canalisations et/ou de réser voirs. L'invention s'applique avantageusement aux installations de détection de rupture de gaine qui équipent les réacteurs nucleaires à neutrons rapides. Cependant, toute autre application dans Laquelle Les circuits amont et aval peuvent se déplacer légèrement t'un par rapport à l'autre, et dans laquelle le transfert du fluide s'sf- fente par des moyens de pompage équipant le circl} aval, peut aussi être envisagée. Dans Les réacteurs nucléaires à neutrons rapides tels que le réacteur Super-Phenix, les assemblages de combustible nucléaire constituant le coeur du réacteur sont places dans une cuve principale obturée par une dalle de fermeture et remplie de métal liquide. Une cuve interne sépare ce métal liquide en une première zone, appelee collecteur chaud, contenant Le métal liquide sortant du coeur du réacteur et une deuxième zone, appelée collecteur froid, contenant le métal liquide refroidi sortant des échangeurs de chaleur suspendus à la dalle. La circulation du métal liquide entre ces deux zones est assurée par des pompes également suspendues à la dalle. Dans un tel réacteur, chacun des assemblages comporte un faisceau de crayons combustibles pLacés dans une enveloppe. Chaque crayon est lui-même constitué par une gaine dans laquelle est placé un empilement de pastilles de combustible nucléaire. Dans un réacteur de ce type, il est souhaitable de pouvoir détecter la rupture des gaines de certains des crayons combustibles. A cet effet, il est prévu une installation de détection de rupture de gaine, qui om- prend, dans le réacteur Super-Phénix, des rampes de prélèvement toriques fixées à la cuve interne, au-dessus du coeur du réacteur, et découpées en différents tron çons.Chacun de ces tronçons est relié à un module de prélèvement et de comptage comportant à la fois des moyens de pompage constitués par une pompe eLectromagné- tique et des moyens de mesure permettant de détecter la rupture d'une ou plusieurs des gaines des crayons constituant Les assemb-lages dans la zone du coeur si tuée à proximité du tronçon de rampe relie à ce module de pré lé- vement. Dans le réacteur Super-Phénix, Le raccordement de chacun des modules de prélèvement sur le trorçon de rampe correspondant s'effectue au moyen d'un embout de prélèvement présentant généralement la forme d'un tube rectiligne approximativement vertical, dont l'extrémité inférieure sphérique est en appui par gravité sur un entonnoir conique fixé au tronçon de rampe et dont l'extrémité supérieure comporte également une sphère reçue dans un cylindre d'axe vertical fixé à l'extrémité inférieure du module de prélèvement. La sphère et le cylindre forment ainsi une rotule étanche autorisant un coulisse ment et une rotaotion relatifs. Cette rotule délimite une chambre étanche dont la paroi supérieure est formée sur le cylindre fixe au module.Cet agencement permet normalement d'assurer le raccordement étanche de chacun des modules de prélevement sur le tronçon de rampe correspondant, malgré les déplacement s relatifs qui peuvent se produire entre ces deux pièces sous l'effet notamment des dilations différentielles. De plus, cet agencement facilite le démontage de chacun des modules de prélêve- ment en vue de leur echange ou de leur réparation. Dans une telle installation de détection de rupture de gainez, la valeur de la force d'appui Fa de chacun des embouts de prélèvement sur l'entonnoir correspondant est donnée par la formule : Fa = Pa + # P (S2 - S1) où Pa représente le poids apparent de l'embout (c'est-à- dire son poids reel diminué de la poussée d'Archimède) ; o P représente la difference entre la pression Pe régnant à l'extérieur de l'embout et la expression Pi régnant aans la chambre de la rotule étanche ; S2 représente la section de l'extrémité inférieure de l'embout au niveau de l'appui sur l'entonnoir ; et Si représente la section de la sphère. Cette expression fait apparaître que la valeur de la fonce d ' appui F a évolue essentielLement en fonc.ion du oébit de prélèvement, qui détermine la valeur de la pression- Pi régnant dans la chambre de la rotule étanche. De façon plus précise, cette force d'appui diminue lorsque le débit augmente pour s'annuler lorsque ce débit atteint une valeur critique correspondant à l'équilibre Pa = B P (S1 - S2). A partir de ce débit critique, la sphere coulisse vers le haut dans- le cylindre, ce qui conduit au d-écollement de l'extrémité inférieure de l'embout par rapport à l'entonnoir. On se trouve alors dans un état instable dans lequel une partie du métal liquide prélevé ne provient plus du tronçon de rampe. La détection d'une rupture de gaine est alors plus difficile à réaliser, voire même impossible. L'invention a précisément pour objet un dispositif de transfert pouvant notamment être utilisé dans une installation de détection de rupture de gaine à la place du dispositif de transfert utilisé actuellement, en présentant les mêmes avantages que ce dernier en ce qui concerne notamment les possibilités de déplacement relatif entre les circuits amont et aval, les possibilités de démontage, l'encombrement et la fiabilite, tout en étant conçu de telle sorte que la force d'appui de l'embout de prélèvement sur l'entonnoir aille au contraire en augmentant lorsque le débit de prélèvement augmente, afin que la fiabilité des mesures soit infdépendante de la valeur de ce débit. En réalisant, selon l'invention, la paroi supérieure de la chambre étanche sur l'organe de la rotule fixé sur l'embout de prélévement, on obtient une force d'appui Fa' de l'embout sur l'entonnoir qui croît avec le débit de prélèvement. En effet cette force d'appui Fa' est alors exprimée par la relation Fa' = Pa + A P (S1 + S2). Dans ces conditions, on n'a plus à craindre dtinstatiLité ou de décollement, avec l'augmentation du débit. Dans un premier mode de réalisation de l'inven- tion, l'organe fixé sur l'embout de prélèvement est le cylindre et l'organe fixé sur le circuit aval est la sphère. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, c'est au contraire la sphère qui est fixée sur L'embout de prélèvement et le cylindre qui est fixé sur le circuit aval. De préférence, l'embout comporte un conduit reliant ta chambre étanche à la première extrémité de l'embout, une première partie de ce conduit adjacente à la première extrémité étant rectiligne et comportant un axe approximativement vertical qui passe par le centre de la sphere, cette première partie du conduit étant placee en dessous de la rotule étanche. L'invention concerne également une installation de détection de rupture de gaine pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides, cette installation utilisant un dispositif de transfert conforme à l'invention. Différents modes de réalisation de l'invention vont à présent être décrits, à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective partiellement éclatée représentant de façon três schématique un réacteur nucléaire à neutrons rapides équipé d'une installation de detection de rupture de gaine comportant des dispositifs de transfert selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinate représentant schematiquement l'un des modules de prélèvement de l'installation de détection de rupture de gaine illustrée sur la figure 1, ainsi que l'embout de prélèvement correspondant ;; - la figure 3 est une vue en coupe longituna- le représentant un premier mode de réalisation du dispositif de transfert de fluide selon l'invention, utilisé dans l'installation de detection illustrée par la figure 2 - la figure 4 est une vue comparable à la figu- re 3 illustrant une variante de réalisation du dispositif selon l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 4, qui fait apparaître la symétrie du système ; et - la figure 6 est une vue comparable aux figu res 3 et 4 illustrant un deuxième mode de réalisation du dispositif de transfert selon l'invention. La figure 1 représente de façon très schématique un réacteur nucléaire à neutrons rapides du type du réacteur Super Phénix. Pour plus de details concernant la structure de ce réacteur, on se reportera utilement aux publications concernant le réacteur Super Phénix. Sur la figure 1, la référence 10 désigne la cuve principale du réacteur. Cette cuve, d'axe vertical, est obturée à son extrémité supérieure par une dalle de fermeture horizontale 12 dont le bord périphérique repose sur un bâtiment en béton 14 entourant complètement la cuve 10. La cuve principale 10 est remplie de métal liqui de (généraLement du sodium), et divisée en deux zones par une cuve interne 16 dans laquelle est placé le coeur 18 du réacteur. La zone située à l'intérieur de la cuve interne 16, au-dessus du coeur 18, est appelée collecteur chaud et contient le métal liquide relativement chaud sortant du coeur 18 du réacteur. Au contraire, la zone délimitée entre la cuve principale 10 et La cuve interne 16 est appelée collecteur froid et contient du métal liquide relativement froid sortant des échangeurs de chaleur 20 du réacteur. La circulation du métal liquide entre le collecteur chaud et le collecteur f-oid, au travers des échangeurs 20 et du coeur 18, est assurée par des pompes 22 suspenoues, comme les échangeurs 20, à la dalle de fermeture 12 du réacteur. Comme l'illustre également la figure 1, un tel réacteur est habituellement équipé d'une installation permettant de détecter des ruptures de gaines dans les assemblages tels que 18a constituant le coeur 18 du réacteur. En effet, chacun des assemblages 18a de combustible nucléaire constituant le coeur 18 du réacteur comprend un faisceau de crayons combustibles dont la gaine exté rieure, normalement étanche, contient un empilement de pastilles de combustible nucléaire. La rupture de la gaine d'un ou plusieurs des crayons de chacun des assemblages se traduit par la liberation de neutrons différés qui peuvent etre détectés eÀ prélevant une partie du métal liquide sortant du coeur du réacteur. Afin de permettre ce prélèvement, l'installation de détection de rupture de gaine comprend tout d'abord une ou plusieurs rampes de prélèvement torique 24 (par exemple deux), qui sont situées dans le collecteur chaud et fixées sur la cuve interne 16, à un niveau légèrement supérieur au niveau supérieur du coeur 18, et centrees sur l'axe de la cuve 10. Chacune des rampes 24 est découpée en plusieurs tronçons en arc de cercle (par exemple quatre), les tronçons des deux rampes de prélève- ment étant décalés les uns par rapport aux autres, de façon à assurer une redondance du prélèvement. Chacun des tronçons de rampe de prélèvement 24 est constitué par un tube fermé à chacune de ses extrémités et perce d'un certain nombre de trous par lesquels le métal liquide sortant du coeur du réacteur pénètre dans le tube. Chacun des tronçons de rampe de prélèvement est relie par un tube 26 à un entonnoir 28, d'axe vertical. L'ensemble constitué par les tronçons de rampe de prélèvement 24, les tubes 26 et les entonnoirs 28 constitue le circuit amont d'un dispositif de transfert de métal liquide réalisé conformément à l'invention. A la verticale de chacun des entonnoirs 28 et au-dessus de celui-ci se trouve un module de prélèvement 30 suspendu à la dalle 12 et constituant le circuit aval du dispositif de transfert de metal liquide selon l'invent ion. Comme l'illustre la figure 2, chacun des modules de prélèvement 30 comprend un conduit 32 par lequel l'extrémité inférieure du module communique avec une chambre de mesure 34 située au-dessus de la dalle 12 du réacteur. Une pompe électromagnétique 36 entoure le conduit 32 à proximité de l'extrémité inférieure du module, de façon à aspirer le métal liquide contenu dans le circuit amont pour le refouler dans la chambre 34. Un compteur 38, placé au niveau de la chambre 34, assure le comptage des neutrons lents contenus dans le métal liquide passant par cette chambre et, par conséquent, la détection d'une rupture de gaine dans la zone du coeur du réacteur la plus proche du tronçon de rampes de prélèvement relié à ce module. Le retour du sodium liquide de la chambre 34 dans le collecteur chaud est assuré par un autre conduit 40, dans lequel est généralement placé un débitmètre 35. Etant donné que chacun des modules de prélèvement 30 est fixé sur la dalle de fermeture 12 du réacteur alors que les rampes de prélèvement 24 sont fixées à la cuve interne 16 du réacteur, il se produit entre ces deux circuits des dilatations differentielles qui ont pour effet un déplacement limité entre les extrémités inférieures des modules 30 et les entonnoirs 28. De plus, il est souhaitable que les modules de prélèvement 30 puissent être démontés afin d'en assurer la maintenance et le remplacement éventuels. Pour ces deux raisons, le raccordement hydraulique de chacun des entonnoirs 28 avec l'extrémité inférieure du conduit 32 du module 30 correspondant est assuré au moyen d'un embout de prélèvement 42 dont la structure particulière ainsi que le raccordement sur les circuits amont et aval vont mai ntnant être décrits en détail, dans un premier mode de réalisation de l';nven- tion, en se reférant à la figure 3. A son extrémite inférieure, l'embout de prélè- vement 42 présente une surface extérieure 44 partielle aent sphérique, prévue pour être en appui rotulant et étanche sur la surface tronconique 28a, d'axe approximativement vertical, de l'entonnoir 28 correspondant. A son extrémité supérieure, l'embout de préle- vement 42 comprend un cylindre 46 dont l'axe passe par le centre de la surface partiellement sphérique 44 et est approximativement vertical, aux dilatations différentielles près entre l'entonnoir 28 et le module de prélèvement 30. Le cylindre 46 est ouvert vers le bas, de façon à recevoir une sphère 48 fixée au module 30. De façon plus précise, le diamètre de la sphère 48 est approximativement égal au diamètre intérieur du cylindre 46, de telle sorte que ces deux organes coopèrent entre eux pour former une rotule etanche 50 autorisant à la fois un pivotement de l'embout de prélèvement 42 autour du centre de la sphere 48 et une translation de cette dernière selon l'axe du cylindre 46. Le cylindre 46 est obturé à son extrémité supérieure, de façon à définir avec la sphere 48 une chambre étanche 52 dont la paroi supérieure, appartenant au cylindre 46, est formée sur l'embout de prélèvement 42. A son extrémité inférieure, le conduit 32 du module de prélèvement 30 comporte une partie 32a en forme de C, qui contourne la rotule 50 et remonte verticalement à l'intérieur de la sphère 48, pour déboucher dans la chambre 52. L'embout de prélèvement 42 est également traversé par un conduit 54 par lequel la chambre 52 communique avec le tube 26 débouchant dans le fond de l'entonnoir 28. Dans ie mode de réalisation illustré sur la figure 3, ce conduit 54 comporte dans sa partie supérieure trois tubes 54a en forme de C, qui contournent la rotule étanche 50 et relient la chambre 52 à la partie inférieure 54b de ce conduit. Cette partie inférieure 54b est disposée selon l'axe du cylindre 46, passe par le centre de la sphère 48 et débouche dans le fond de la surface partiellement sphérique 44, en face du tube 26 auquel est raccordé l'entonnoir 28. Dans l'agencement qui vient d'être décrit en se référant à la figure 3, l'embout de prélèvement 42 repose par gravité dans le fond de l'entonnoir 28 correspondant et il est raccordé de façon étanche au module de prélèvement 30 par l'intermédiaire de la rotule 50. De plus, la coopération de la surface partiellement sphérique 44 avec l'entonnoir 28 d'une part et la coopération de l'embout de prélèvement 42 avec le module 30 par l'intermédiaire de la rotule 50 d'autre part, permettent à l'installation de supporter des déplacements relatifs limités entre l'entonnoir 28 et le module 30 résultant des dilatations différentielles. Cet agencement autorise également un démontage du module 30 permettant sa maintenance et son remplacement éventuel. Conformément à L'invention, la structure de l'installation est également telle qu'un décollement entre l'embout de prélèvement 42 et l'entonnoir 28 est rendu impossible, quel que soit le débit de prélèvement assuré par la pompe 36. En effet, étant donné que la paroi supérieure de la chambre 52 est formée sur le cylindre 46 qui est fixé à l'embout de prélèvement 42, tout accroissement du débit, qui se traduit par une augmentation de la dépressi-on dans la chambre 52, a pour effet un accroissement de la force d'appui Fa de l'embout sur l'entonnoir 28.De façon plus précise, cette force d'appui Fa de l'embout sur l'entonnoir s'exprime alors par la relation Fa = Pa - a P (S1 - S2) où Pa représente le poids apparent de l'embout, c'est-àdire son poids réel diminué de la poussée d'Archimède ; A P représente La différence entre la pression extérieure Pe et la pression Pi à l'intérieur de la chambre 52 pour le débit consideré ; S2 représente la section de L'embout 42 au niveau de la surface en partie sphérique 44 ; et S1 représente la section intérieure du cylindre 46, géneralement voisine de quatre fois la section S2. Il apparat clairement à la lecture de l'équation qui précède que, quel que soit le débit du métal liquide à l'intérieur de l'installation, l'embout 42 reste en appui sur l'entonnoir 28, cet appui croissant avec le debit. On remarquera par ailleurs que la suppression de l'instabilité et du risque de décollement à fort débit est obtenue au moyen d'un dispositif qui reste particulierement simple et qui respecte le gabarit du module de prélèvement 30. De plus, les possibilités de contrôle et la fiabilité restent inchangées par rapport au dispositif actuel. Sur les figures 4 et 5, on a représenté une variante- du mode de réalisation de La figure 3, dans laquelle la structure generale est analogue à celle de la figure 3, la seule différence concernant la partie inférieure 32a du conduit 32 et la partie supérieure 54a ou conduit 54. Plus précisément, à l'inverse du mode de réalisation de la figure 3, le conduit 54 qui traverse l'embout de prélevement 42 présente dans sa partie supérieure un seul tube 54a en forme de C, alors que la partie inférieure 32a du conduit 32 du module 30 est formée au contraire de trois tubes 32a en forme de C, dont la disposition à 900 les uns des autres autour de L'axe vertical du module 30 apparaît mieux sur La figure 5. Sur la figure 6, on a représenté un deuxième mode de réalisation de l'invention dont les caracteristi ques principales sont identiques à celles du premier mode de réalisation décrit. Ce deuxième mode de réalisation diffère seulement du précédent par l'agencement de la rotule par laquelle l'embout de prélèvement coopère avec le module de prélèvement. Pour faciliter la lecture de La figure 6, les mêmes chiffres de référence augmentés de 100 sont utilisés pour désigner les organes comparables. Dans ce deuxième mode de réalisation de l'in- vention et comme l'illustre la figure 6, le cylindre 146 de la rotule 150 est fixé au module 130 et la sphère 148 est fixée à l'embout de prélèvement 142. De façon plus précise, le cylindre 146 est ouvert vers Le haut de façon à recevoir la sphère 148 et il est fermé par une cloison inférieure dans laquelle aébouche la partie inférieure en forme de C 132a du conduit 132. La partie supérieure en forme de C 154a du conduit 154 de l'embout de prélèvement 142 débouche quant à elle dans cette même chambre 152 après avoir traversé la sphère 148 selon une direction approximativement verticale. Dans ce deuxième mode de réalisation, la paroi supérieure de la chambre 152 est formée sur la sphère 148 qui est fixée à l'embout de prélèvement 142. La force d'appui Fa de ce dernier sur l'entonnoir 128 est donc donnée par la même expression que dans le premier mode de réalisation et, ici encore, l'instabilité et le décollement de L'embout de prélèvement par rapport à llen- tonnoir sont impossibles. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemples, mais en couvre toutes les variantes. En particulier, il est clair que le nombre des tubes constituant respectivement la partie inférieure du conduit d'alimentation de chacun des modules et la partie supérieure du conduit traversant chacun des embouts de prélèvement peut être quelconque. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transfert d'un fluide depuis un circuit amont dans un circuit aval équipé de moyens de pompage, ces deux circuits pouvant subir un déplace ment relatif limité, le dispositif comprenant un embout de prélèvement (42, 142) dont une première extrémité repose par gravité sur un entonnoir (28, 128) du circuit amont et dont la deuxieme extremite est raccordée sur le circuit aval par l'intermédiaire d'une rotule étanche (50, 150) comportant une sphère (48, 148) montée dans un cylindre (46, 146) d'axe approximativement vertical, de façon à délimiter entre eux une chambre etanche (52, 152), un premier (46, 148) des organes constitués par la sphère et le cylindre etant fixe sur l'embout de prélèvement et le deuxième organe (48, 146) étant fixé sur Le circuit aval, caractérise par le fait que la paroi superieure de la chambre étanche (52, 152) est formée sur le premier organe (46, 148). 2. Dispositif selon la revendication 1, carac terse par le fait que le premier organe, fixé sur l'em bout de prélévement (42) est le cylindre (46), et que le deuxième organe, fixé sur le circuit aval, est la sphere (48). 3. Dispositif selon la revendication 1, carac tersé par le fait que le premier organe, fixe sur l'em bout de prélèvement (142) est la sphère (148) et que le deuxième organe, fixé sur le circuit aval, est le cylin dre (146). 4. Dispositif selon l'une quelconque des reven dications 1 à 3, caractérisé par le fait que, l'embout chambre etanche (52, 152) à la première extrémité de l'embout, une première partie (54b) du conduit adjacente à cette première extrémité est rectiligne et comporte un axe approximativement vertical qui passe par le centre de la sphère (48, 148), cette première partie du conduit étant placée en dessous de la rotule étanche (50, 150). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le conduit (54, 154) formé dans l'embout comporte au moins une autre partie (54a, 154a) en forme de C, reliant la première partie (54b) du conduit à la chambre étanche (52, 152) en contournant La rotule (50, 150). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le circuit aval comporte au moins une partie de conduit (32a, 132a) en forme de C débouchant dans la chambre étanche (52, 152) et contournant la rotule (50, 150). 7. Installation de détection de rupture de gaine, pour un réacteur nucléaire à neutrons rapides comprenant un coeur (18) placé dans une cuve principale (10) obturée par une dalle de fermeture (12) et remplie de métal liquide séparé en un collecteur froid et un collecteur chaud par une cuve interne (16), cette installation comprenant au moins un tronçon de rampe (24) fixé à la cuve intérieure au-dessus du coeur, au moins un module de prélèvement (30) suspendu à la dalle et comportant des moyens de pompage (36) et des moyens de mesure (38), et au moins un embout de prélèvement (42) au travers dure! le module de prélèvement communique avec le tronçon de rampe, caractérisée par le fait que le tronçon de rampe (24) et le module de prélèvement (30) constituent le circuit amont et le circuit aval d'un dispositif de transfert réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.