Brevet FR2688926A1 — publié le 19930924

Dispositif de sécurité contre une défaillance d'une surpression d'un caisson sous pression d'un réacteur nucléaire L'invention concerne un dispositif de sécurité contre une défaillance d'une surpression, d'un caisson sous pression d'un réacteur nucléaire dans le cas d'un refroidissement insuffisant du coeur. Si dans une centrale nucléaire, d'une manière générale et dans une centrale nucléaire utilisant un réacteur à eau bouillante notamment, on admet par hypothèse que la défaillance de tous les dispositifs de refroidissement du coeur du réacteur est extrêmement improbable, il existe le risque que le coeur du réacteur subisse une surchauffe Dans une centrale nucléaire à eau sous pression, une surpression inadmissible dans le circuit primaire est évitée au moyen du système de pressurisation comportant des dispositifs d'aspersion et de décharge Un réservoir de décharge sert à condenser la vapeur purgée lors de l'ouverture des soupapes de pressurisation, de décharge et de sécurité et des soupapes de sécurité du système de régulation volumique Le réservoir de décharge est rempli approximativement aux deux tiers d'eau, au-dessus de laquelle est placé un volume tampon d'azote Dans des réacteurs à eau sous pression, il règne dans le circuit primaire une pression de par exemple 158 105 Pa (fonctionnement normal). L'invention part de l'idée de réduire d'une manière / importante, en fonction de la température, la pression de réponse de décharge dans le circuit de refroidissement d'un réacteur nucléaire, notamment dans le circuit primaire d'un réacteur à eau sous pression, de manière que dans le cas très improbable de la surchauffe du coeur du réacteur, la pression dans le circuit primaire puisse être réduite automatiquement à des valeurs inférieures à 30 105 Pa Par conséquent, l'invention a pour but de créer un dispositif de sécurité qui soit apte à satisfaire à ce critère, et, par conséquent, empêche une défaillance, due à la surpression, du caisson sous pression du réacteur nucléaire dans le cas d'une surchauffe du coeur. Le problème posé est résolu, conformément à l'invention, dans un dispositif de sécurité du type indiqué plus haut, grâce au fait qu'un organe de détente, qui est chargé par une pression différentielle et qui est monté dans une paroi ou une conduite tubulaire, soumise à la pression primaire, du caisson sous pression, possède un élément de fermeture monté de manière à être mobile longitudinalement et qui est maintenu de façon étanche dans sa position de fermeture, par un élément de blocage formé d'une brasure, alors qu'il est amené dans sa position d'ouverture lorsqu'à l'intérieur du réacteur est atteinte une température limite supérieure qui conduit à la fusion de l'élément de blocage formé d'une brasure en raison d'un flux thermique à la température limite, qui atteint cet élément de blocage Dans une forme de réalisation préférée, l'élément de fermeture est un piston à pression différentielle. Les avantages que l'on peut obtenir grâce à l'invention, doivent être vus surtout dans le fait que, lorsque dans le coeur du réacteur est atteinte une température limite déterminée qui est nettement inférieure à la température de défaillance du caisson sous pression du réacteur, l'élément de blocage formé d'une brasure fond et que, de ce fait, l'élément de fermeture est libéré Sous l'effet de la pression du système (pression dans le réacteur), le piston à pression différentielle, qui est de préférence utilisé, est déplacé dans son cylindre de guidage jusqu'à une butée Une fois que le piston a atteint sa butée, la pression du système est réduite à des valeurs inférieures à 30 105 Pa, au moyen de la section transversale de décharge alors ouverte Une forme de réalisation avantageuse du dispositif de sécurité selon l'invention consiste à cet égard en ce que l'organe de détente est monté dans la paroi d'une canalisation principale du fluide de refroidissement, à proximité du caisson sous pression du réacteur nucléaire. Une autre forme de réalisation avantageuse consiste en ce que l'organe de détente est monté dans la paroi du caisson sous pression au niveau des tubulures de la canalisation principale du fluide de refroidissement, et dans des zones de la paroi entre ces tubulures. Conformément à une forme de réalisation préférée, l'organe de détente est raccordé à une canalisation de décharge qui débouche dans un réservoir de décharge Mais, dans le cas de dimensions réduites correspondantes de la section transversale de l'organe de détente et des canalisations raccordées à cet élément, la canalisation de détente peut être également agencée sous la forme d'une canalisation de commande pour une soupape de décharge particulière Comme alliages formant la brasure, il s'avère particulièrement approprié d'utiliser des alliages de brasure à l'argent, qui sont stables et résistent au rayonnement dans une plage de températures atteignant jusqu'à environ 60 OC. Selon une variante de l'invention, l'élément de blocage formé d'une brasure est disposé entre des surfaces d'étanchéité de l'élément de fermeture et des surfaces d'appui associée de l'organe de détente. Selon une variante de l'invention, dans le cas d'un piston à pression différentielle, l'élément de blocage formé d'une brasure est, en outre, disposé entre des surfaces circonférentielles du piston et des surfaces de guidage sur le pourtour intérieur d'un cylindre de guidage. Selon une variante de l'invention, le piston à pression différentielle et le cylindre de guidage sont réalisés sous la forme de corps creux. Selon une variante de l'invention, le cylindre de guidage est maintenu centré dans le boîtier de l'organe de détente de manière qu'un canal annulaire subsiste en tant que canal de trop-plein entre sa périphérie extérieure et la10 périphérie intérieure du boîtier de l'organe de détente, des ailettes de guidage, qui maintiennent, à l'état centré, le cylindre de guidage, sont disposées dans le canal annulaire et sont raccordées à la paroi du boîtier de l'organe de détente, et la section transversale d'entrée du canal de15 trop-plein est fermée de façon étanche par le piston à pression différentielle situé dans sa position normale, alors qu'elle est libérée par le piston lorsqu'il est dans sa position de déclenchement. Selon une variante de l'invention, le cylindre de guidage possède, sur son extrémité tournée à l'opposé du piston, un fond comportant une ouverture de détente. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci- après, prise en référence aux dessins annexes, sur lesquels25 la figure 1 repréesnte, selon une coupe axiale, un caisson sous pression d'un réacteur nucléaire comportant un dispositif de sécurité conforme à l'invention, qui comprend un organe de détente monté dans une canalisation principale du fluide de refroidissement;30 la figure 2 représente le détail II de la figure 1 de l'organe de détente, d'une manière plus détaillée; et la figure 3 représente un circuit de vapeur, dans lequel la canalisation de décharge de l'organe de détente est utilisée comme canalisation de commande pour la commande d'une soupape de décharge. Le caisson sous pression 1 du réacteur nucléaire (désigné ci-après par: caisson sous pression), représenté d'une manière simplifiée en coupe sur la figure 1, d'une centrale nucléaire à eau sous pression est conçu par exemple pour une puissance thermique de réacteur de 3765 MW, ce qui correspond à une pression électrique brute de 1300 MW Le coeur 2 du réacteur, qui est constitué par l'assemblage d'éléments combustibles, dont seul l'un 3 est représenté, est refroidi par de l'eau légère, qui pénètre par l'intermédiaire de tubulures d'entrée 4 et s'évacue vers le bas dans un espace annulaire 5 (voir les flèches d'écoulement fl) A partir du collecteur inférieur 6, l'eau de refroidissement remonte en traversant la grille inférieure perforée 7 en passant dans les canaux de refroidissement des éléments combustibles 3, s'échauffe dans ces derniers et sort alors du collecteur supérieur 8 en passant dans des tubulures de sortie 9 et ce qu'on appelle la canalisation chaude 10 du circuit primaire, qui est raccordée à ces tubulures, en direction d'un générateur de vapeur non représenté, o elle délivre sa chaleur au fluide de refroidissement secondaire par l'intermédiaire de tubes d'échange thermique La circulation de l'eau de refroidissement dans le coeur 2 du réacteur, dans le collecteur supérieur 8 et dans les tubulures de sortie est indiquée par les flèches d'écoulement25 f 2 L'eau froide refroidie, également désignée sous l'expression fluide de refroidissement primaire, est renvoyée par pompage depuis le générateur de vapeur à la tubulure d'entrée 4 du caisson sous pression 1, par l'intermédiaire de ce qu'on appelle la canalisation froide du circuit primaire (non représentée), de sorte que, pendant le fonctionnement normal, on obtient une circulation continue Dans le fonctionnement normal, le fluide de refroidissement primaire présent dans le circuit primaire et, par conséquent, également à l'intérieur du caisson sous pression 1 est soumis à une pression d'environ 158 105 Pa, tandis que la température du fluide de refroidissement au niveau de la tubulure de sortie 9 est égale à environ 329 O C Le caisson sous pression 1 du réacteur équipé de ses structures internes est conçu pour cette sollicitation en pression et en température, plus une marge de sécurité Il est constitué par une partie, inférieure en forme de pot l A, comportant une calotte de fond Il et, à son extrémité supérieure, une bride annulaire 12, au moyen de laquelle le couvercle cintré 1 B, qui possède une bride antagoniste 13, est fixé de façon étanche (on n'a pas représenté les vis du couvercle, mais uniquement les ouvertures 14 de passage des vis) Parmi les structures internes, on va mentionner seulement les plus importantes: une tonne filtrante inférieure 15, au-dessus de laquelle est disposée la grille inférieure 7 déjà mentionnée, qui forme le fond de la cuve 16 du coeur Cette dernière est suspendue par une bride de support 16 1 à un épaulement annulaire 17 de la bride annulaire 12 et loge, dans sa partie inférieure, le coeur 2 ainsi que les différents éléments combustibles 3 Le coeur 2 est recouvert par un sommier supérieur 18, sur lequel prend appui une structure de guidage 19, qui possède une plaque de support supérieure 19 1 Des barres de commande 20 pénètrent dans une partie des éléments combustibles, ces barres pouvant être abaissées ou soulevées par des dispositifs d'entraînement des barres de commande, non représentés, qui sont disposés au-dessus du couvercle 1 B. Dans le cas d'une installation à quatre boucles, quatre tubulures de sortie 9 et quatre tubulures d'entrée 4 sont disposées alternativement dans le plan 21-21 en étant réparties sur la périphérie du caisson sous pression 1 En30 fonctionnement normal, le fluide de refroidissement primaire, qui est maintenu à une pression surcritique et par conséquent est à l'état liquide, non seulement recouvre le noyau 2, mais remplit également le collecteur supérieur 8, à peu près jusqu'à la plaque de support supérieure 19 1 C'est pourquoi35 ceci garantit un refroidissement efficace également des structures internes, qui, assurément, ne produisent d'elles- mêmes aucune chaleur (tels que les éléments combustibles 3), mais sont soumises à ce qu'on appelle un échauffement gamma produit par le rayonnement gamma Dans le cas o le niveau de5 l'eau dans le caisson sous pression s'abaisse en raison d'une défaillance très improbable de tous les dispositifs de refroidissement et de refroidissement d'urgence, la température des composants (normalement environ 4000 C) commence à augmenter, et de la chaleur est délivrée d'une10 manière renforcée notamment par rayonnement et conduction au caisson sous pression 1, en particulier lorsque le niveau de l'eau s'est abaissé jusqu'au sommier supérieur 18 ou même encore un peu au-dessous Cette surchauffe est utilisée à un stade encore relativement précoce par le dispositif de15 sécurité conforme à l'invention pour empêcher de façon sûre une défaillance, due à la pression, du caisson sous pression 1, dans le cas du refroidissement insuffisant mentionné du coeur. A cet effet, il est prévu un organe de détente 22 chargé par une pression différentielle et monté dans une canalisation tubulaire du caisson sous pression 1 (on a représenté la canalisation principale chaude 10 du fluide de refroidissement sous la forme d'une canalisation tubulaire). Cet organe de détente possède un élément de fermeture qui est monté de manière à être mobile longitudinalement, notamment un piston à pression différentielle 23 (voir la représentation de la figure 2), qui est maintenu d'une manière étanche par un élément de blocage formé d'une brasure 24, 25, dans sa position de fermeture (représentée). Lorsqu'est atteinte à l'intérieur du réacteur une température limite supérieure qui est égale par exemple à 7000 C, l'élément de blocage formé d'une brasure 24, 25 fond en raison du flux thermique à la température limite, qui l'atteint Cet élément de blocage ne peut plus résister aux forces de cisaillement qui agissent sur lui, de sorte que le piston à pression différentielle 23 est amené dans sa position ouverte, sur la base des forces de pression différentielle qui lui sont appliquées La différence de pression est égale à P = Pl P 0, avec Pl = pression intérieure, PO = pression extérieure. La pression Pl, qui règne dans l'espace intérieur du caisson sous pression 1, peut, par conséquent, être réduite, par l'intermédiaire de la tubulure de raccordement 26 et de la10 section transversale ouverte du canal annulaire 27 dans la canalisation de décharge 28, au cours de la circulation du flux de décharge, voir les flèches f 3 L'élément de blocage formé d'une brasure 24 est monté entre des surfaces d'étanchéité 23 1 du piston 23 et des surfaces d'appui associées 29 de l'organe de détente 22 Ces surfaces d'appui 29 sont formées, dans l'exemple représenté, par des surfaces circonférentielles intérieures de l'élément tubulaire de raccordement 26, qui peut être pourvu d'un organe de détente supplémentaire au voisinage de la surface d'appui Cet élément de blocage formé d'une brasure est conçu de telle sorte qu'à la température normale, il puisse aisément résister à une pression différentielle de 160 105 Pa Comme élément de sécurité supplémentaire, un autre élément de blocage formé d'une brasure 25 est disposé entre la surface circonférentielle 23 2 du piston (à l'extrémité d'immersion du piston 23) et les surfaces de guidage 30 sur le pourtour inférieur d'un cylindre de guidage 31 Le piston 23 et le cylindre de guidage 31 sont réalisés de préférence sous la forme de corps creux, étant donné qu'ainsi le flux thermique atteint sans pertes et de la manière recherchée la brasure. Le cylindre de guidage 31 est maintenu centré dans le boîtier 220 de l'organe de détente de telle sorte qu'entre son pourtour extérieur et le pourtour intérieur du boîtier 220 de l'organe de détente, il subsiste un espace annulaire ou un canal annulaire 27 en tant que canal de trop- plein Des ailettes de guidage 32, qui maintiennent centré le cylindre de guidage 31, sont disposées dans l'espace annulaire et sont raccordées à la paroi du boîtier de l'organe de détente. Comme représenté, la section transversale d'entrée de5 l'espace annulaire ou du canal de trop-plein 27 est fermée de façon étanche par le piston 23, dans sa position normale, alors que cette section transversale est libérée lorsque le piston est dans sa position de déclenchement Dans la position de déclenchement, le piston 23 est complètement10 enfoncé dans le cylindre de guidage 31 Pour que la pression différentielle soit produite au niveau du piston 23, et afin de faciliter le mouvement d'enfoncement, le cylindre de guidage 31, qui possède un fond 33, comporte, dans son fond, une ouverture de détente 34.15 Comme cela a été mentionné et est représenté, l'organe de détente 22 est monté dans la paroi de la canalisation principale 10 du fluide de refroidissement, à savoir ce qu'on appelle la canalisation chaude du circuit primaire, à proximité du caisson sous pression 1 Une autre forme de réalisation consisterait à insérer une tubulure de raccordement 26 de l'organe de détente 22 dans la paroi cylindrique du caisson sous pression 1 au niveau des tubulures 4, 9 de la canalisation principale du fluide de refroidissement (voir figure 1), et, ce, dans un espace25 intercalaire périphérique entre ces tubulures (ceci n'est pas représenté). L'organe de détente 22 peut être également agencé sous la forme d'un organe de commande de pression 22 ' (voir figure 3) Cet élément possède des dimensions plus faibles correspondantes en coupe transversale et, à la place de la canalisation de détente 28, il est prévu une canalisation de commande de pression 28 ', qui est raccordée à une unité à piston de commande 35 d'une soupape de décharge 36 Cette soupape de décharge 36 reçoit sur son côté entrée la pression Pl du système, qui le bloque normalement en direction d'une canalisation 37 aboutissant à un récipient de décharge, non représenté de façon détaillée C'est seulement lors de la réponse de l'organe de commande 22 ', dans le cas d'une surchauffe du caisson sous pression 1, que la soupape de décharge 36 serait ouverte En ce qui concerne cette soupape de décharge, il peut s'agir de la soupape de décharge raccordée à la canalisation du circuit primaire à proximité du pressuriseur, dans des installations classiques de réacteurs nucléaires. L'organe 22 ' (dans sa forme de réalisation de taille réduite en tant qu'organe de commande de pression) peut être également monté à l'intérieur du caisson sous pression 1, par exemple au voisinage de la grille inférieure 7 ou du sommier supérieur 18, de sorte qu'elle est encore plus rapprochée de points chauds éventuels, et, donc, répond encore plus rapidement La canalisation associée de commande de pression 28 ' serait ressortie d'une manière étanche à la pression à la manière d'une canalisation élancée de mesure à travers le couvercle 1 B ou au niveau d'un point situé entre les tubulures d'entrée et de sortie 4, 9. Le fait qu'une fonction directe de décharge (figures 1 et 2) ou une fonction indirecte de décharge soit mise en oeuvre dans le cas d'une surchauffe, implique un gain de sécurité, étant donné que la pression à l'intérieur du caisson sous pression 1 peut être abaissée à des valeurs inférieures à 30 105 Pa Ceci garantit que, même dans le cas de ce qu'on appelle la fusion du coeur et d'une fusion qui intervient ensuite éventuellement, du fond du caisson sous pression, la structure de support et de retenue du caisson sous pression 1, de même que le reste de la structure du bâtiment du réacteur nucléaire, sont soumises au maximum à des forces déterminées lors de la conception Étant donné que le cas de défaillance par fusion de réacteur, dans le cas de la forme de réalisation de réacteur à eau sous pression standard, est un événement extrêmement improbable, l'organe il 2688926 de décharge 22 ou 22 ' peut être fixé par soudage dans la tubulure 10 de la canalisation ou dans la paroi de canalisation sous pression Cependant, on peut également prévoir une liaison par bride, qui résiste à la pression et permet une inspection des points de brasage à des intervalles de temps déterminés (lorsque la pression à l'intérieur du caisson sous pression est supprimée en raison d'un remplacement d'éléments combustibles). REVENDICATIONS 1 Dispositif de sécurité contre une défaillance, d'une surpression, d'un caisson sous pression d'un réacteur nucléaire dans le cas d'un refroidissement insuffisant du coeur, caractérisé en ce qu'un organe de détente ( 22), qui est chargé par une pression différentielle et qui est monté dans une paroi ou une conduite tubulaire ( 10), soumise à la pression primaire, du caisson sous pression ( 1), possède un élément de fermeture ( 23) monté de manière à être mobile longitudinalement et qui est maintenu de façon étanche dans sa position de fermeture, par un élément de blocage formé d'une brasure ( 24,25), alors qu'il est amené dans sa position d'ouverture lorsqu'à l'intérieur du réacteur est atteinte une température limite supérieure qui conduit à la fusion de l'élément de blocage formé d'une brasure ( 24,25) en raison d'un flux thermique à la température limite, qui atteint cet élément de blocage. 2 Dispositif de sécurité suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de fermeture ( 23) est un piston à pression différentielle. 3 Dispositif de sécurité suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'organe de détente ( 22) est raccordé à une canalisation de décharge ( 28) qui débouche dans un réservoir de décharge. 4 Dispositif de sécurité suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément de blocage formé d'une brasure ( 24) est disposé entre des surfaces d'étanchéité ( 23 1) de l'élément de fermeture ( 23) et des surfaces d'appui associée ( 29) de l'organe de détente 5 ( 22). Dispositif de sécurité suivant la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le cas d'un piston à pression différentielle, l'élément de blocage formé d'une brasure ( 25) est en outre disposé entre des surfaces circonférentielles ( 23 2) du piston et des surfaces de guidage ( 30), sur le pourtour intérieur d'un cylindre de guidage ( 31). 6 Dispositif de sécurité suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le piston à pression différentielle ( 23) et le cylindre de guidage ( 31) sont réalisés sous la forme de corps creux. 7 Dispositif de sécurité suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le cylindre de guidage ( 31) est maintenu centré dans le boîtier ( 220) de l'organe de détente de manière qu'un canal annulaire ( 27) subsiste en tant que canal de trop-plein entre sa périphérie extérieure et la périphérie intérieure du boîtier de l'organe de détente, que des ailettes de guidage ( 32), qui maintiennent à l'état centré le cylindre de guidage ( 31), sont disposées dans le canal annulaire ( 27) et sont raccordées à la paroi du boîtier ( 220) de l'organe de détente, et que la section transversale d'entrée du canal de trop-plein ( 27) est fermée de façon étanche par le piston à pression différentielle ( 23) situé dans sa position normale, alors qu'elle est libérée par le piston lorsqu'il est dans sa position de déclenchement. 8 Dispositif de sécurité suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que le cylindre de guidage ( 23) possède, sur son extrémité tournée à l'opposé du piston, un fond ( 33) comportant une ouverture de détente ( 34). 9 Dispositif de sécurité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'organe de détente ( 22) est monté dans la paroi d'une canalisation principale ( 10) du fluide de refroidissement, à 5 proximité du caisson sous pression ( 1) d'un réacteur nucléaire. Dispositif de sécurité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'organe de détente ( 22) est inséré dans la paroi du caisson sous pression ( 1) au niveau de et entre les tubulures ( 4,9) de la canalisation principale du fluide de refroidissement. 11 Dispositif de sécurité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que dans le cas de dimensions réduites correspondantes de la section transversale de l'organe de détente ( 22) et des canalisations qui sont raccordées, la canalisation de détente est réalisée sous la forme d'une canalisation de commande ( 28 ') pour une soupape particulière de décharge ( 36).