Brevet FR2847707A1 — publié le 20040528

ENCEINTE D'INSTALLATION NUCLEAIRE ET SON PROCEDE PALLIATIF A UNE FUITE OU UNE PERTE D'EAU DANS LE CIRCUIT PRIMAIRE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne les installations de production d'énergie du type nucléaire, et en particulier l'enceinte de confinement dans laquelle est installé le réacteur nucléaire et sa cuve de même que le circuit primaire d'évacuation de calories et le ou les échangeurs de chaleur. L'invention est orientée vers la protection d'une telle installation vis-à-vis de la fuite et de la perte d'eau dans un circuit primaire, à l'intérieur de l'enceinte. Les réacteurs nucléaires concernés sont des réacteurs nucléaires à eau sous pression ou à eau bouillante. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Dans le cadre d'une installation nucléaire, toutes les conséquences, lors d'un éventuel accident à l'intérieur de l'enceinte de confinement, doivent être évaluées dans le but de prendre les mesures préventives nécessaires pour éviter de telles éventualités. Dans le cadre de ces considérations, un accident de fuite importante ou de rupture de la paroi du circuit primaire associé au réacteur nucléaire peut avoir pour conséquence une montée de pression dans l'enceinte de confinement contenant, entre autres, le réacteur. Une telle montée de pression est préjudiciable à la tenue thermomécanique de cette enceinte de confinement et au contrôle à long terme de l'accident. Si l'enceinte de confinement venait à être perforée, les conséquences de l'accident pourraient être très graves, puisque les produits radioactifs contenus jusqu'alors pourraient se trouver répandus dans l'environnement. Un tel accident peut également provoquer la vidange incoercible de la cuve contenant le réacteur, ce qui pourrait conduire au dénoyage du coeur du réacteur contenu dans la cuve. Si un tel dénoyage est maintenu de façon prolongée, la puissance résiduelle du coeur du réacteur peut conduire à la détérioration du gainage du combustible et à la fusion de celui-ci. Un certain nombre de dispositifs sont connus pour parer aux conséquences des événements cidessus énumérés. Par exemple, il est connu d'utiliser des dispositifs dits "de supression de pression" concernant la montée de pression dans l'enceinte de confinement. De tels dispositifs peuvent être constitués de systèmes d'arrosage ou d'aspersion de l'enceinte de confinement. On peut également utiliser des dispositifs dits "d'injection de sécurité", par exemple des accumulateurs d'injection de sécurité, des pompes d'injection ou de recirculation de l'eau dans la cuve du réacteur. D'autres dispositifs sont également connus. Toutefois, l'ensemble de ces systèmes présente l'inconvénient de nécessiter, pour leur fonctionnement, des sources d'énergie électrique ou autres, ou de mettre en oeuvre des composants électromécaniques complexes, tels que, par exemple des pompes. On éprouve donc le besoin de disposer, pour réaliser les fonctions de sécurité ci-dessus énumérées d'un système qui serait complètement passif et dont la mise en oeuvre ne dépendrait que des phénomènes physiques de base. Le but de l'invention est donc de proposer un tel concept. EXPOS DE L'INVENTION A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé palliatif à une fuite ou à une perte d'eau dans le circuit primaire d'une installation nucléaire par suppression de pression dans l'enceinte de confinement et injection d'eau dans la cuve du réacteur nucléaire. Un tel procédé consiste en particulier à: - condenser la vapeur dans le haut de l'enceinte de confinement en utilisant une grande quantité d'eau stockée au-dessus de cette enceinte de confinement, afin de refroidir des condenseurs placés dans le haut de l'enceinte, et - récupérer, de façon gravitaire, l'eau issue de la condensation de la vapeur dans le haut de l'enceinte de confinement. Un tel procédé peut se compléter par une réinjection, dans la cuve du réacteur, de l'eau récupérée. Un deuxième objet principal de l'invention est constitué d'une enceinte d'installation nucléaire à eau comprenant: une enceinte de confinement dans laquelle se trouvent * une cuve renfermant un réacteur nucléaire, et * au moins un circuit primaire de circulation d'eau pour évacuer la chaleur fournie par le réacteur. Selon l'invention, elle comprend: - des moyens de condensation d'une partie de la vapeur excessive dans le haut de l'enceinte de confinement constitués de: * un grand réservoir d'eau placé au-dessus de l'enceinte de confinement, et * des condenseurs placés dans le haut de l'enceinte de confinement et en contact avec l'eau du grand réservoir; - des moyens de récupération de l'eau de façon gravitaire. De préférence, les moyens de récupération de l'eau de façon gravitaire sont constitués d'une caisse de récupération d'eau placée sous les condenseurs. Il est intéressant d'utiliser des moyens de réinjection, dans le réacteur nucléaire, de l'eau récupérée, ces moyens étant constitués de: - un trop-plein dans la caisse de récupération d'eau, et - une ligne de réinjection, à partir de la caisse de récupération d'eau, vers l'entrée d'eau du circuit primaire, pour expédier l'eau vers le réacteur nucléaire. Dans ce cas, il est intéressant d'utiliser des clapets de non-retour pour éviter une remontée d'eau sous pression. Dans une première réalisation des condenseurs, ceux-ci sont constitués chacun d'un tube en U, placé verticalement. De préférence, les parois des deux branches du U sont d'épaisseurs différentes. Dans une deuxième réalisation préférée de ces condenseurs, ceux-ci sont verticaux et constitués de deux tubes concentriques, c'est-à-dire - un tube externe; et - un tube interne placé dans le tube interne et dont l'extrémité inférieure est reliée avec l'intérieur du tube externe. De préférence, les parois du tube externe sont plus minces que celles du tube interne. BR VE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante illustrant respectivement: - figure 1, en coupe, l'enceinte de confinement selon l'invention, - figure 2, en coupe partielle, une première réalisation des condenseurs utilisés selon l'invention, et - figure 3, en coupe partielle, une deuxième réalisation des condenseurs utilisés selon l'invention. EXPOS D TAILL DE DEUX MODES DE R ALISATION La figure 1 représente donc en coupe l'ensemble de l'enceinte de confinement selon l'invention qui comprend deux parties principales, une enceinte de confinement 10 et un réservoir d'eau 20 la surmontant. On note que l'enceinte de confinement 10 est fermée, dans sa partie supérieure, par un couvercle d'enceinte 11 qui tient également lieu de base du réservoir d'eau 20. Le réacteur nucléaire 1 est placé dans une cuve 2 et baigne dans une grande masse d'eau bouillonnante ou sous pression. L'alimentation et la circulation de l'eau sont assurées par un circuit primaire 4 constitué, entre autres, de canalisations d'entrée 6, d'une sortie de cuve 5, d'un vase d'expansion 8 placé en amont et piloté par plusieurs clapets 7. On peut remarquer que l'intérieur de l'enceinte de confinement 10 et le matériel qui s'y trouve bénéficient d'un calorifugeage obtenu en déposant, autour de l'enceinte de confinement 10 et audessus du couvercle 11, c'est-à-dire à l'intérieur de la base du réservoir 20, au moyen d'une couche calorifuge 12. Une caractéristique principale de l'invention est donc de disposer au moins un groupe de condenseurs 14 placés verticalement dans la partie haute du volume compris dans l'enceinte de confinement 10 et le couvercle 11. Plus exactement, ce dernier possède une plaque support 18 destinée à supporter des condenseurs 14 qui pénètrent à l'intérieur de l'enceinte de confinement 10 en traversant le couvercle 11 au moyen d'un orifice supérieur 17. La partie inférieure des condenseurs 14 baigne dans une caisse de récupération d'eau 13 contenant une masse secondaire d'eau 15. Un trop-plein 16 complète cette caisse de récupération d'eau 13 pour limiter le niveau d'eau à l'intérieur de celle-ci. Le réservoir d'eau 20 est donc rempli d'une grande quantité d'eau 21. Des orifices d'entrée et/ou de sortie 22 sont prévus dans la partie supérieure du réservoir 20. La partie supérieure des tubes 14 est en contact avec la grande réserve d'eau 21. Cette grande réserve d'eau 21 surmontant l'enceinte de confinement 10 est de grande capacité. On utilise de l'eau ordinaire, aisément reconstituable en cas de nécessité par un appoint d'eau de ville ou à partir de toute autre source d'eau disponible. Cette réserve d'eau 21 est non pressurisée puisqu'elle est à l'atmosphère du bâtiment contenant l'enceinte de confinement. Le volume de la réserve d'eau 21 est tel que la chaleur latente d'évaporation est au moins égale à la somme de l'énergie de refroidissement de capacité - chaude du réacteur 1 augmentée de l'énergie résiduelle du réacteur intégré sur une période de temps relativement longue et suffisante pour permettre au moyen disponible de reconstituer la réserve d'eau par un simple appoint d'eau de ville (2 jours). On complète la caisse de récupération d'eau 13 d'une ligne de réinjection 9 de l'eau de récupération 15 vers l'entrée du circuit primaire 4, par l'intermédiaire de plusieurs clapets 7. Le principe de fonctionnement de l'enceinte de confinement selon l'invention repose sur le fait que les condenseurs 14 peuvent provoquer la condensation d'une grande partie de vapeur d'eau se trouvant dans l'enceinte de confinement 10. En effet, en cas d'accident au niveau du circuit primaire, c'est-à-dire en cas de fuite d'eau bouillonnante et/ou sous pression, l'enceinte de confinement 10 se remplit de vapeur. Une grande partie de celle-ci se réunit dans la partie supérieure de l'enceinte de confinement, au niveau des condenseurs 14, ces derniers provoquent la condensation d'une grande partie de la vapeur, provoquant ainsi une précipitation d'eau qui s'écoule alors gravitairement dans la caisse de récupération 13 permettant de former la masse d'eau de récupération 15. Cette eau peut, soit s'échapper par le trop-plein 16 et rejoindre le bas de l'enceinte de confinement 10 ou être réinjectée dans le circuit primaire 4, par l'intermédiaire de la ligne de réinjection 9. Ainsi, si fuite d'eau il y a au niveau du circuit primaire, une partie de celle-ci peut être réinjectée vers le réacteur nucléaire 1 se trouvant à l'intérieur de la cuve 2. Les condenseurs 14 fonctionnent de la façon suivante. Ils sont alimentés par l'eau froide de la grande réserve d'eau 21 dont une infime partie s'évapore. La circulation de cette eau dans chaque condenseur fonctionne donc par thermo-siphon, c'est-à-dire par convexion naturelle. Aucun moyen moteur n'est nécessaire pour assurer cette circulation d'eau. On comprend qu'on dispose ainsi d'un système permettant de réinjecter dans le circuit primaire 4 une grande quantité d'eau par l'intermédiaire de la réserve d'eau d'injection 15 et la ligne d'injection 9, et également par le tropplein 16 de la caisse de récupération 13. On peut noter que l'eau obtenue par condensation à l'intérieur de l'enceinte de confinement est de l'eau distillée, ce qui élimine toute présence de particules solides susceptibles de gêner le fonctionnement de pompes ou d'autres systèmes de sécurité, et de se retrouver dans la cuve du réacteur 1 après réinjection. Cet avantage est relativement important par rapport aux autres systèmes usuellement mis en oeuvre pour l'injection de sécurité de l'eau présente dans les enceintes de confinement des réacteurs existant et dans lesquels l'eau est pompée dans un puisard d'enceinte o peuvent se trouver rassemblés différentes particules ou des objets solides. Le trop-plein 16 de la caisse de récupération 13 assure également le non-envahissement des condenseurs 14 et le maintien à découvert de la surface d'échange de la réserve d'eau d'injection 15, pour assurer la condensation du débit de vapeur. Le débit d'eau passant par le trop-plein 16 peut également être dirigé vers une autre capacité d'eau claire de sécurité destinée à d'autres usages, ou éventuellement vers les fonds de l'enceinte de confinement 10. La ligne d'injection d'eau 9 reliant la caisse de récupération 13 au circuit primaire 4 peut comporter des systèmes classiques de type à accumulation de sécurité tels qu'un vase d'expansion 8. Cette ligne d'injection d'eau 9 est protégée d'une éventuelle remontée de l'eau sous pression du circuit primaire 4 par plusieurs clapets de nonretour 7 placés en série sur ce circuit. Dans le but d'assurer la récupération du débit de vapeur produite sous forme d'eau condensée, on s'arrange pour augmenter la résistance thermique de l'enceinte de confinement 10. De cette façon, la condensation de la vapeur à l'intérieur de l'enceinte s'effectue préférentiellement aux points les plus froids, c'est-à-dire dans ce cas, à côté des condenseurs 14. On note que, dans les premiers temps de la dépressurisation de l'intérieur de l'enceinte de confinement 10, la vapeur se condense sur l'ensemble des équipements initialement froids contenus dans cette enceinte de confinement, ainsi que sur les parois extérieures de celle-ci. Dans le long terme, lorsque le réchauffement des équipements initialement froids est réalisé, la vapeur se condense préférentiellement au niveau des points froids représentés par les condenseurs dont la température de paroi est maintenue froide grâce à l'inertie thermique de la circulation d'eau provenant de la grande réserve d'eau 21. En outre, l'efficacité du système est proportionnelle à la surface d'échange proposée par les condenseurs 4 qui il doit être très grande devant les autres surfaces d'échanges offertes à la vapeur pour se condenser. Dans le cas d'une enceinte de confinement métallique, le calorifugeage 12 peut être réalisé par dépôt d'une couche de liège, à l'image de ce qui est fait pour prévenir les condensations sur les coques des sous-marins. Par contre, dans le cas d'une enceinte de confinement 10 en béton, le calorifugeage peut se révéler inutile compte tenu de la résistance thermique du béton, soit être effectué à l'aide d'un simple mur de briques. On remarque que, pendant et longtemps après un accident au niveau de la cuve 2 et du circuit primaire 4, la puissance résiduelle du coeur est entièrement évacuée par évaporation du débit de vapeur produit à partir de l'eau contenue dans la cuve, et que le débit de vapeur sortant directement du circuit primaire est condensé par les condenseurs 4 et réinjecté sous forme d'eau. En référence à la figure 2, les condenseurs 14 baignent en partie dans la réserve d'eau d'injection de la caisse de récupération 13. Cette première réalisation des condenseurs 14 montre que ceux-ci sont réalisés sous forme de tubes en U dont les deux extrémités sont en communication avec la grande réserve d'eau 21. D'autre part, les deux branches de chaque tube en U constituant les condenseurs 14 sont réalisées avec des épaisseurs différentes l'une par rapport à l'autre. De ce fait, si la branche du tube en U dont l'épaisseur est la plus mince est placée de manière à être sollicitée directement par la vapeur, l'eau circulant à l'intérieur de cette première branche de U sera chauffée plus rapidement et plus intensément que l'eau circulant dans l'autre branche du U dont l'épaisseur du tube est plus importante. Ainsi, il se crée un système de thermo-siphon à l'intérieur de chaque tube en U, assurant ainsi la circulation, non motorisée, de l'eau à l'intérieur de chaque tube en U constituant le condenseur 14. L'eau froide issue de la grande réserve d'eau 21 descend par la branche du U dont l'épaisseur est la plus grande et remonte par la branche du U dont l'épaisseur est la plus faible. Dans cette dernière, on peut également voir apparaître de la vapeur. Il est également possible de séparer, à l'intérieur du grand réservoir d'eau 20, les débits d'eau chaude et d'eau froide et de canaliser ainsi les circulations d'eau à différentes températures dans la grande réserve d'eau 21. En référence à la figure 3, une autre réalisation des condenseurs 24 peut être réalisée avec des tubes du type "en doigts de gant". En effet, dans ce cas, chaque condenseur 24 est constitué d'un tube externe 25 de grand diamètre à l'intérieur duquel se trouve un tube interne 26 de plus petit diamètre. Lorsque ce type de condenseur 24 est soumis à la proximité de vapeur, le tube externe 25 est chauffé très rapidement de même que l'eau qui y circule, issue de la grande réserve d'eau 21. De son côté, le tube interne 26 se trouvant à l'intérieur est chauffé beaucoup moins rapidement et constitue ainsi un tube froid. On comprend ainsi qu'un phénomène de thermo- siphon s'établit très facilement et permet la circulation passive de l'eau de la grande réserve d'eau 21 dans tous les condenseurs 24. On note que le tube externe 25, c'est-à-dire le tube chaud puisse contenir un liquide diphasique contenant de la vapeur. AVANTAGES DE L'INVENTION Le procédé proposé est entièrement passif. En effet, sa mise en oeuvre et son fonctionnement ne requièrent le fonctionnement d'aucun système moteur ou composant actif ni aucune action ou décision d'un opérateur. Les fonctions qui sont réalisées sont principalement: - la suppression et l'abaissement de la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte de confinement 10 après un accident de dépressurisation du circuit primaire 4, et - la réinjection passive et gravitaire de l'eau passée à travers une brèche ou une fuite du circuit primaire 4 sous forme de vapeur. REVENDICATIONS 1. Procédé palliatif à une fuite ou une perte d'eau dans le circuit primaire (4) d'une installation nucléaire par suppression de la pression dans l'enceinte de confinement (10) et injection d'eau dans la cuve (2) d'un réacteur nucléaire (1), caractérisé en ce qu'il consiste à: condenser la vapeur dans le haut de l'enceinte de confinement (10) en utilisant une grande réserve d'eau (21) stockée au-dessus de l'enceinte de confinement (10) pour refroidir des condenseurs (14) placés dans le haut de l'enceinte de confinement, et - récupérer de façon gravitaire l'eau issue de la condensation de la vapeur d'eau dans le haut de l'enceinte au moyen d'une caisse de récupération (13) placée en dessous des condenseurs (14). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réinjecter l'eau récupérée (15) dans la caisse de récupération (13) au moyen d'une ligne d'injection (9) en communication avec la canalisation d'entrée du circuit primaire (4). 3. Enceinte d'installation nucléaire à eau, comprenant, entre autres: une enceinte de confinement (10) dans laquelle se trouvent: * une cuve (2) renfermant un réacteur nucléaire (1), et * un circuit primaire (4) de circulation d'eau pour évacuer la chaleur fournie par le réacteur nucléaire (1), caractérisée en ce qu'elle comprend - des moyens de condensation d'une quantité de vapeur excessive dans le haut de l'enceinte de confinement (10) comprenant eux-mêmes: * une grande réserve d'eau (21) dans un grand réservoir (20) situé au-dessus de l'enceinte de confinement (10), et * des condenseurs (14, 24) placés dans le haut de l'enceinte de confinement (10) et étant en contact avec l'eau de la grande réserve d'eau (21), et - des moyens de récupération de façon gravitaire de l'eau. 4. Enceinte d'installation nucléaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de récupération d'eau sont constitués d'une caisse de récupération (13) pour récupérer l'eau et placée en dessous des condenseurs (14, 24). 5. Enceinte d'installation nucléaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de réinjection d'eau récupérée dans la caisse de récupération (13) comprennent: - un trop-plein (16) dans la caisse de récupération (13), et - une ligne de réinjection d'eau (9) connectée à la caisse de récupération (13) et en communication avec l'entrée d'eau du circuit primaire (4). 6. Enceinte d'installation nucléaire selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des clapets de non-retour (7) placés sur l'entrée du circuit primaire (4) et la ligne de réinjection d'eau (9) pour éviter une remontée d'eau sous pression. 7. Enceinte d'installation nucléaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que les condenseurs (14) sont constitués chacun d'un tube en U placé verticalement. 8. Enceinte d'installation nucléaire selon la revendication 7, caractérisée en ce que les parois des deux branches du U constituant un condenseur (14) sont d'épaisseurs différentes. 9. Enceinte d'installation nucléaire selon la revendication 3, caractérisée en ce que les condenseurs (24) sont verticaux et constitués chacun d'un tube externe (25) à l'intérieur duquel se trouve un tube interne (26) dont l'extrémité inférieure est en communication avec l'intérieur du tube externe (25). 10. Enceinte d'installation nucléaire selon la revendication 9, caractérisée en ce que le tube externe (25) a une épaisseur plus faible que celle du tube interne (26).