Brevet FR2702301A1 — publié le 19940909

L'invention concerne un agencement pour la pro- tection d'un réacteur nucléaire en cas de fusion du coeur, comprenant un dispositif collecteur installé au-dessous du caisson résistant du réacteur et destiné à collecter les fuites de corium, et un système de refroidissement pour le corium collecté Le terme de corium désigne la matière fondue qui s'écoule lors d'une fusion du coeur, c'est-à-dire un mélange d'uranium, d'acier zircaloy et d'autres éléments. Dans l'agencement bien connu qui constitue le point de départ de l'invention (DE-PS 2 035 089), le dispo- sitif collecteur est un bassin collecteur ouvert avec un fond plan, des parois latérales et des tuyaux de refroidis- sement encastrés qui font partie du système de refroidisse- ment Le bassin collecteur est réalisé par exemple en acier, mais il peut également comprendre du plomb fusible pour di- luer le corium La conformation et l'agencement sont choisis de telle façon que, dès que le corium entre en contact avec le fond du bassin, la chaleur est transmise à l'eau de re- froidissement des tuyaux de refroidissement L'eau de re- froidissement s'évapore et la vapeur est évacuée Sur ce point, il n'est pas fait appel à un effet de thermosiphon. Il s'agit plutôt d'un refroidissement par évaporation avec éjection de la vapeur Le système de refroidissement com- prend donc d'une part un réservoir d'eau de refroidissement avec raccordement aux tuyaux de refroidissement et, d'autre part, un séparateur de vapeur, une conduite de raccordement étant prévue entre le séparateur de vapeur et le réservoir d'eau de refroidissement La surface du bassin collecteur doit être suffisamment grande pour que le corium qui s'y ré- pand ne forme qu'une mince couche qui se solidifie rapide- ment au contact avec le fond refroidi du bassin collecteur. Le bassin collecteur présente des dimensions telles qu'il permet de solidifier ainsi la totalité du corium effluent. Une réalisation de la technologie des couches minces décrite implique la mise en oeuvre des mesures bien connues, et ce également sous l'aspect spatial Cela s'applique également au cas o les tuyaux de refroidissement sont pourvus d'élé- ments qui augmentent la surface active pour le transfert de chaleur Il n'est pas prévu de réaliser le système à partir des éléments préfabriqués. L'invention a pour objet de créer un agencement du genre précité et destiné à l'application décrite ci-dessus qui est assemblé à partir d'éléments préfabriqués. A cet effet, l'invention a pour objet un agence- ment pour la protection d'un réacteur nucléaire en cas de fusion du coeur, comprenant un dispositif collecteur disposé en dessous du caisson résistant du réacteur et destiné à re- cevoir, en cas de fusion du coeur, le corium qui s'écoule, et un système de refroidissement pour le corium collecté, en réalisant la combinaison des caractéristiques suivantes: a) Le dispositif collecteur est une structure réalisée à partir d'éléments de coquilles en fonte de fer et/ou en acier au creuset qui forment un système d'écoulement et un système collecteur pour le corium effluent, b) les éléments de coquilles comportent des canaux de re- froidissement raccordés à un système de refroidissement par thermosiphon, c) le système de refroidissement par thermosiphon forme un circuit, la masse de fonte de fer et/ou d'acier au creuset étant cal- culée de telle façon qu'elle est capable d'absorber la cha- leur de fusion du corium effluent pendant au moins le laps de temps qui est nécessaire avant que le système de refroi- dissement par thermosiphon assure une dissipation suffisante de la chaleur par effet de thermosiphon Dans le cadre de l'invention, le terme de coquille est employé dans le sens de la technique de fonderie Dans le sens de la technique de fonderie, une coquille est un moule métallique, le plus sou- vent constitué d'un alliage spécial pour lingotières, pour couler à l'état fondu des matériaux métalliques, et coulage en coquille désigne un procédé de coulée correspondant Il est essentiel que lors du versement de la matière à l'état fondu, le matériau de coquille ne fonde pas Celui-ci et l'épaisseur de la paroi de coquille sont choisis de telle façon que la chaleur de fusion est absorbée sans que la co- quille soit détruite par des phénomènes de fusion Selon l'invention, le corium est le métal à l'état fondu les élé- ments de coquilles préfabriqués sont emboîtés dans le dispo- sitif collecteur et assemblés en coquilles ou bien des co- quilles déjà terminées sont assemblées en un système de co- quilles Le terme coquille englobe également des baquets de coulée L'agencement a pour effet que le contenu des co- quilles, c'est-à-dire le corium et respectivement le corium solidifié se trouvent à des distances convenables de l'agen- cement considéré dans son volume totall de façon à empêcher tout état hypercritique Les éléments de coquilles sont constitués de matériaux appropriés tels qu'ils sont couram- ment utilisés pour des coquilles de fonderie Le dispositif collecteur peut correspondre à un système de coquilles de fonderie L'invention met à profit le fait que les coquilles utilisées aujourd'hui en fonderie peuvent recevoir sans pro- blême par exemple des scories de fusion à une température de 1600 à 18000 C et respectivement des produits de l'indus- trie chimique d'une température d'environ 22000 C sans que la structure des coquilles soit détruite, par exemple à la suite de processus de fusion incontrôlés Le volume ou la masse du matériau des coquilles sont suffisamment impor- tants En partant de ces conditions préalables, il est es- sentiel pour l'invention que la masse de fonte de fer et/ou d'acier au creuset soit suffisante pour pouvoir absorber la chaleur de fusion du corium effluent au moins pendant le laps de temps nécessaire avant que le système de refroi- dissement par thermosiphon puisse dissiper une quantité de chaleur suffisante par l'intermédiaire d'un effet de thermo- siphon Cela est obtenu par le fait que la chaleur rési- duelle produite en raison de la présence des radionucléides peut être dissipée sur une longue durée, dans l'ordre de grandeur d'environ 0,1 % de la puissance thermique de la centrale atomique, jusqu'au commencement de la suppression de la centrale nucléaire ou jusqu'à ce que la chaleur ré- siduelle produite à un moment ultérieur en raison de la conductibilité thermique de l'agencement puisse être dissi- pée dans 1 'environnement En ce qui concerne l'agencement selon l'invention, les canaux de refroidissement sont géné- ralement remplis d'eau et l'ensemble du système est en quelque sorte au repos au moment de l'incident Dès que le corium chaud atteint le système de coquilles, le fluide ca- loporteur s'échauffe, et compte tenu de la densité diffé- rente ou, autrement dit, de la force ascensionnelle qui en résulte, le fluide caloporteur monte dans les groupes du système de refroidissement par thermosiphon situés à des niveaux plus élevés L'énergie produite est cédée à l'envi- ronnement par exemple par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur Le système de refroidissement par thermosiphon peut fonctionner avec de l'eau ou avec de l'air Dans le cadre de l'invention, le terme système désigne un entité ordonnée pour remplir la fonction prévue de l'ensemble On entend par effet de thermosiphon le fait que le système de refroidis- sement par thermosiphon fonctionne par l'intermédiaire de forces ascensionnelles d'origine thermique Le fait que, conformément à l'invention, le système de refroidissement par thermosiphon forme un circuit fermé n'exclut pas la possibilité de réalimentation d'eau de refroidissement si des fuites ne peuvent être évitées Il va de soi que le dispositif collecteur est conçu pour la réception de la totalité du corium effluent. En détail, l'invention offre plusieurs possibili- tés de réalisation et de configuration C'est ainsi, qu'une partie des éléments de coquilles peut être assemblée en un dôme d'écoulement de forme conique, et ce avec un axe du dôme orienté coaxialement à l'axe du caisson résistant du réacteur De même, le dôme peut être coulé en une seule pièce Par ailleurs, les éléments de coquilles peuvent éga- lement être réalisés sous la forme de récipients et/ou as- semblés en récipients et forment le ou les volume(s) col- lecteur(s) du système collecteur Conformément à un mode de réalisation de l'invention auquel la préférence a été accordée, les éléments de coquilles sont réalisés, le cas échéant, sous la forme de plaques de fonte de fer et/ou d'acier avec des canaux et/ou tuyaux de refroidissement intégrés, et disposés par exemple comme plaques de fond du système collecteur Un avantage particulier réside dans la possibilité d'utiliser comme éléments de coquilles des co- quilles de fonderie et/ou des baquets de coulée ordinaires. Comme il a déjà été dit, le système de refroidis- sement par thermosiphon peut fonctionner avec de l'eau ou avec de l'air Selon l'invention, le système de refroidisse- ment par thermosiphon constitue un circuit d'eau de refroi- dissement fermé avec tour de refroidissement à air extérieur équipé d'un échangeur de chaleur adéquat. La description qui va suivre, en regard des des- sins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente le schéma d'un réacteur nucléaire avec l'agencement pour la protection en cas de fusion du coeur; la figure 2 représente, à plus grande échelle, un détail de l'objet de la fig 1; la figure 3 représente une vue en coupe suivant la ligne A-A de l'objet de la fig 2; la figure 4 représente une vue en coupe suivant la ligne B- B de l'objet de la fig 2, et la figure 5 représente, conformément à la fig 1, un schéma d'un autre réacteur nucléaire selon l'invention. Un examen comparé des fig 1 à 4 fait ressortir les détails d'un agencement selon l'invention pour la pro- tection d'un réacteur nucléaire en cas de fusion du coeur. La fig 1 montre le réacteur nucléaire 1 avec le caisson résistant 2 du réacteur Au-dessous du caisson résistant 2 du réacteur est installé un dispositif collecteur 3 pour le corium s'écoulant en cas de fusion du coeur Par ailleurs, un système de refroidissement 4 est prévu pour le corium collecté. Il ressort d'un examen comparé des fig 2 à 4 que le dispositif collecteur 3 constitue une structure réalisée à partir d'éléments de coquilles lesquels sont à leur tour constitués de fonte de fer et/ou d'acier au creuset Ils forment un système d'écoulement 5 et un système collecteur 6 pour le corium effluent Les éléments de coquilles compor- tent des canaux de refroidissement 7 qui sont raccordés à un système de refroidissement par tnez^mosiphon 12, 13, 14 Le système de refroidissement par thermosiphon forme un cir- cuit. La masse de fonte de fer et/ou d'acier au creuset de l'ensemble de l'agencement est calculée de telle façon qu'elle est capable d'absorber la chaleur de fusion du co- rium effluent au moins pendant le laps de temps nécessaire avant que le système de refroidissement par thermosiphon 12, 13, 14 assure une dissipation suffisante de la chaleur par l'intermédiaire de son effet de thermosiphon Il va de soi que, de plus, des distances suffisamment grandes sont réali- sées dans l'ensemble du volume de l'agencement pour empêcher tout état hypercritique du corium effluent ou écoulé. Dans l'exemple de réalisation et selon le mode de réalisation de l'invention auquel la préférence a été accor- dée, une partie des éléments de coquilles est assemblée en un dôme d'écoulement 8 de forme conique, l'axe du dôme étant orienté coaxialement à l'axe du caisson résistant 2 du réac- teur Par ailleurs, les éléments de coquilles sont conformés en récipients et/ou assemblés en récipients, de façon à for- mer des volumes collecteurs 9 du système collecteur 6 De plus, dans l'exemple de réalisation, des éléments de co- quilles sont réalisés sous la forme de plaques de fonte de fer et/ou d'acier 15 avec des canaux de refroidissement 10 et/ou des tuyaux de refroidissement intégrés, et disposés en tant que plaques de fond 11 du système collecteur 6 En principe, il est également possible d'utiliser comme élé- ments de coquilles des coquilles de fonderie et/ou des ba- quets de coulée ordinaires lesquels sont alors installés et disposés de telle façon que, dans la région des volumes col- lecteurs 9 indiqués dans les figures, ils sont inondés et remplis par le corium à l'état fondu. Dans l'exemple de réalisation, le système de re- froidissement par thermosiphon 12, 13, 14 forme un circuit d'eau de refroidissement fermé avec tour de refroidissement à air extérieur 13 dans laquelle le transfert de chaleur entre l'eau de refroidissement et l'air s'effectue par l'in- termédiaire d'un échangeur de chaleur. Le mode de réalisation suivant la fig 5 se com- prend sans difficulté avec les références indiquées et ex- pliquées Les éléments de coquilles sont constitués ici par des baquets de coulée 16 qui sont disposés les uns à côté5 des autres et équipés d'éléments de distribution 17 pour le corium. REVENDICATIONS 1 Agencement pour la protection d'un réacteur nucléaire ( 1) en cas de fusion du coeur, comprenant un dis- positif collecteur ( 3) installé au-dessous du caisson ré- sistant ( 2) du réacteur et destiné à collecter le corium s'écoulant en cas de fusion du coeur, et un système de re- froidissement ( 4) pour le corium collecté, qui réalise la combinaison des caractéristiques suivantes: a) le dispositif collecteur ( 3) est une structure réalisée à partir d'éléments de coquilles en fonte de fer et/ou en acier au creuset qui forment un système d'écoulement ( 5) et un système collecteur ( 6) pour le corium ef- fluent, b) les éléments de coquilles comportent des canaux de re- froidissement ( 7) raccordés à un système de refroidis- sement par thermosiphon ( 12, 13, 14), c) le système de refroidissement par thermosiphon ( 12, 13, 14) forme un circuit, la masse de fonte de fer et/ou d'acier au creuset étant cal- culée de telle façon qu'elle est capable d'absorber la cha- leur de fusion du corium effluent pendant au moins le laps de temps qui est nécessaire avant que le système de refroi- dissement par thermosiphon ( 12, 13, 14) assure une dissipa- tion suffisante de la chaleur par l'intermédiaire de son effet de thermosiphon. 2 Agencement selon la revendication 1, dans lequel des éléments de coquilles sont assemblés en un dôme d'écoulement ( 8) de forme conique. 3 Agencement selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel des éléments de coquilles sont conformés en récipients et/ou assemblés en récipients et forment des volumes collecteurs ( 9) du système collecteur. 4 Agencement selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel des éléments de coquilles sont réalisés sous la forme de plaques de fonte de fer et/ou d'acier avec des canaux de refroidissement ( 10) et/ou des tuyaux de refroi- dissement intégrés, et disposés comme plaques de fond ( 11) du système collecteur. Agencement selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel des coquilles de fonderie et/ou des baquets de coulée ordinaires sont utilisés comme éléments de co- quilles.5 6 Agencement selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le système de refroidissement par thermosi- phon ( 12, 13, 14) forme un circuit d'eau de refroidissement fermé avec tour de refroidissement à air extérieur.