Brevet FR2784784A1 — publié le 20000421

REACTEUR NUCLEAIRE A EAU A RECEPTACLE INTEGRE DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un réacteur nucléaire à eau sous pression, ou à eau bouillante, dont la cuve contient un réceptacle en forme de cuvette, destiné à recueillir le "corium", c'est-à-dire les débris solides ou liquides provenant du coeur du réacteur, en cas de fusion accidentelle de celui-ci. Etat de la technique Dans les réacteurs nucléaires, un grand nombre d'aménagements ont été envisagés et développés, depuis plusieurs années, dans le but de limiter les conséquences d'un accident grave conduisant à une fusion partielle ou totale du coeur du réacteur. En particulier et comme l'illustre notamment le document FR-A-2 341 181, on a déjà proposé de placer, dans le fond de la cuve d'un réacteur nucléaire un dispositif de retenue destiné à éviter une perforation de la cuve par le corium, formé lors d'une fusion accidentelle du coeur du réacteur. Ce dispositif de retenue comprend plusieurs plaques horizontales espacées, fixées à la paroi de la cuve et traversées par des ouvertures décalées d'une plaque à l'autre et dont les rebords font saillie vers le haut. En cas d'accident, le corium qui s'écoule, au travers de ces ouvertures, remonte ensuite dans un distributeur en forme de cloche placé au centre des plaques horizontales et reposant sur le fond de la cuve. B 13122.3 GP Par ailleurs, comme l'illustre le document US-A-3 964 966, on a aussi proposé de placer un réceptacle à corium sous le coeur d'un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide, à l'intérieur de la cuve de ce réacteur. Ce réceptacle, réalisé en acier, est suspendu directement à la plaque inférieure horizontale sur laquelle repose le coeur. Des tubes de transfert de chaleur traversent le fond du réceptacle et font saillie vers le haut à l'intérieur de celui-ci. Ces tubes sont fermés à leur extrémité haute et communiquent avec l'intérieur du réceptacle par des trous prévus à cet effet. Quelle que soit la géométrie du dispositif récepteur que l'on envisage d'intégrer à l'intérieur de la cuve d'un réacteur à eau, il existe un risque pour que la fusion accidentelle du coeur soit suivie d'une explosion. En effet, le corium se fragmente sous forme de petites particules tout en s'écoulant vers le fond de la cuve. L'eau contenue dans la cuve du réacteur se vaporise au contact des petites particules de corium. Un film de vapeur se forme ainsi autour de chaque particule, ce qui crée des conditions favorables à une explosion provoquant une onde de choc très énergétique. Compte tenu de ses origines, une telle explosion est habituellement appelée " explosion vapeur ". Actuellement, les dispositifs récepteurs proposés pour recueillir et maintenir le corium dans le fond de la cuve des réacteurs à eau ne sont pas conçus pour empêcher une explosion vapeur. De plus, ces dispositifs ne sont pas protégés des effets dus à une telle explosion, dans l'hypothèse o celle-ci se produirait. En effet, malgré la faible probabilité d'interaction de l'eau vaporisée et du corium, B 13122.3 GP l'éventualité d'une telle explosion ne peut être totalement exclue. Le pic de pression extrêmement puissant engendré par l'explosion pourrait alors nuire à l'intégrité du dispositif récepteur, donc à son efficacité. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un réacteur nucléaire à eau sous pression, ou à eau bouillante, équipé d'un dispositif récupérateur de corium intégré à la cuve et dont la conception originale lui permet de prévenir la survenance d'une explosion vapeur et, par conséquent, de préserver l'intégrité du dispositif récepteur en cas d'accident. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un réacteur nucléaire à eau, comprenant une cuve et un coeur de réacteur logé dans la cuve, ledit réacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, un réceptacle en forme de cuvette, logé dans la cuve en dessous du coeur et réalisé au moins partiellement en un matériau réfractaire, ledit réceptacle étant apte à recueillir du corium formé lors d'une fusion accidentelle du coeur et étant rempli intégralement d'un matériau minéral poreux apte à se mélanger au corium et à en abaisser la température jusqu'à une température d'équilibre inférieure à la température de fusion du matériau réfractaire. Dans un réacteur nucléaire ainsi réalisé, le corium formé lors d'une fusion accidentelle du coeur s'écoule et se fragmente dans le matériau minéral poreux, qui ne contient pas d'eau. Les conditions favorables à une explosion vapeur, qui sont la présence d'un film de vapeur autour de chaque particule de B 13122.3 GP corium, sont donc supprimées. Par conséquent, une telle explosion ne peut pas se produire et l'intégrité du réceptacle est préservée. A cet effet s'ajoute le refroidissement progressif du corium lors de sa descente dans le matériau minéral poreux contenu dans le réceptacle. On évite ainsi également un endommagement du réceptacle dû à la fusion du matériau réfractaire. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, des moyens d'étalement et de répartition du corium, tels qu'une grille ou une plaque perforée horizontale, sont placés au-dessus du réceptacle et du matériau minéral poreux qu'il contient. Dans ce mode de réalisation préféré de l'invention, le matériau minéral poreux est une mousse de céramique, qui contient de préférence environ 99 % de silice. La porosité du matériau minéral contenu dans le réceptacle permet de disposer, à l'intérieur de ce dernier, d'un volume suffisant pour recevoir une grande masse de corium. Cette porosité peut notamment être comprise entre environ 63 % et environ 80 %. Avantageusement, le réceptacle est séparé du fond de la cuve par un espace débouchant vers le haut et assurant une circulation d'eau autour du réceptacle. Cette circulation d'eau favorise le refroidissement du réceptacle et contribue ainsi également à préserver son intégrité. Le réceptacle peut être, selon le cas, soit sensiblement hémisphérique, soit formé d'une partie sensiblement hémisphérique surmontée d'une partie sensiblement cylindrique. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, le matériau réfractaire se présente sous B 13122.3 GP la forme de briques, qui sont placées à l'intérieur d'une enveloppe en acier appartenant également au réceptacle. Brève description du dessin On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'invention, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure unique est une vue en coupe verticale, qui représente schématiquement la partie basse d'un réacteur nucléaire à eau dont la cuve intègre un réceptacle conforme à l'invention, lors de la survenance d'un accident conduisant à une fusion du coeur du réacteur. Description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention Le mode de réalisation représenté sur la figure concerne un réacteur nucléaire à eau sous pression. Toutefois, comme on l'a déjà observé, l'invention n'est pas limitée à ce type de réacteur et concerne de façon générale tous les réacteurs à eau. Elle s'applique donc également aux réacteurs à eau bouillante. Sur la figure unique, la référence 10 désigne la cuve du réacteur. Plus précisément, seule la partie basse de la cuve a été représentée. Dans sa partie centrale, la cuve 10 contient le coeur 12 du réacteur, et des équipements internes associés à celui-ci. Le coeur 12 est habituellement formé d'un grand nombre d'assemblages de combustible nucléaire, disposés verticalement et juxtaposés. Les assemblages reposent sur une plaque inférieure horizontale 14. B 13122.3 GP Cette plaque 14 est perforée au droit de chacun des assemblages de combustible nucléaire, pour permettre la circulation de l'eau de refroidissement contenue dans la cuve 10, à l'intérieur de ces assemblages. Une plaque perforée 16 de distribution de débit, de préférence bombée vers le bas, est généralement fixée à la plaque 14, en dessous de celle-ci. Le coeur 12 du réacteur, ainsi que les équipements internes associés à celui-ci, tels que la plaque inférieure horizontale 14 et la plaque perforée 16, reposent sur la paroi cylindrique verticale de la cuve 10 par des dispositifs 18 de support et de guidage. Il est à noter que le coeur 12 ainsi que les équipements internes qui lui sont associés peuvent prendre des formes quelconques, différentes de celles qui sont représentées sur la figure, sans sortir du cadre de l'invention. Conformément à l'invention et comme l'illustre la figure unique, un réceptacle 20 en forme de cuvette est placé dans la cuve 10, en dessous du coeur 12 du réacteur. Plus précisément, le réceptacle est interposé entre la plaque perforée 16 et le fond bombé, généralement hémisphérique, de la cuve 10. Le réceptacle 20 est conçu pour récupérer le corium, en cas de fusion accidentelle du coeur 12 du réacteur. Il est rappelé que le terme " corium " désigne la masse en fusion produite lors d'une tel accident, qui contient généralement le combustible nucléaire, les matériaux constituant son gainage, ceux des barres de contrôle du réacteur et ceux des structures internes associées au coeur 12. Le réceptacle 20 est agencé et dimensionné de façon à B 13122.3 GP collecter la totalité du corium, dans le cas o un accident grave se traduirait par une fusion complète du coeur 12 du réacteur. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention représenté sur la figure unique, le réceptacle 20 est séparé du fond de la cuve 10 par un espace 22 débouchant vers le haut entre la périphérie du bord supérieur du réceptacle et la cuve 10. Cet espace 22 autorise la circulation de l'eau contenue dans la cuve 10 du réacteur, comme l'illustrent les flèches sur la figure. Lorsqu'un accident se produit, une circulation de l'eau s'établit dans cet espace 22, par convexion naturelle. Cette circulation d'eau a pour effet de refroidir le réceptacle 20. Le réceptacle 20 comprend au moins une couche de briques 24, en un matériau réfractaire. Ce matériau est choisi de façon à avoir une température de fusion aussi élevée que possible, ainsi qu'une bonne compatibilité chimique avec le corium. Il peut notamment s'agir d'un matériau céramique à base de zircone, qui présente, en outre, l'avantage d'être largement disponible sur le marché industriel. Comme l'illustre schématiquement la figure, les briques 24 sont juxtaposées et présentent, de préférence, des bords adjacents complémentaires, par exemple en U ou en queue d'aronde, encastrés les uns dans les autres. Le réceptacle 20 comporte, en outre, une enveloppe métallique 26, à l'intérieur de laquelle sont placées les briques 24. Cette enveloppe métallique 26 peut notamment être réalisée en acier inoxydable. Elle comprend à la fois une peau intérieure et une peau extérieure, qui recouvrent en totalité les briques 24. B 13122.3 GP L'enveloppe 26 comporte également une bride supérieure reliant les bords supérieurs des peaux intérieure et extérieure du réceptacle 20. La bride supérieure de l'enveloppe métallique 26 peut être utilisée pour suspendre le réceptacle 20 dans la cuve 10. Elle repose alors sur des supports 28 prévus à l'intérieur de la cuve 10, comme on l'a illustré de façon schématique sur la figure unique. En variante ou en complément, des renforts rayonnants (non représentés), orientés radialement par rapport à l'axe vertical de la cuve 10, peuvent être interposés dans l'espace 22 séparant cette dernière du réceptacle 20. Ces renforts rayonnants comportent alors des trous favorisant la circulation de l'eau dans l'espace 22. Dans le mode de réalisation représenté, on a donné au réceptacle 20 une forme sensiblement hémisphérique, concentrique à celle du fond de la cuve 10. Dans une variante de réalisation non représentée, cette forme sensiblement hémisphérique peut être prolongée vers le haut par une partie sensiblement cylindrique centrée sur l'axe vertical de la cuve 10. Un tel agencement sera notamment adopté si le volume total du corium, susceptible d'être formé lors d'un accident grave, excède le volume disponible à l'intérieur du réceptacle 20, si celui-ci est seulement formé d'une partie hémisphérique. L'évaluation du volume disponible à l'intérieur du réceptacle 20 est faite en prenant en compte la présence d'un matériau minéral poreux 30 à l'intérieur du réceptacle, comme on le décrira plus en détail ultérieurement. B 13122.3 GP Afin que la totalité du corium, produit par le coeur 12 lors d'un accident grave, soit effectivement recueillie dans le réceptacle 20, on peut disposer, au-dessus du bord supérieur de ce dernier, un collecteur annulaire 32, comme l'illustre la figure unique. Ce collecteur 32 peut notamment reposer sur la bride supérieure du réceptacle 20 par l'intermédiaire d'une structure d'entretoisement 33. La face supérieure du collecteur 32 présente approximativement la forme d'une trémie incurvée vers l'intérieur et s'étend vers le haut jusqu'à proximité de la paroi de la cuve 10. Plus précisément, un jeu limité à quelques centimètres est prévu entre le collecteur 32 et la paroi de la cuve 10, de façon à empêcher que des débris et des coulées en provenance du coeur en fusion ne puissent pénétrer dans l'espace 22, ménagé entre le réceptacle 20 et le fond de la cuve 10. Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, et comme on l'a déjà indiqué précédemment, le réceptacle 20 est rempli intégralement d'un matériau minéral poreux 30. Ce matériau minéral poreux est choisi de façon à pouvoir se mélanger au corium formé lors d'une fusion accidentelle du coeur 12, pour en abaisser la température jusqu'à une température d'équilibre inférieure à la température de fusion du matériau réfractaire constituant les briques 24. En se mélangeant au corium, le matériau 30, exempt d'eau, s'oppose à la survenance de conditions préalables à une explosion vapeur. En effet, du fait que le matériau 30 est exempt d'eau, on empêche la formation d'un film de vapeur autour de chaque particule de corium formée par la fragmentation de celui-ci, lors de sa descente à B 13122.3 GP l'intérieur du réceptacle 20. Le risque d'endommagement du réceptacle dû à une explosion vapeur est ainsi pratiquement supprimé. Le matériau minéral poreux 30 qui remplit le réceptacle 20 est avantageusement une mousse de céramique contenant environ 99 % de silice. Ce type de matériau permet de refroidir progressivement le corium au fur et à mesure de sa descente dans le réceptacle 20. La température peut ainsi être stabilisée en dessous de la température de fusion du matériau réfractaire constituant les briques 24. On évite ainsi d'endommager le réceptacle 20 par une fusion des briques réfractaires. La porosité du matériau 30 est déterminée afin de ménager un volume suffisant à l'intérieur du réceptacle 20 pour recueillir la totalité du corium formé par la fusion du coeur 12. Un matériau présentant une porosité d'environ 63 % à environ 80 % est considéré comme satisfaisant de ce point de vue, tout en assurant un ralentissement et un refroidissement efficaces du corium lors de sa descente. De préférence et comme l'illustre la figure unique, des moyens d'étalement et de répartition du corium sont placés au-dessus du réceptacle 20 et du matériau minéral poreux 30 qu'il contient. Ces moyens peuvent notamment être constitués par une plaque perforée horizontale 34 ou par une grille horizontale. On a représenté en 36 le cheminement du corium produit par la fusion du coeur 12 lors de la survenance d'un accident grave. Lorsqu'il chute sur la plaque perforée 34, le corium s'étale sur toute la largeur du réceptacle 20, dans lequel il pénètre par les trous de la plaque. Le corium se fragmente alors à B 13122.3 GP l'intérieur du matériau minéral poreux 30, dépourvu d'eau. Comme on l'a déjà indiqué, ce matériau supprime ainsi tout risque d'explosion vapeur. La descente du corium, ralentie par le matériau 30, s'accompagne de son refroidissement jusqu'à une température inférieure à la température de fusion des briques réfractaires 24. Par ailleurs, celles-ci sont refroidies, comme l'ensemble du réceptacle 20, par la circulation d'eau qui s'établit, par convexion naturelle, dans l'espace 22. L'intégrité du réceptacle 20 est ainsi préservée dans les meilleures conditions. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus à titre d'exemple. Ainsi, comme on l'a déjà observé, elle s'applique indifféremment à tout type de réacteur nucléaire à eau et quel que soit l'agencement du coeur et des structures internes associées. De plus, la forme et la structure du réceptacle peuvent être différentes de celles qui ont été décrites. En outre, même si leur présence est souhaitable, l'espace 22, les moyens de répartition du corium et le collecteur annulaire 32 peuvent, dans certains cas, être supprimés. Enfin, la nature du matériau minéral poreux peut, dans certains cas, différer de la mousse de céramique à base de silice décrite, même si ce matériau est préféré. B 13122.3 GP REVENDICATIONS 1. Réacteur nucléaire à eau, comprenant une cuve (10) et un coeur (12) de réacteur logé dans la cuve, ledit réacteur étant caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, un réceptacle (20) en forme de cuvette, logé dans la cuve en dessous du coeur et réalisé au moins partiellement en un matériau réfractaire, ledit réceptacle étant apte à recueillir du corium formé lors d'une fusion accidentelle du coeur (12) et étant rempli intégralement d'un matériau minéral poreux (30) apte à se mélanger au corium et à en abaisser la température jusqu'à une température d'équilibre inférieure à la température de fusion du matériau réfractaire. 2. Réacteur selon la revendication 1, dans lequel des moyens (34) d'étalement et de répartition du corium sont placés au-dessus du réceptacle (20) et du matériau minéral poreux (30) qu'il contient. 3. Réacteur selon la revendication 2, dans lequel lesdits moyens d'étalement et de répartition du corium comprennent une grille ou une plaque perforée horizontale (34). 4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau minéral poreux (30) est une mousse de céramique. 5. Réacteur selon la revendication 4, dans lequel la mousse de céramique (30) contient environ 99 % de silice. 6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau minéral poreux (30) a une porosité d'environ 63 % à environ 80 %. B 13122.3 GP 7. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réceptacle (20) est séparé du fond de la cuve (10) par un espace (22) de circulation d'eau débouchant vers le haut. 8. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réceptacle (20) est sensiblement hémisphérique. 9. Réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le réceptacle (20) comprend une partie sensiblement hémisphérique, surmontée d'une partie sensiblement cylindrique. 10. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réceptacle (20) comprend une enveloppe métallique (26), dans laquelle sont placées des briques (24) dudit matériau réfractaire. B 13122.3 GP