Brevet FR2671224A1 — publié le 19920703

DALLE DE FERMETURE DE LA CUVE MéTALLIQUE D'UN REACTEUR NUCLEAIRE A NEUTRONS RAPIDES La présente invention a trait aux réacteurs nucléaires à neutrons rapides du type dans lequel le coeur du réacteur est logé dans une cuve métallique dite cuve principale remplie de métal liquide et obturée par une dalle de fermeture. De façon plus précise, l'invention concerne dans un tel réacteur La structure de la dalle de fermeture elle-même. On commencera d'abord par rappeler l'art connu d'un réacteur nucléaire du type à neutrons rapides en se référant à la figure 1 qui est une vue schématique en coupe transversale d'un tel réacteur de type intégré et de conception classique. On reconnaît sur cette figure l'enceinte de béton 10 définissant le puits de cuve 12 à la partie supérieure duquel est pendue la virole périphérique de dalle 22 dans Le prolongement de la cuve principale 14 contenant le coeur 16 du réacteur. Le coeur 16 repose sur un sommier d'alimentation 18, qui repose lui-même sur le fond de la cuve 14 par l'intermédiaire d'un platelage 20. La cuve principale 14 est obturée à son extrémité supérieure par une dalle de fermeture 22 et elle contient l'ensemble du métal liquide primaire 24 généralement constitué par du sodium. Une cuve interne 26 sépare en deux volumes distincts le sodium 24 contenu dans la cuve 14. La cuve interne 26 définit ainsi, respectivement, un collecteur chaud 24a et un collecteur froid 24b. La dalle 22 supporte, dans sa partie périphérique, un certain nombre d'échangeurs de chaleur 28 et de pompes 30. Sous L'action des pompes 30, le sodium chaud sortant du coeur 16 du réacteur traverse le collecteur chaud 24a avant de pénétrer par des orifices d'entrée 28a dans chacun des échangeurs 28. La chaleur véhiculée par le fluide primaire est alors transmise au fluide secondaire. Le sodium primaire refroidi ressort des échangeurs par des orifices de sortie 28b débouchant dans le collecteur froid 24b. Il est alors repris par les pompes 30, pour être refoulé dans le sommier 18 d'alimentation du coeur 16 par des conduites 32. Généralement, la cuve principale 14 est doublée par une cuve de sécurité 34 également suspendue à la partie supérieure du puits de cuve. De façon également connue, la dalle supporte les bouchons tournant qui permettent l'accès aux éléments combustibles du coeur et les différents composants qui la traversent, notamment les échangeurs, les pompes et la machine de manutention. Une vue partielle d'une telle dalle connue est représentée sur la figure 2 empreintée aux réalisations du réacteur Superphénix de la centrale de Creys-Malville. Dans ce réacteur, la dalle 22 est réalisée en des caissons métalliques remplis de béton, la quantité de ce béton est nécessaire à assurer un compromis entre sa fonction de protection radiologique neutronique et en cas accidentel participe à sa tenue mécanique. Le sodium liquide contenu dans le coeur est, à la partie supérieure au voisinage de sa surface libre, à une température de l'ordre de 5450C et un espace libre rempli d'un gaz chimiquement neutre, Le plus souvent de l'argon, recouvre et sépare le métaL liquide de la partie inférieure de la dalle.Dans l'exemple de la figure 2, la hauteur de cette dalle est de l'ordre de 3 mètres et pour la protéger des calories émises par le sodium liquide, on revêt sa partie inférieure d'une isolation thermique 36, compatible avec la vapeur et aérosols de sodium en suspension dans le gaz neutre composée dans L'exemple décrit d'un empilement de toiles métalliques disposées parallèlement aux surfaces à protéger. Par ailleurs, sur tout son pourtour interne aux caissons, la dalle est munie de conduits d'eau de refroidissement 38 qui limitent la montée en température du béton. Les conduits 38 doublés pour la redondance de la fonction sont le plus souvent des serpentins de circulation d'eau noyés dans le béton et soudés sur les parois internes des surfaces à refroidir. Dans la réalisation précédemment décrite et connue, les dalles de réacteurs à neutrons rapides présentent néanmoins un certain nombre d'inconvénients. En effet, la nécessité d'implanter avant la coulée du béton, les tubes, fait que ceux-ci sont inaccessibles, donc pas réparables si l'un d'eux vient accidentellement à se détériorer et à présenter des fuites. De telles fuites peuvent par ailleurs être extrêmement dangereuses lorsqu'elles interviennent au-dessus d'une masse de sodium chaud en raison des risques d'incendie dès que de l'eau vient en contact avec du sodium chaud susceptible de la réduire en provoquant des dégagements de gaz hydrogène combustible. Enfin, la nécessité de refroidir les différents bouchons tournant pendant les périodes de manutention du combustible rendent ces mêmes opérations délicates. La présente invention a précisément pour objet une conception nouvelle de la dalle d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides qui permet de s'affranchir des difficultés précédentes. Cette dalle de fermeture de la partie supérieure de la cuve métallique contenant le métal liquide de refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, ladite dalle étant au contact de l'atmosphère de gaz neutre chaud surmontant la surface du métal liquide contenu dans la cuve, se caractérise en ce qu'elle est constituée en un matériau métallique bon conducteur de la chaleur et en ce qu'elle est munie de moyens de mise en circulation d'un fluide de refroidissement sur sa face supérieure en contact avec l'air. Comme on peut le constater, L'idée essentielle de la présente invention consiste à constituer la dalle de matériaux très bon conducteurs de la chaleur tel que par exemple l'acier noir et/ou l'aluminium et à reporter la surface de refroidissement de cette même dalle sur la face supérieure de celle-ci, en contact avec l'atmosphère ambiante. De cette façon, les calories dégagées par le coeur du réacteur sont transmises au sodium primaire liquide puis au gaz de couverture par induction thermique transitent rapidement et de façon homogène à travers le métal de la dalle pour parvenir et échanger au contact d'une circulation forcée de fluide située sur la face supérieure de cette dalle, grâce à laquelle elLes sont rapidement évacuées vers l'extérieur. Une teLLe réalisation, qui résoud les problèmes de l'art antérieur précédemment rappelés, présente en outre un certain nombre d'avantages très importants qui sont les suivants - la grande conductivité thermique de la dalle conduit à des gradients thermiques beaucoup plus faibles que dans les dalles en béton de l'art antérieur et également à une limitation très importante de l'apparition de points chauds anormaux. - La structure revendiquée conduit à une simplification certaine de . l'aménagement interne de la dalle en particulier la dalle monobloc acier permet par usinage de réduire très notablement les isthmes entre traversées de composants ; - elle permet une accessibilité plus grande aux moyens de refroidissement, notamment à ceux des bouchons tournants lors des manutentions d'éléments combustibles ; - le refroidissement de la surface de la dalle par un circuit d'air peut intervenir soit en convection forcée, soit en convection naturelle ce qui dans ce dernier cas est considéré comme un système passif qui renforce la sécurité de l'installation vis-à-vis des accidents de montée en température. - Une dalle de réacteur, conçue selon la présente invention, offre une résistance mécanique excellente à tout accident de dégagement énergétique qui pourrait conduire, à solliciter les dalles par une mise en pression dynamique puis statique des gaz du ciel de pile. - Enfin, au point de vue thermique, les températures homogènes qui règnent dans L'ensemble de la dalle et qui conduisent à de faibles gradients thermiques axiaux et radiaux permettent de reporter sur la seule face supérieure, les moyens de refroidissement de cette dalle, donc de rendre ces moyens accessibles et réparables. Selon une caractéristique secondaire de la présente invention, il peut être néanmoins nécessaire pour des raisons de gradient thermique, mais surtout de limitation de flux de chaleur de prévoir sur la face inférieure de la dalle métallique en contact avec le gaz chaud, une couche de matériau calorifuge, par exemple semblable à celui de l'isolation 36 de l'art antérieur. Selon l'invention, les moyens de mise en circulation d'un fluide consistent par exemple en un circuit d'air, en principe en convection forcée par un ventilateur, sur le trajet duquel se situe un échangeur pour l'évacuation des calories vers l'extérieur. Comme on L'a déjà indiqué précédemment, on peut néanmoins calculer Les structures pour qu'au cours d'un incident ou accident de refroidissement, la transformation de la convection forcée en convection naturel le soit encore suffisante pour assurer un refroidissement acceptable pour la tenue des structures de La dalle. Selon une caractéristique de la présente invention, la dalle métallique est constituée d'un bloc d'acier monoblocs dans le cas où la dalle est soit un bloc unique de dimensions relativement restreintes compatibles avec la fabrication et le transport, soit des blocs fabriqués et transportés puis assemblés sur un site pour constitution d'une dalle de plus grandes dimensions. La dalle de fermeture peut être constituée par plusieurs blocs d'acier monobloc (40) transportables et assemblés sur site par soudures non détensionnées. Dans une autre réalisation, la dalle peut être renforcée par des raidisseurs radiaux (55) soudés sous la dalle (40). Selon une autre caractéristique de la présente invention, la dalle métallique est constituée d'un caisson métallique rempli d'aluminium. Dans ce cas, l'aluminium peut être soit réalisé à partir d'une masse coulée à l'intérieur du caisson ou bien réparti sous forme de briques empilées dans ce même caisson. De toute façon, La présente invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre qui seront décrits, à titre surtout illustratif et non limitatif, en se référant aux figures schématiques 3 et 4 ci-jointes sur lesquelles - la figure 3 montre une coupe radiale d'un exemple de réalisation d'une dalle monobloc en acier conforme à l'invention - la figure 3a représente une variante de l'exemple de la figure 3 ; - la figure 4 montre un exemple de réalisation d'une dalle mécano-soudée conforme à l'invention et remplie d'aluminium. Sur la figure 3, on a représenté la dalle en acier monobloc 40 fermant à la partie supérieure la cuve 14 d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, cette cuve 14 étant elle-même située dans le puits de cuve 42. Sur la coupe représentée sur la figure 3, on ne voit qu'une partie de la dalle qui s'étend précisément entre le puits de cuve 42 et le grand bouchon tournant non représenté, qui se situerait au-delà de la partie gauche de cette figure 3. Sur la portion de figure dessinée se trouvent deux composants du réacteur 44 et 46 qui traversent complètement la dalle en acier et qui sont en fait des dispositif de refroidissement de secours du réacteur à l'arrêt. Sous la dalle 40 est situé l'espace rempli d'argon 48 au-dessus de la surface 50 du sodium liquide liquide.Conformément à l'invention, la face supérieure 52 de la dalle métallique est équipée d'un conduit 54 où circule en convection forcée de l'air de refroidissement qui entre en 56 et sort en 58. Le circuit de cet air de refroidissement comporte un ventilateur 60 destiné à mettre L'air en mouvement et un échangeur de chaleur 62 permettant d'évacuer les calories absorbées par l'air de refroidissement à l'aide d'un serpentin parcouru par de l'eau, ou tout autre moyoen d'évacuation des calories. Conformément à l'invention, on voit donc sur cette figure 3 que la dalle monobloc en acier 40 transmet dans de bonnes conditions de conduction thermique, les calories issues de la masse liquide de sodium jusqu'à sa surface supérieure 52 où l'espace de refroidissement 54 qui comporte le courant d'air de refroidissement assure leur évacuation. A titre optionnel, on peut envisager comme cela est représenté sur la figure, de surmonter le caisson 54 par un calorifuge de protection contre les feux de sodium dus à une éventuelle fuite des circuits secondaires. On peut également envisager, si l'on veut modérer la transmission des calories de l'espace des gaz 48 et de la surface de sodium 50 vers la dalle 40, de munir celle-ci d'une zone calorifugée 66 située à la partie inférieure de la dalle 40. Il est bien entendu toutefois que ceci n'est qu'une option non indispensable à la mise en oeuvre de l'invention et destinée simplement à ralentir la transmission des calories vers la face supérieure de la dalle 40 si les conditions thermiques du réacteur le rendent nécessaire. La figure 3 montre également une disposition pour améliorer la tenue mécanique de la dalle. Des raidisseurs radiaux 55 peuvent être soudés sous la dalle 40 et sur des viroles 53 elle-mêmes soudées sous la dalle 40 dans le prolongement des traversées des bouchons tournants A et B (figure 1) et de composants 44 et 46. Un même renfort peut être réalisé sur la face supérieure de la dalle 40, comme représenté sur la figure 3a. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention que l'on décrira maintenant en se référant à la figure 4, les différents composants de la dalle 40 et de son environnement sont similaires à ceux de la figure 3 et ils portent les mêmes nombres de référence. Dans cette réalisation toutefois, la dalle est constituée d'un caisson métallique soudé 70 et étanche rempli d'aluminium. Sur la partie 68 de la dalle 40, l'aluminium est massif et obtenu par coulée à L'état liquide dans le caisson métallique. Dans la partie 70 de la figure 4 se trouve représenté un autre mode possible de mise en oeuvre de la dalle métallique en aluminium, dans laquelle celle-ci est réalisée par empilement de briques parallélépipédiques d'aluminium 72. Dans le dispositif de la figure 4, le refroidissement de la partie supérieure de la dalle métallique est assuré avec des moyens strictement identiques à ceux du mode de mise en oeuvre de la figure 3. REVENDICATIONS 1. Dalle de fermeture de la partie supérieure de la cuve métallique contenant le métal liquide de refroidissement d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, ladite dalle (22) étant au contact de l'atmosphère de gaz neutre chaud surmontant la surface du métal liquide contenu dans la cuve (14), caractérisée en ce qu'elle est constituée en un matériau métallique bon conducteur de la chaleur et en ce qu'elle est munie de moyens de mise en circulation d'un fluide de refroidissement sur sa face supérieure en contact avec l'air (54, 60, 62). 2. Dalle de fermeture selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, sur sa face inférieure en contact avec le gaz chaud, une couche de matériau calorifuge (66) et éventuellement une protection thermique (64) contre les feux de sodium sur dalle. 3. Dalle de fermeture selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les moyens de mise en circulation d'un fluide consistent en un circuit d'air en convection forcée par un ventilateur (60) sur le trajet duquel se situe un échangeur (62) pour l'évacuation des calories. 4. Dalle de fermeture selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un bloc d'acier monobloc (40), transportable. 5. Dalle de fermeture selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'elle est constituée de plusieurs blocs d'acier monobloc (40) transportables, assemblés sur site par soudures non détens i onnées. 6. Dalle de fermeture selon L'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est renforcée par des raidisseurs radiaux (55) soudés sous la dalle (40). 7. Dalle de fermeture selon L'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un caisson métallique mécano-soudé (70) rempli d'aluminium. 8. Dalle de fermeture selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'aluminium est une masse coulée à l'intérieur du caisson. 9. Dalle de fermeture selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'aluminium est réparti sous formes de briques empilées (72) dans le caisson.