Brevet FR2832544A1 — publié le 20030523

identique au matériau de l'arbre (1). t 221527.FRD Dispositif de réduction de charue thermique dans un réci- pient de réacteur nucléaire La présente invention concerne un dispositif de réduc- tion de charge thermique pour récipient de réacteur nu- cléaire, à utiliser pour la réduction de la charge thermique à proximité de la surface de liquide d'un récipient de réac- teur et pour la réduction de la charge thermique à proximité de la couche stratifiée en température dans un récipient de réacteur. Un récipient de réacteur dans un surrégénérateur rapide est supporté par une paroi de béton, dont une extrémité su- périeure doit être maintenue à la température de 100 C ou moins. Du fait de la présence dun fluide de refroidissement à température élevée, à 500 C ou plus, dans un collecteur au-dessus du c_ur du réacteur, un gradient de température abrupt apparaît dans la direction verticale de la surface de liquide du fluide de refroidissement à l'unité de support supérieur. En particulier, pendant une opération de démar rage, la température et le niveau de liquide sont élevés toutes deux en même temps, et le gradient devient plus abrupt. En conséquence, une contrainte thermique élevoe se développe en général à proximité de la surface de liquide de la paroi de réacteur o le gradient de température atteint la valeur maximum. Pour surmonter ce problème, on a essayé dans le passé d'empêcher l'élévation du niveau de liquide en utilisant une commande de niveau de liquide, pour refroidir uniformément la paroi de réacteur en utilisant un système à circulation de sodium à basse température, et pour réduire la contrainte en flexion en concevant une structure à paroi mince. Comme décrit ci-dessus, la procédure habituelle pour réduire la charge thermique a pour but principal d'empêcher l'élévation du niveau de liquide en utilisant une commande de niveau de liquide, pour refroidir uniformément la paroi de réacteur en utilisant un système à circulation de sodium à basse température, et de diminuer la contrainte en flexion en concevant une structure à paroi mince. La commande de ni - 2832544 veau de liquide et le système à circulation de sodium à basse température ont pour résultat un coût plus élevé du fait de l' augmentation des composants du système. Pour concevoir le système en structure à paroi mince, il existe une limite du fait de la possibilité d'une défaillance de fonctionnement. À cet égard, selon la présente invention, des plaques de séparation sont prévues dans un espace annulaire, et par une procédure simple pour chauffer la moitié inférieure de l'espace gazeux et refroidir la moitié supérieure de l'es- pace gazeux, le gradient de température lui-même est réduit, qui est la cause d'une production de contrainte se dévelop- pant à proximité de la surface de liquide dans la paroi de réacteur. Ceci contribue encore à améliorer la sécurité. Le dispositif de réduction de charge thermique pour un récipient de réacteur selon la présente invention est carac térisé en ce que des éléments de séparation sont agencés au dessus de la surface de liquide d'un fluide de refroidisse ment, dans un espace annulaire existant entre le récipient de réacteur et un récipient de protection, un gaz à basse température étant mis en circulation via l'espace annulaire situé au-dessus des éléments de séparation pour le refroi- dissement, et un gaz est mis en circulation à travers l'es- pace annulaire à partir du dessous de la surface de liquide du fluide de refroidissement vers les éléments de sépara tion, et la température audessus de la surface de liquide du fluide de refroidissement est élevée par du gaz à haute température chauffé en dessous de la surface de liquide du fluide de refroidissement. Également, la présente invention fournit le dispositif de réduction de charge thermique tel que décrit ci-dessus, dans lequel ledit gaz à basse température est mis en circu lation à une vitesse d'écoulement constante pendant le fonc tionnement, et ledit gaz à haute température est mis en cir culation uniquement pendant une opération de démarrage. Un mode de réalisation de l' invention est décrit ci- après en se référant aux dessins annexés. La figure 1 représente un exemple de dispositif de ré- duction de charge thermique selon la présente invention à utiliser pour réduire la contrainte à proximité de la sur- face de liquide dans un récipient de réacteur. La figure 2 représente des graphiques pour expliquer la séquence de commande du dispositif de réduction de charge thermique. La figure 3 représente des graphiques pour expliquer le principe de réduction de charge thermique par une commande de température active pour réduire la contrainte à proximité de la surface de liquide d'un fluide de refroidissement si tué dans un récipient de réacteur. La figure 4 représente des graphiques indiquant la ré- partition dans la direction axiale de la plage d'intensités de contrainte et la répartition dans la direction axiale de la température lorsque aucune commande de température n'est effectuée. La figure 5 représente des graphiques indiquant la ré- partition dans la direction axiale de la plage d'intensités de contrainte et la répartition dans la direction axiale de la température lorsque seule une commande de température passive est effectuée. La figure 6 représente des graphiques indiquant la ré- partition dans la direction axiale d'une plage d'intensités de contrainte et la répartition dans la direction axiale de la température lorsqu'une commande de température active et une commande de température passive sont toutes deux effec- tuées. La figure 1 représente un exemple de dispositif de ré- duction de charge thermique selon la présente invention à utiliser pour réduire la contrainte à proximité de la sur face de liquide dans un récipient de réacteur, et la figure 2 est un graphique expliquant la séquence de commande du dispositif de réduction de charge thermique. Dans un espace annulaire 3 situé entre un récipient de réacteur 1 et un récipient de protection 2, un gaz inerte est introduit pour la protection du récipient de réacteur. Un passage de circulation de gaz 6 est formé en utilisant l'espace annulaire dans la direction verticale entre une plaque de séparation 4 prévue dans l'espace annulaire en dessous de la surface de liquide du fluide de refroidisse ment 9 et deux plaques de séparation 5 et 5 prévues dans l'espace annulaire au-dessus de la surface de liquide du fluide de refroidissement 9, et le gaz inerte est mis en circulation en utilisant une pompe 7. Le gaz inerte est chauffé par la paroi de réacteur à température élevée, située en dessous de la surface de li quide du fluide de refroidissement 9. D'autre part, un maté riau thermiquement isolant 10 est prévu sur la paroi inté rieure du récipient de réacteur au-dessus de la surface de liquide du fluide de refroidissement, et il est thermique ment isolé du fluide de refroidissement. En conséquence, la paroi de réacteur sur cette partie est à basse température. Par conséquent, le gaz inerte chauffé par la paroi de réac teur à une température élevée chauffe la paroi de réacteur à basse température audessus de la surface de liquide du fluide de refroidissement alors qu'il est mis en circula- tion, et ceci atténue le gradient de température abrupt à proximité de la surface de liquide du fluide de refroidisse- ment 9. Ici, la commande de température pour chauffer la surface de réacteur à basse température par un gaz à haute température chauffé par la paroi de réacteur à température élevée est appelée.écommande de température active". Un ma- tériau thermiquement isolant 8 est prévu sur une paroi exté- rieure située en vis-à-vis de l'espace annulaire entre les plaques de séparation 4 et 5 du récipient de protection de telle sorte que la température de la structure extérieure en béton n'est pas accrue. Un passage de circulation de gaz 11 est formé en utili- sant l'espace annulaire le long de la direction verticale à l'extrémité supérieure du récipient de réacteur divisée par la plaque de séparation 5, et un refroidisseur 12 est ins- tallé sur le passage de circulation de gaz 11. Le gaz inerte à basse température est mis en circulation via le passage de circulation de gaz en utilisant une pompe 13, et une partie d extrémité supérieure du récipient de réacteur est mainte- nue à 100 C ou moins. Ici, la commande de température pour refroidir la paroi de réacteur par mise en circulation du gaz à basse température est appelée ''commande de température passive". Comme représenté sur la figure 2(a) et la figure 2(b), lorsque la température est accrue, la température du gaz à haute température Th circulant dans le passage de gaz 6 à une température de fluide de refroidissement de Tf est éle vée à une vitesse de 15 C/h à partir de 200 C et elle at- teint 550 C. Le gaz à basse température Tc circulant dans le passage de gaz 11 est maintenu à 100 C. La vitesse d'écoule- ment du gaz en circulation est à un niveau constant pendant le fonctionnement dans le cas du gaz à basse température. Le gaz à haute température est mis en circulation uniquement pendant la montée de température pour le démarrage. Sa vi- tesse d'écoulement est environ deux fois plus élevée que la vitesse d'écoulement du gaz à basse température. Dans le présent exemple, la vitesse d'écoulement du gaz à haute tem pérature est donnée par Vh = 0,5 mJs. La figure 3 représente des graphiques pour expliquer le principe de la réduction de charge thermique par la commande de température active pour réduire la contrainte à proximité de la surface de liquide du fluide de refroidissement dans le récipient de réacteur. La figure 3(a) représente le cas o il n'y a pas de commande de température, et la figure 3(b) représente le cas o la commande de température active est effectuée. Comme décrit ci-dessus, le récipient de réacteur dans un surrégénérateur rapide est supporté par une structure de béton, et l'extrémité supérieure doit être maintenue à la température de 100 C ou moins. Pendant l'opération de démar- rage, la température du fluide de refroidissement est accrue de 200 C à 550 C. Par un gradient de température local dans la direction verticale développé pendant ce traitement, une contrainte thermique élevée est produite sur la paroi de ré- acteur. De manière spécifique, dans le cas o la répartition de température pendant le démarrage du récipient de réacteur évolue librement (figure 3(a)), la contrainte la plus élevée est produite sur la surface extérieure de la paroi de réac- teur (le point S sur la figure 3(a)) à proximité de la sur- face de liquide lorsque l'élévation de température est ter- minée. Cette contrainte est provoquée par un gradient de température abrupt (gradient de température au moment T sur la figure 3(a)) lorsque l'élévation de température est ter- minée entre une partie de contact de liquide en contact avec le fluide de refroidissement à température élevée et l'es- pace gazeux à basse température. Pour atténuer cette contrainte, la paroi de réacteur à basse température au- dessus de la surface de liquide est chauffée pendant l'élé- vation de température, et ceci rend possible de réduire le gradient de température dans la direction verticale, qui provoque la contrainte. D'autre part, la température à proximité de l'extrémité supérieure de la paroi de réacteur est abaissée de telle sorte que la température à l'extrémité supérieure supportée par la paroi de béton peut ne pas être élevée par le chauf fage de la paroi de réacteur. En conséquence, on constate que le gradient de température au point S. c'est-à-dire au point o la contrainte la plus élevée est produite, est adouci et aplati au moment T o la contrainte la plus élevée est produite. Comme décrit ci-dessus, par la procédure sim- ple consistant à installer des plaques de séparation dans l'espace annulaire, à chauffer la moitié inférieure de l'es- pace gazeux, et à refroidir la moitié supérieure de l'espace gazeux, il est possible de réduire la contrainte. Le Tableau 1 ré sume le s ré su ltats de comparai son entre la plage d'intensités de contrainte Sn et la valeur permise lorsque seule la commande de température passive est effec- tuée et lorsque la commande de température active et la com- mande de température passive sont effectuées. La plage d'in- tensités de contrainte sert dindice pour le développement de fissures et de déformations tel qu'évalué à partir d'une répartition de contrainte obtenue par analyse numérique. Tableau 1 Sans commande Commande de Commande de de température température température passive active Sn la plus éle- 406 MPa 372 MPa 225 MPa Valeur permise 400 MPa 400 MPa 400 MPa Cependant, la commande de température passive du Ta- bleau 1 est effectuse simultanément avec la commande de tem- pérature active. À partir du Tableau 1, il a été confirmé que la contrainte à proximité de la surface de liquide dans le récipient de réacteur est amplement en dessous de la va- leur permise lorsque la commande de température active est effectuce. Par la suite, on décrit la répartition de la tempéra- ture et de la contrainte dans la direction verticale de la paroi de réacteur le long de la surface extérieure, au mo- ment o la contrainte la plus élevée est produite pendant une opération de démarrage du réacteur dans les trois cas suivants: le cas o aucune commande de température n'est effectuée, le cas o seule la commande de température pas sive est effectuée, et le cas o la commande de température active et la commande de température passive sont toutes deux effectuées. La figure 4 représente les données dans le cas o au- cune commande de température nest effectuée, la figure 5 représente les données dans le cas o seule la commande de température passive est effectuée, et la figure 6 représente le s donnée s dans le c as o la commande de température active et la commande de température passive sont toutes deux ef- fectuées. La répartition dans la direction axiale de la plage d'intensités de contrainte est représentée sur la fi- gure 4(a), la figure 5(a) et la figure 6(a). La répartition dans la direction axiale de la température dans chaque cas (variations en fonction du temps) est représentée sur la fi- gure 4(b), la figure 5(b), et la figure 6(b), respective ment. Sur les figures, le numéro de référence 10 indique un matériau thermiquement isolant. Dans les cas représentés sur les figures 4 et 6, il est installé sur une surface inté- rieure de la paroi de réacteur dans l'espace gazeux situé au-dessus de la surface du fluide de refroidissement. Dans le cas représenté sur la figure 5, il est prévu sur une sur- face intérieure de la paroi de réacteur à l' exception de la partie située immédiatement au-dessus de la surface du fluide de refroidissement. Le coefficient de transfert ther- mique de la paroi de réacteur (épaisseur 30 mm) est de 930 W/m2K (o W est une valeur en watt, et K est la tempéra- ture absolue) à la partie en contact avec le fluide de re- froidissement. Il est de 0,64 W/m2K à la partie munie du ma- tériau thermiquement isolant situé dans l'espace gazeux, de 3,49 W/m2K à la partie o aucun matériau thermiquement iso- lant n'est prévu, et 5,82 W/m2K sur la partie du fluide de refroidissement. Le symbole NsL représente une position sur la surface du fluide de refroidissement. En comparais on du cas o seu le la commande de tempéra- ture passive est effectuée (figure 5) et du cas o aucune commande de température n'est effectuée (figure 4), la tem- pérature à proximité de l'extrémité supérieure du réacteur est diminuée, et l'intensité de la contrainte à la partie d'extrémité supérieure est diminuée. Inversement, dans le cas o la commande de température active et la commande de température passive sont toutes deux effectuées (figure 6), il est clair que la contrainte à proximité de la surface du fluide de refroidissement est diminuée considérablement, et que la contrainte thermique est atténuée. Comme décrit ci-dessus, conformément à la présente in vention, un espace annulaire situé entre le récipient de ré acteur et le récipient de protection est utilisé en tant que passage. Par le procédé simple et sans contact consistant à chauffer la moitié inférieure de l'espace gazeux par une circulation de gaz, et à refroidir la moitié supérieure de l'espace gazeux, il est possible de réduire la contrainte à proximité de la surface de liquide dans le récipient de ré acteur sans augmenter la quantité de matériau utilisé. Le mode de détérioration probablement provoqué par une contrainte thermique à proximité de la surface de liquide dans le récipient de réacteur est une fatigue en fluage et une déformation en dents de scie, qui sont liées au nombre d' applications, et il n'y a pas de problèmes même lorsque l' influence dune suspension de puissance ou d'une défail lance de fonctionnement relativement moins fréquente est né- gligée. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réduction de charge thermique dans un récipient de réacteur nucléaire (1), caractérisé en ce que des éléments de séparation (5) sont agencés au-dessus de la surface de liquide d'un fluide de refroidissement (9), dans un espace annulaire (3) situé entre le récipient de réac- teur (1) et un récipient de protection (2), un gaz à basse température est mis en circulation via l'espace annulaire (3) situé au-dessus des éléments de séparation (5) pour le refroidissement, et le gaz est mis en circulation à travers l'espace annulaire (3) à partir du dessous de la surface de liquide du fluide de refroidissement (9) vers les éléments de séparation (5), et la température au-dessus de la sur- face de liquide du fluide de refroidissement (9) est élevée par ce gaz à haute température chauffé en dessous de la surface de liquide du fluide de refroidissement (9). 2. Dispositif de réduction de charge thermique dans un récipient de réacteur nucléaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz à basse température est mis en circulation à une vitesse d'écoulement constante pendant le fonctionnement, et ledit gaz à haute température est mis en circulation uniquement pendant une opération de