Brevet FR2784786A1 — publié le 20000421

Système de sécurité et procédé pour faire fonctionner un système de sécurité pour une installation à réacteur nucléaire. L'invention est dans le domaine du génie nucléaire. L'invention concerne un système de sécurité pour une installation à réacteur nucléaire qui comprend une cuve sous pression pour la réception d'un coeur de réacteur. L'invention se rapporte également à un procédé pour faire fonctionner un système de sécurité pour une installation à réacteur nucléaire qui comprend une cuve sous pression pour la réception d'un coeur de réacteur. Dans certaines situations de cas d'incidents extrêmement rares, le danger de la fusion du coeur ne peut pas être totalement exclu dans des réacteurs à eau légère. C'est pourquoi on a besoin de systèmes de sécurité qui empêchent une fusion complète de la cuve sous pression du réacteur ou qui maîtrisent une fusion complète de la cuve sous pression du réacteur. A cet effet, on sait, par le brevet européen EP 702 835, prévoir au-dessous de la cuve sous pression du réacteur une cuve collectrice pour de la matière en fusion du coeur sortant de la cuve sous pression du réacteur. La cuve collectrice empêche que la matière en fusion du coeur ne continue à se répandre. Ce système de sécurité suppose donc la destruction de la cuve sous pression du réacteur qui est liée nécessairement à un dégagement de radionucléides dans l'enceinte de confinement de l'installation à réacteur nucléaire. Pour empêcher la fusion de la cuve sous pression de réacteur, on connaît un système de sécurité qui utilise une chute de pression entre l'intérieur de la cuve sous pression du réacteur et l'atmosphère de l'enceinte de confinement. Cette chute de pression est utilisée pour entraîner une pompe qui refoule un fluide de refroidissement. Un système de sécurité de ce genre est décrit sous la désignation "Injektorsystem" dans un article spécialisé de G. Cattadori, L. 2 2784786 Galbiati,L. Mazzocchi et P. Vanini "A single-stage high pressure steam injector for next generation reactors: Test results and analysis", Int. J. Multiphase Flow vol. 21, N 4, pages 591 à 606 (1995). Un système de pompage d'eau d'alimentation actionné par de la vapeur est publié dans le livre de D. Smidt portant le titre "Reaktorsicherheitstechnik", Edition Springer, Berlin, Heidelberg, 1979, page et suivantes. Des systèmes de sécurité qui utilisent une chute de pression entre l'intérieur de la cuve sous pression du réacteur et l'atmosphère de l'enceinte de io confinement ne peuvent fonctionner que dans une situation de cas d'incident comportant une petite fuite et ne peuvent pas fonctionner sans détente de pression de la cuve sous pression du réacteur du côté secondaire ou du côté primaire. Ces systèmes de sécurité ne fonctionnent pas pour une grosse fuite ou pour une grande détente de pression. Le système à injecteur a l'inconvénient supplémentaire qu'une mise en marche automatique n'est pas possible, puisqu'une très grande pression de vapeur et une température d'eau basse sont nécessaires. Le système à injecteur ne peut être utilisé par conséquent que dans un domaine d'utilisation extrêmement restreint. C'est pourquoi l'invention vise un système de sécurité qui fonctionne de manière fiable même dans une situation de cas d'incidents de ce genre, dans laquelle les systèmes de sécurité connus susmentionnés ne fonctionnent pas ou ne fonctionnent que de manière insuffisante. Notamment, on cherche à empêcher de manière plus fiable que dans les systèmes de sécurité connus un cas d'incident comportant une forte élévation de température dans la cuve sous pression du réacteur, par exemple une fusion de la cuve sous pression du réacteur lors du début de la fusion du coeur. A cette même fin, on cherche à indiquer aussi un procédé pour faire fonctionner un système de sécurité. Pour y parvenir, I'invention part de l'idée fondamentale de réaliser un système d'alimentation passif pour la cuve sous pression de l'installation à réacteur nucléaire. En ce qui concerne un système de sécurité, on y parvient, suivant l'invention, avec le système de sécurité du genre mentionné suivant l'invention par un moteur thermique qui peut être couplé du point de vue 3 2784786 thermique à la surface extérieure de la cuve sous pression et par un dispositif d'alimentation qui peut être entraîné par le moteur thermique et qui est destiné à envoyer un fluide de refroidissement à la cuve sous pression. Le système de sécurité a une caractéristique de fonctionnement particulièrement fiable et donc avantageuse, peut être construit de manière simple et travaille de manière fiable dans toutes les situations de cas d'incidents imaginables sans que l'on ait besoin à cet effet d'énergie électrique auxiliaire. Pour entraîner le dispositif d'alimentation, on tire parti de la différence de température entre l'intérieur de la cuve sous pression et io l'atmosphère de l'enceinte de confinement. Une différence de température adéquate est présente dans tous les scénarios de cas d'incidents connus de fusion du coeur, si bien qu'un système de sécurité fondé sur ce principe travaille de manière particulièrement fiable. Le système de sécurité est fondé de plus sur l'idée qu'une certaine quantité de fluide de refroidissement dans la calotte du fond de la cuve sous pression suffit à empêcher efficacement la fusion de la cuve sous pression lors d'un incident de fusion du coeur. Cela est confirmé par une analyse d'un cas d'incident dans la centrale nucléaire américaine de Three- Miles-lsland-ll en 1979 (cf. par exemple J. Rempe, L. Stickler, S. Chàvez, G. Thinnes, R. Witt, M. Corradini "Margin-to Failure Calculations for the TMI-2 Vessel", Nuclear Safety, vol. 35, N 2, pages 313 à 327, juillet-décembre 1994). Suivant un mode de réalisation avantageux du système de sécurité, le moteur thermique comporte pour le couplage thermique un élément thermoconducteur qui peut de préférence être adapté à la forme de la surface extérieure. On obtient ainsi un transfert de chaleur particulièrement bon de la paroi de la cuve sous pression au moteur thermique. L'élément thermoconducteur est par exemple en contact direct avec la surface extérieure ou est revêtu d'un matériau mou, très bon conducteur de la chaleur. L'élément thermoconducteur peut être précontraint par un ressort et/ou est pressé sur la surface extérieure en raison des différences de coefficient de dilatation thermique de la cuve sous pression et de l'élément thermoconducteur. L'élément thermoconducteur peut comporter par exemple aussi des entretoises thermoconductrices. Il peut être réalisé en échangeur de 4 2784786 chaleur s'appliquant de manière annulaire à la surface extérieure de la cuve sous pression (comparable à un échangeur de chaleur tubulaire). L'élément thermoconducteur peut avoir une surface extérieure plane. De préférence, le moteur thermique comprend un dispositif pour détendre un fluide de travail, qui peut être couplé du point de vue thermique à la surface extérieure de la cuve sous pression. Notamment, suivant un perfectionnement avantageux de l'invention, le dispositif est un évaporateur pour évaporer le fluide de travail, qui est couplé du point de vue thermique à la surface extérieure de la cuve o sous pression. De plus, le moteur thermique comprend de préférence une machine motrice pouvant être entraînée par le fluide de travail qui se détend. La machine motrice forme alors, conjointement avec le dispositif de détente, le moteur thermique. La machine motrice est par exemple une turbine à vapeur, une machine à piston et/ou une unité de détente à membrane, à piston rotatif ou à extrudeuse. Suivant un autre mode de réalisation préféré du système de sécurité, le dispositif d'alimentation comprend une pompe pour refouler le fluide de refroidissement, qui peut être entraîné par le moteur thermique. La pompe a l'avantage que l'on peut refouler rapidement même une très grande quantité de fluide de refroidissement. La pompe est par exemple une pompe à membrane, une pompe à piston, une pompe à piston rotatif, une pompe à extrudeuse ou une pompe centrifuge. La pompe peut être entraînée par des moyens mécaniques, pneumatiques et/ou hydrauliques. Dans le cas d'un entraînement par des moyens pneumatiques, la pompe est entraînée de préférence par une unité de détente des gaz alimentée en un gaz de travail. Dans le cas d'un entraînement par des moyens hydrauliques, on fait fonctionner la pompe liquide en utilisant un liquide hydraulique passant par une pompe hydraulique. Il est présent pour l'entraînement de l'une des pompes par exemple une bielle, un arbre et/ou une transmission. 2784786 La pompe et la machine motrice peuvent être réalisées d'une seule pièce. Suivant un autre perfectionnement préféré du système de sécurité, le dispositif d'alimentation comprend un réservoir de stockage du fluide de refroidissement. Le dispositif d'alimentation comporte également de préférence une conduite d'alimentation qui fait communiquer le côté refoulement de la pompe avec l'intérieur de la cuve sous pression. La conduite d'alimentation débouche par exemple dans le couvercle de la cuve sous pression ou sur io une tubulure d'alimentation du circuit primaire. La conduite d'alimentation communique de préférence avec la zone supérieure de la cuve sous pression. A partir de la zone supérieure, tout l'intérieur de la cuve sous pression peut être mouillé de manière simple par le liquide de refroidissement. De préférence, le système de sécurité est perfectionné par le fait que la pompe communique avec l'évaporateur côté refoulement par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation de l'évaporateur. On en retire l'avantage que l'on n'a pas besoin d'une pompe spéciale pour alimenter l'évaporateur. On peut régler avantageusement le débit de la conduite d'alimentation de l'évaporateur en fonction de la pression de l'évaporateur. Il peut être prévu un élément de réglage à cet effet. Suivant un perfectionnement avantageux de l'invention, le système de sécurité est caractérisé par un élément de réglage par lequel on peut régler le débit dans la conduite d'alimentation en fonction de la pression dans l'évaporateur. Cette faculté de régler le débit augmente encore la fiabilité du fonctionnement de l'évaporateur. On peut régler par cet élément de réglage ou par un autre élément de réglage de préférence et avantageusement aussi le débit dans la conduite d'alimentation en fonction de la pression dans l'évaporateur. En ce qui concerne le procédé, l'objectif visé par l'invention est atteint, pour un procédé du genre mentionné au début du présent mémoire, 6 2784786 suivant l'invention par le fait que, dans un cas d'incident comportant une élévation de la température a) on envoie un fluide de refroidissement à la cuve sous pression et b) on produit de l'énergie hydraulique pour le fluide de refroidissement à partir de la chaleur qui est cédée à la surface supérieure de la cuve sous pression. On peut faire fonctionner par ce procédé de préférence le système de sécurité suivant l'invention. Le procédé comporte les mêmes o avantages que le système de sécurité. De préférence, le fluide de refroidissement est utilisé indépendamment du fluide du circuit primaire pendant le fonctionnement normal de l'installation à réacteur nucléaire. Par exemple, il est présent, outre le fluide de circuit primaire, une quantité distincte de fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est comme le fluide du circuit primaire par exemple de l'eau. La chaleur cédée à la surface extérieure de la cuve sous pression est utilisée, dans un mode de réalisation préféré du procédé, pour détendre, notamment pour évaporer, un fluide de travail. Le fluide de travail est en l'occurrence, tout comme dans le système de sécurité suivant l'invention, par exemple de l'eau. Suivant un mode de réalisation avantageux, une machine motrice est entraînée par le fluide de travail qui se détend. Suivant un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, de l'énergie mécanique produite par la machine motrice est convertie en énergie hydraulique pour le fluide de refroidissement. Le procédé suivant l'invention comprend éventuellement une phase de départ, pendant laquelle on obtient un démarrage de la pompe à partir d'un évaporateur prévu pour évaporer le fluide de travail, mais pas encore rempli de fluide de travail. A cet effet, on peut prélever par exemple pour le démarrage de la machine motrice, pour un court laps de temps, de la vapeur dans le circuit primaire de l'installation à réacteur nucléaire, dans la mesure o il y a (encore) une différence de pression entre l'intérieur de la cuve sous pression et l'atmosphère de l'enceinte de confinement. 7 2784786 Suivant une variante préférée, il est présent, en variante de ce qui précède, un accumulateur d'énergie qui alimente la machine motrice et donc la pompe pendant peu de temps en énergie mécanique, jusqu'à ce que suffisamment de fluide de travail soit envoyé à l'évaporateur. L'accumulateur d'énergie peut être un réservoir sous pression de gaz (réservoir à air comprimé) ou un réservoir sous pression hydraulique, notamment avec un tampon de gaz. La dernière variante citée comportant l'accumulateur d'énergie fonctionne de manière avantageuse indépendamment du fait qu'il y ait encore io ou non une différence de pression entre l'intérieur de la cuve sous pression et l'atmosphère de l'enceinte de confinement. Un exemple de réalisation d'un système de sécurité suivant l'invention est représenté schématiquement au dessin. Le dessin représente une installation à réacteur nucléaire désignée dans l'ensemble par 1, comportant une cuve 3 sous pression qui est formée d'une pièce 5 creuse inférieure comportant une calotte 6 de fond et d'un couvercle 7. Il est monté un coeur 8 de réacteur à l'intérieur de la pièce 5 creuse. Du liquide W de circuit primaire afflue à l'intérieur de la cuve 3 sous pression par l'intermédiaire d'une tubulure 11 d'alimentation située côté froid. En fonctionnement normal, le fluide W de circuit primaire ressort par l'intermédiaire d'une tubulure 9 d'alimentation située côté chaud. Suivant l'invention, I'installation 1 à réacteur nucléaire comporte un système de sécurité qui comprend un moteur 13 thermique, ainsi qu'un dispositif 15 d'alimentation. Un évaporateur 25 est couplé du point de vue thermique à la surface 21 extérieure, en particulier à la surface 23 latérale, de la cuve 3 sous pression. L'évaporateur 25 est alimenté en fluide V d'évaporateur (eau) par l'intermédiaire d'une conduite 27 d'alimentation de l'évaporateur. La conduite 27 d'alimentation de l'évaporateur comporte un dispositif 29 anti- reflux. Le fluide V d'évaporateur sert de fluide A de travail pour l'évaporateur 25. L'évaporateur 25 est fixé à la cuve 3 sous pression par des éléments 31 de fixation. L'évaporateur 25 peut, en fonctionnement normal, être vidé et donc maintenu sans pression. Il peut être retiré ou abaissé afin de ne pas gêner le cas échéant des travaux de maintenance ou d'inspection. 8 2784786 Il est en contact thermique direct avec la surface 21 extérieure de la cuve 3 sous pression par l'intermédiaire d'un élément 33 thermoconducteur. L'élément 33 thermoconducteur est en un matériau mou, très bon conducteur de la chaleur. Le fluide A de travail évaporé parvient de l'évaporateur 25 à une machine 43 motrice par l'intermédiaire d'une conduite 41 de vapeur. La machine 43 motrice est entraînée par le fluide A de travail et entraîne à son tour une pompe 47 par l'intermédiaire d'un arbre 45. Au lieu de l'entraînement mécanique par l'arbre 45, la force peut 0o être transmise de la machine 43 à la pompe 47 aussi par des moyens pneumatiques ou hydrauliques. Dans le cas d'une transmission pneumatique, la machine 43 motrice entraîne une unité de compresseur de gaz (qui n'est pas représentée), un gaz de travail qui y est comprimé étant collecté dans un réservoir pour gaz sous pression (qui n'est pas représenté). Ce gaz de travail est alors disponible pour entraîner la pompe 47 par l'intermédiaire d'une unité de détente de gaz (qui n'est pas représentée). Dans le cadre d'une transmission hydraulique, la machine 43 motrice entraîne une pompe hydraulique (qui n'est pas représentée) qui envoie un liquide hydraulique à un réservoir sous pression hydraulique alimenté en un coussin de gaz (ce qui n'est pas représenté). Le liquide hydraulique qui y est envoyé est disponible pour entraîner la pompe 47. L'énergie accumulée dans le réservoir de gaz sous pression ou dans le réservoir sous pression hydraulique peut être utilisé aussi comme énergie auxiliaire pour divers éléments de commande ou organes de réglage du système de sécurité. La pompe 47 aspire du fluide K de refroidissement dans un réservoir 51 de stockage par l'intermédiaire d'une conduite 49 d'aspiration. Côté refoulement, la pompe 47 envoie, par l'intermédiaire d'une conduite 53 d'alimentation, le fluide K de refroidissement au couvercle 7 de la cuve 3 sous pression, à l'intérieur de laquelle il est envoyé. Le fluide K de refroidissement envoyé sert à maintenir à l'intérieur de la cuve 3 sous pression, au moins dans la région de la calotte 6 du fond, un certain niveau de liquide pour refroidir une partie du coeur 8 de réacteur éventuellement en fusion. 9 2784786 La conduite 53 d'alimentation résistant à la pression peut, en fonctionnement normal, être bloquée en résistant à la pression. Le déverrouillage s'effectue alors par l'intermédiaire d'un système de protection du réacteur et/ou de manière passive par l'intermédiaire de l'ouverture d'une vanne 54 de blocage commandée par des moyens pneumatiques ou hydrauliques. La conduite 53 d'alimentation comporte comme actionneur une vanne 55 à trois voies dont part en dérivation la conduite 27 d'alimentation de l'évaporateur. La vanne 55 à trois voies est commandée par la pression p de io l'évaporateur produite côté sortie par l'évaporateur 25 de manière à augmenter le débit dans la conduite 27 d'alimentation de l'évaporateur en cas de petite pression p d'évaporateur (circuit prioritaire pour la conduite 27 d'alimentation d'évaporateur) et à diminuer en conséquence le débit dans la conduite 53 d'alimentation. Le fluide V d'évaporateur envoyé à l'évaporateur 25 est récupéré aussi d'une partie du fluide K de refroidissement prélevée dans le réservoir 51 de stockage. Un capteur 57 de pression est prévu pour mesurer la pression P de l'évaporateur. Le fluide A de travail évaporé dans l'évaporateur 25 se détend avec fourniture de travail mécanique dans la machine 43 motrice qui comporte une conduite 61 d'évacuation pour la sortie du fluide A de travail. La conduite 61 d'évacuation débouche soit directement dans le réservoir 51 de stockage soit dans un bassin 62 distincte de captage de produit condensé. Eventuellement, un condenseur distinct (qui n'est pas représenté) et/ou un dispositif de refroidissement distinct (qui n'est pas représenté) sont montés en aval de la machine 43 motrice. Par l'intermédiaire de la conduite 61 d'évacuation, le fluide A de travail condensé dans la machine 43 motrice peut être insuflé aussi directement dans l'enceinte de confinement du réacteur, et, dans ce cas, le réservoir 51 de stockage peut être formé aussi par un puisard ménagé dans la région du sol de l'enceinte de confinement du réacteur. La conduite 27 d'alimentation de l'évaporateur comporte comme tampon pour du fluide V de l'évaporateur un réservoir 63 pour l'évaporateur. Pour mettre en marche la machine 43 motrice alors que l'évaporateur 25 est encore vide, il est prévu un accumulateur 65 d'énergie réalisé en cuve sous pression, qui alimente la machine 43 motrice en énergie 2784786 jusqu'à ce que suffisamment de fluide V d'évaporateur soit disponible pour l'évaporateur25 par l'intermédiaire de la pompe 47 et de la conduite 27 d'alimentation de l'évaporateur. L'accumulateur 65 d'énergie peut être identique au réservoir de gaz sous pression ou au réservoir sous pression hydraulique mentionné ci- dessus. l l2784786 LISTE DES SIGNES DE REFERENCE 1 Installation à réacteur nucléaire 3 Cuve sous pression Pièce creuse 6 Calotte de fond 7 Couvercle 8 Coeur de réacteur 9 Embout d'alimentation côté chaud 11 tubulure d'alimentation côté froid 13 Moteur thermique Dispositif d'alimentation 21 Surface extérieure 23 Surface latérale Evaporateur 27 Conduite d'alimentation de l'évaporateur 29 Dispositif anti-reflux 31 Elément de fixation 33 Elément thermoconducteur 41 Conduite pour la vapeur 43 Machine motrice Arbre 47 Pompe 49 Conduite d'aspiration 51 Réservoir de stockage 53 Conduite d'alimentation 54 Vanne de blocage 55 Vanne à trois voies (actionneur) 57 Capteur de pression 61 Conduite d'évacuation 62 bassin de captage de produit condensé 63 Réservoir de stockage de l'évaporateur 65 Accumulateur d'énergie A Fluide de travail 12 2784786 K Fluide de refroidissement V Fluide de l'évaporateur p Pression dans l'évaporateur W Fluide du circuit primaire5 13 2784786 REVENDICATIONS 1. Système de sécurité pour une installation (1) à réacteur nucléaire, qui comprend une cuve (3) sous pression pour recevoir un coeur (8) de réacteur, caractérisé par a) un moteur (13) thermique qui peut être couple du point de vue thermique à la surface (21) extérieure de la cuve (3) sous pression et b) un dispositif (15) d'alimentation qui est destiné à envoyer un fluide (K) de refroidissement à la cuve (3) sous pression et qui peut être entraîné par le i0 moteur (13) thermique. 2. Système de sécurité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur (13) thermique comporte pour le couplage thermique un élément (33) thermoconducteur qui peut être adapté de préférence à la forme de la surface (21) extérieure. 3. Système de sécurité suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur (13) thermique comprend un dispositif qui est destiné à détendre un fluide (A) de travail et qui peut être couplé du point de vue thermique à la surface (21) extérieure de la cuve (3) sous pression. 4. Système de sécurité suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif est un évaporateur (25) pour évaporer le fluide (A) de travail, qui peut être couplé du point de vue thermique à la surface (21) extérieure de la cuve (3) sous pression. 5. Système de sécurité suivant la revendication 3 ou 4, 14 2784786 caractérisé en ce que le moteur (13) thermique comprend une machine (43) motrice pouvant être entraînée par le fluide (A) de travail qui se détend. 6. Système de sécurité suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif (15) d'alimentation comprend une pompe (47) qui est destiné à envoyer du fluide (K) de refroidissement et qui peut être entraîné par le moteur (13) thermique. 7. Système de sécurité suivant l'une des revendications 1 à 6, o caractérisé en ce que le dispositif (15) d'alimentation comprend un réservoir (51) de stockage du fluide (K) de refroidissement. 8. Système de sécurité suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le dispositif (15) d'alimentation comprend une conduite (53) d'alimentation qui fait communiquer le côté refoulement de la pompe (47) avec l'intérieur de la cuve (3) sous pression. 9. Système de sécurité suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la conduite (53) d'alimentation communique avec la zone supérieure de la cuve (3) sous pression. 10. Système de sécurité suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé par un actionneur (55) par lequel le débit dans la conduite (53) d'alimentation peut être réglé en fonction de la pression dans l'évaporateur. 1il. Système de sécurité suivant la revendication 4 et l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la pompe communique côté refoulement avec l'évaporateur (25) par l'intermédiaire d'une conduite (27) d'alimentation de I'évaporateur. 12. Système de sécurité suivant la revendication 1 1, caractérisé en ce que le débit dans la conduite (27) d'alimentation de l'évaporateur peut être réglé en fonction de la pression dans l'évaporateur. 1 5 2784786 13. Procédé pour faire fonctionner un système de sécurité pour une installation (1) à réacteur nucléaire qui comprend une cuve (3) sous pression pour recevoir un coeur (8) de réacteur, caractérisé en ce que, dans un cas d'incident avec élévation de température, a) on envoie un fluide (K) de refroidissement à la cuve (3) sous pression et b) on produit de l'énergie hydraulique pour le fluide (K) de refroidissement à partir de la chaleur qui est cédée à la surface (21) extérieure de la cuve (3) sous pression du réacteur. 14. Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que, en fonctionnement normal de l'installation (1) à réacteur nucléaire, on utilise le fluide (K) de refroidissement indépendamment du fluide (W) du circuit primaire. 15. Procédé suivant la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que la chaleur cédée à la surface (21) extérieure de la cuve (3) sous pression est utilisée pour détendre, notamment pour évaporer, un fluide (A) de travail. 16. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'une machine (43) motrice est entraînée par le fluide (A) de travail qui se détend. 17. Procédé suivant la revendication 16, caractérisé en ce que de l'énergie mécanique produite par la machine (43) motrice est convertie en énergie hydraulique pour le fluide (K) de refroidissement.