Brevet FR2915618A1 — publié le 20081031

L'invention s'applique aux réacteurs nucléaires surgénérateurs refroidis par une circulation primaire de sodium ou d'un autre métal liquide qui transmet la chaleur à un circuit secondaire soit de sodium chauffant ensuite un générateur de vapeur pour actionner un alternateur, soit d'un gaz sous pression qui peut chauffer un générateur de vapeur ou actionner une turbine à 5- gaz entraînant l'alternateur. Ces réacteurs, permettant une excellente utilisation de l'uranium, peuvent être du type à boucles dans lequel diverses cuves sont reliées par des tuyauteries, ou du type intégré où une cuve contient l'ensemble du circuit primaire : coeur, pompes et échangeurs du primaire au secondaire. L'invention a pour but de leur procurer une grande robustesse vis-à-vis d'accidents ou d'agressions, et une compacité réduisant l'encombrement et 10 la masse de la construction. Le sodium, choisi pour ses excellentes propriétés thermiques et neutroniques, fond à 98 C à la pression atmosphérique et parvient à ébullition à 883 C. Réagissant avec l'air et avec l'eau, il doit en être isolé. Dans les cuves calorifugées du réacteur, il se trouve à surface libre sous un ciel d'argon, gaz inerte. Pour le type à boucles avec circuit secondaire en sodium chauffant un générateur de vapeur, ces cuves sont les suivantes, les températures indiquées étant approximatives : - la cuve du réacteur, contenant un "sommier" 8, boîte sous une pression de l'ordre de 500 kPa, alimentée en sodium primaire à 400 C et portant un ensemble d'éléments combustibles à l'uranium, ensemble surmonté par un bloc 18 guidant les barres de contrôle et permettant des 2t mesures sur le sodium sortant à 550 de ces éléments, bloc qui est écarté pour les opérations de transferts d'éléments, - les cuves 26 des échangeurs intermédiaires, où le sodium primaire est refroidi à 400 C en chauffant des circuits de sodium secondaire, de 375 C à 525 C, - des cuves contenant des pompes pour le sodium primaire, si elles ne sont pas intégrées L`5 dans les cuves d'échangeurs ou interposées sur des tuyauteries, des cuves 55 de générateurs de vapeur, dans lesquels le sodium secondaire chauffe des circuits d'eau sous pression. Les pompes pour le sodium secondaire peuvent être intégrées dans les cuves des générateurs de vapeur. - des cuves 65 pour compenser les variations de volume du sodium selon la température, 30 et pour stocker sous sodium des éléments combustibles usés. Les liaisons entre cuves sont assurées par des tuyauteries calorifugées en acier, résistant aux pressions créées par les pompes et dont la souplesse, obtenue par des tracés coudés qui peuvent atteindre une grande longueur, permet d'accommoder les dilatations sans contraintes excessives. Les cuves et tuyauteries primaires sont entourées de protections radiologiques. L'ensemble des circuits de sodium doit résister à des conditions accidentelles en fonctionnement, ou à des séismes, ou à des agressions malveillantes de grande intensité. Selon l'invention, les cuves d'un réacteur nucléaire sont contenues dans les puits d'un caisson général 1 en béton et les liaisons entre ces cuves ainsi rapprochées sont assurées par des tuyauteries courtes pouvant utiliser des "soufflets", parties rendues plus flexibles et extensibles Irô par une ondulation des parois formant des rondelles plates liées par des demi-tores. Les soufflets ne sont généralement pas recommandés en génie nucléaire, par crainte de défauts de soudage, mais il est ici estimé qu'une qualité satisfaisante peut être obtenue. Les soufflets sont montés selon l'invention pour permettre leur surveillance et leur éventuel renouvellement et réduire les conséquences d'une rupture. L'ensemble du caisson 1 et des tuyauteries de sodium peut alors prendre un faible encombrement et être implanté sous le niveau du sol, ce qui atténue les mouvements d'origine sismique parvenant aux composants du réacteur, le protége des agressions par des avions ou des projectiles, et peut rendre inutiles les dispositifs amortisseurs souvent proposés. La cuve 2 du réacteur est en position centrale, entourée de boucles comportant chacune une cuve 26 pour un échangeur intermédiaire qui englobe une pompe 28 pour le sodium primaire et une cuve 55 pour le générateur de vapeur associé qui englobe une pompe 47 pour le sodium secondaire, plus des cuves de stockage 65 pour du sodium liquide et pour des éléments combustibles usés, permettant une longue décroissance radioactive. Les faisceaux d'échange dans les diverses cuves sont décalés en hauteur pour assurer une convection naturelle à faible /5 -puissance. Les figures montrent une configuration à trois boucles avec trois cuves de stockage pour le sodium et le combustible, soit neuf cuves autour de la cuve du réacteur. Les différentes cuves sont posées de préférence sur les fonds des puits en béton et non suspendues comme il est usuel. La cuve du réacteur est alors du type posé à fond froid, selon une disposition déjà proposée par l'auteur (Brevet français N 8811370, 30 Août 1988 "Structure 45 de réacteur nucléaire refroidi par métal liquide, du type à boucles, avec cuve posée") : la paroi cylindrique verticale se raccorde à un fond plat 3 directement posé sur le béton et refroidi à 100 C par un réseau soudé de canalisations, les contraintes thermiques dans le béton étant compensées par la mise en précontrainte du caisson, selon le concept dit peau chaude connu antérieurement. Au dessus du fond, le sodium se stratifie en température jusqu'à 2.s-atteindre 400 C au niveau du sommier 8 à une hauteur d'un à deux mètres. La chaleur transmise par conduction dans ce sodium stagnant est faible par rapport à celle produite par le réacteur. Dans cet espace, le sommier est supporté à partir du fond par deux viroles en acier, l'une 11 en périphérie et l'autre 12 sur un rayon environ moitié, ce qui permet d'adopter un sommier relativement souple avec des épaisseurs réduites d'acier. L'espace en sodium sous le 3C sommier reçoit en périphérie des tuyauteries ascendantes d'entrée du sodium primaire et en partie centrale des éléments lourds ou réfractaires pour arrêter d'éventuelles coulées accidentelles de combustible nucléaire. La paroi cylindrique verticale de chaque cuve, prolongée jusqu'au fond en béton, centrée en partie supérieure contre la paroi du puits en béton, présente ainsi une grande robustesse vis-à--T';.5-vis des efforts verticaux et latéraux. Les cuves autour de la cuve réacteur ne pouvant être soumises à des coulées de matériaux fondus, une couche inférieure de sodium en gradient thermique n'est pas utile et les fonds à 400 C sont attachés latéralement à la paroi verticale qui repose sur le fonds du puits à 50 C environ, des garnissages dans l'espace inférieur sec limitant le volume accessible à des fuites 40 de sodium. Ces fonds de cuve reçoivent des organes de centrage pour des composants internes suspendus, comme des pompes et des faisceaux d'échange thermique. Les parois des puits en béton sont revêtues de peaux d'étanchéité en acier pourvues de canalisations de détection de fuite et de drainage de la vapeur. Elles sont refroidies par des canalisations externes d'eau .5-incluses dans une couche de béton résistant au contact éventuel du sodium. Un débit d'argon, injecté à la base dans les espaces annulaires entre cuve et paroi des puits, franchit l'espace de centrage de la paroi, puis rejoint le ciel d'argon au dessus du sodium avant évacuation. L'absence d'étanchéité entre les sommets des cuves à sodium primaire et leur périphérie peut paraître contraire au principe de barrières multiples entre ce sodium et l'extérieur : une variante rC pourrait consister à disposer autour des sommets de cuves une onde de soufflet permettant les dilatations et procurant l'étanchéité. Cette variante rendrait plus difficile une inspection en service des parois par des détecteurs verticaux. Elle est estimée inutile car le fluide concerné est un gaz inerte à faible teneur en vapeur de sodium, et non le sodium liquide. S'il survenait une fuite, le sodium gèlerait en arrivant au béton. f,,S Les figures sont les suivantes : Fig 1. Coupe en élévation développée, sur les diamètres des cuves 2, 26 et 55, Fig 2. Coupe en élévation développée sur les diamètres des cuves 2 et 65, Fig 3. Vue en plan d'une partie du caisson, avec les emplacements des cuves, Fig 4. Détail d'une connexion basse entre la cuve 2 et une cuve 26, t) Fig 5. Détail d'une connexion haute entre ces cuves. Un puits dans le caisson 1 en béton contient la cuve de réacteur dont la paroi cylindrique verticale 2 est soudée au fond 3, sous lequel est soudé un circuit d'eau 4 qui envoie la chaleur conduite par le sodium à un échangeur vers l'atmosphère, procurant une température moyenne du fond de l'ordre de 100 C. La paroi 5 du puits, cylindrique verticale, est refroidie par un autre 25 circuit. Le sommet de la paroi 2 est centré dans le sommet du puits par une collection 6 de nervures verticales coulissant dans des rainures en regard. Dans l'espace annulaire entre 2 et 5 est disposée une couche isolante qui peut être formée de fines feuilles réfléchissantes, à travers laquelle un faible débit ascendant d'argon, injecté à la base et traversant la zone de coulissement, rejoint le ciel d'argon 7 surmontant le sodium dans la cuve, d'où il est évacué. 3c Certaines parties de cette couche peuvent être détachées automatiquement sur détection d'accident et tomber en partie basse, accroissant le flux de rayonnement thermique vers la paroi du puits et limitant l'échauffement. Le sommier 8 sous pression distribue le sodium à 400 dans les éléments combustibles formant le cœur 9 et dans des éléments 10 de remplissage et protection autour du cœur. Ce sommier 57 est posé sur le fond 3 par l'intermédiaire de deux viroles Il et 12, qui peuvent être soudées sur le fond, de manière à permettre leur inspection ultrasonore par un détecteur circulant dans un conduit sous le fond, non figuré. Elles sont insérées au sommet dans des rainures de centrage sous le sommier, permettant son éventuel démontage. Ces viroles et le sodium stagnant qui les baigne sont soumis au gradient thermique. L'espace intérieur aux viroles, où passent les (fo tuyauteries verticales 15 d'alimentation du sommier en sodium, peut être garni d'éléments inertes lourds 16, contenant par exemple de l'oxyde d'uranium appauvri ou du plomb, qui, refroidis par le fond, sont propres à arrêter d'éventuelles coulées accidentelles provenant du coeur. Posée sur la périphérie du sommier 8, une paroi de doublage interne 17 maintient contre la paroi 2 une couche de sodium stagnant propre à amortir des variations transitoires de température apparaissant dans la circulation interne du sodium et éviter ainsi des déformations progressives, tout en améliorant la sécurité vis-à-vis de fuites. Au dessus du coeur 9 est disposé le bloc de contrôle 18 du réacteur, dans lequel coulissent les barres de contrôle non figurées et sont effectués des mesures et des prélèvements. Un tel bloc /0 est usuellement déplaçable latéralement par le procédé des bouchons tournants, pour permettre les manutentions sur les éléments combustibles. On a figuré ici un bloc 18 à soulever verticalement, par des moyens non figurés, permettant l'accès latéral de trois bras tournants de manutention tels que 19, dont les puits de passage sont disposés à 120 dans le bouchon 2â de la paroi 5 du puits. Ces bras, de technique connue, peuvent prendre les éléments combustibles 1$ dans le coeur et les déposer parmi les éléments 10 de protection dans trois emplacements tels que 21, dont chacun contient un récipient cylindrique de transfert tel que 22, qui restera rempli de sodium pendant un transfert d'abord vertical vers une cellule 23 où un tambour l'amène sur un emplacement 24 dans une cuve 65, d'où l'élément combustible sera transféré dans un emplacement de stockage. Autour du bloc 18, en sommet de cuve, trois conduits radiaux tels que 25 conduisent le sodium à 550 vers les trois cuves 26 des échangeurs intermédiaires, sur un trajet de l'ordre du mètre, alors que les déplacements relatifs des parois de cuve, liés aux effets thermiques et aux séismes, peuvent y atteindre plusieurs centimètres, ce qui nécessiterait usuellement de longues tuyauteries coudées. On a figuré un soufflet 27, bridé sur les cuves 2 et 26 par des boulonnages accessibles à des outils 32 sous sodium introduits par le couvercle de la cuve 26, une fois démontée la colonne de la pompe 28 qu'elle contient. Les axes des boulons sur la cuve 2 sont donc intérieurs au soufflet. Un tube de profilage 29 en deux sections coulissantes est vissé à l'intérieur du soufflet, avec un jeu permettant des écarts angulaires, d'une part sur la paroi de doublage 17, d'autre part sur la bride 30 fixée sur la cuve 26. Ce tube 29, qui peut être démonté 3C ou remonté sous sodium, assure une limitation de fuite en cas de défaillance du soufflet. Pour démonter le soufflet 27, on doit baisser le niveau de sodium dans la cuve 26, après avoir introduit, à la place du tube 29, un bouchon 31 vissé dans l'orifice de la cuve 2. La paroi de cuve 26 d'échangeur intermédiaire, cylindrique verticale, se prolonge en une virole d'appui sur le fonds 33 du puits dans le caisson 1 et sa paroi est séparée de la peau d'étanchéité 3S 34 du puits par un espace annulaire garni d'un gaz inerte. On peut choisir entre un couvercle fermant le puits, le gaz inerte étant de l'argon qui circule autour de la cuve 26 et rejoint le ciel d'argon sur le sodium de la cuve, ou un couvercle pour la cuve seule, le gaz inerte pouvant être l'azote. La pompe 28 suspendue par le couvercle de puits refoule vers le bas le sodium primaire refroidi, qui sort de la cuve par la canalisation 35 raccordée à la canalisation 15 d'alimentation 2915618 5- du sommier. Le démontage de la pompe libère l'espace pour intervenir sur le soufflet 27 avec l'outil 32. Les canalisations 15 et 35 traversent le fond en béton du caisson 1 dans deux tubes de garde 36 et 37 et aboutissent à un tronçon intermédiaire 38 en U se terminant par deux brides, dans une galerie 39 accessible fermée de manière étanche, d'un volume réduit pour limiter les fuites possibles et éventuellement garni d'éléments inertes. Les tubes 36 et 37 portent en bas des soufflets tels que 40 bridés sur le tronçon 38, en recouvrement des brides des canalisations 15 et 35. L'ensemble est donc démontable pour un éventuel changement de soufflet, le sodium étant gelé dans ces canalisations. -10 Entre la canalisation 15 et son tube de garde 36, de l'argon est introduit pour obtenir une isolation thermique, les débattements étant permis par la souplesse des canalisations et par le débouché du tube de garde sous le sommier dans une cloche à gaz 43, où le niveau de sodium est fixé soit par un tube d'échappement aboutissant au ciel d'argon, soit par une régulation en pression. Sous l'échangeur intermédiaire, l'espace 45 intérieur à la virole contient du gaz et des 15 garnissages pour en réduire le volume vide. Dans le sodium primaire de la cuve 26, le sodium secondaire est amené dans le faisceau d'échange 50 sous l'effet de la pompe 47 à la base du générateur de vapeur 55, par la canalisation 48 qui arrive à la boîte d'entrée basse 49. II monte vers la boîte de sortie 51 et repart chauffé vers le générateur de vapeur, par la canalisation 52. Les canalisations 48 et 52 au 2,7 dessus des couvercles sont munies de soufflets et de tubes de profilage interne. La cuve 55 du générateur de vapeur contient, immergé dans le sodium secondaire, un faisceau d'échange 56 entre la boite inférieure 57 d'entrée d'eau et la boîte supérieure 58 de sortie de vapeur. Cette cuve 55 est posée comme la cuve 26 dans un puits du caisson 1, procurant autour de la cuve un espace annulaire contenant du gaz inerte, le fond reposant sur une ou deux '2.s viroles verticales. L'entrée d'eau sous pression et la sortie de vapeur s'effectuent par des canalisations 60 et 61 traversant le couvercle. On peut utiliser plusieurs faisceaux d'échange pour permettre les réchauffages convenant à des cycles moteurs complexes. Le caisson 1 contient encore trois cuves telles que 65 pour le stockage du sodium liquide rendu nécessaire par les variations de température et donc de volume de sodium, par exemple une 30 pour le sodium secondaire et deux pour le sodium primaire. Les éléments combustibles usés sont stockés pour décroissance soit dans ces cuves soit dans des emplacements autour du coeur parmi les éléments 10 de remplissage. La Figure 3 montre une répartition des cuves auxiliaires (échangeurs intermédiaires, générateurs de vapeur, stockages) dans le caisson 1 autour de la cuve réacteur. Chaque cuve 65 de stockage est pourvue d'un bras de manutention 24 analogue aux bras 19 inclus dans la cuve réacteur et d'un accès non figuré à une manutention externe. Le trajet est inverse pour l'introduction d'un élément. REVENDICATIONS 1. Ensemble de cuves pour un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide, caractérisé en ce que ces cuves sont placées chacune dans un puits d'un caisson général 1 en béton inséré dans le sol. 2. Ensemble selon R1, caractérisé en ce qu'au moins une cuve de forme cylindrique repose sur le fond 3 du puits correspondant en demeurant ouverte au sommet dans ce puits, lui-même fermé au sommet, et en ce qu'une circulation de gaz inerte, ascendante autour de la cuve, rejoint au sommet l'espace central 7 surmontant le métal liquide, avant évacuation. 3. Ensemble selon R1 ou R2, caractérisé en ce qu'au moins la cuve 2 contenant le réacteur est lo du type à fond froid 3 posé sur le béton, et en ce que le sommier 8 du réacteur nucléaire, alimentant sous pression de sodium les éléments combustibles, est supporté par au moins une virole cylindrique 11 reposant sur le fond froid et se trouve relié à au moins une pompe 28 dans une autre cuve par une canalisation en U traversant les deux fonds des puits en béton, le segment vertical 15 côté réacteur étant entouré par un tube 36 ancré dans le béton, se isù raccordant en bas à la canalisation par un soufflet 40 et débouchant dans une cloche 43 sous le sommier, l'espace annulaire étant alimenté en gaz et le niveau de sodium dans la cloche étant régularisé. 4. Ensemble selon R1, R2 ou R3, caractérisé en ce qu'une paroi cylindrique de doublage 17 est implantée à l'intérieur d'une cuve jusqu'au niveau supérieur de sodium, isolant une couche .le) de sodium sensiblement stagnant destiné à amortir les sollicitations thermiques sur la cuve. 5. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une cuve 26 est du type à fond chaud supportée sur le béton par une paroi cylindrique en acier. 6. Ensemble selon R5, caractérisé en ce que dans cette cuve une pompe 28 suspendue par le couvercle du puits aspire le sodium provenant de la base d'un échangeur, la canalisation 2sùverticale de refoulement s'encastrant dans une canalisation 35 vers le bas pouvant constituer le premier segment vertical de la canalisation en U mentionnée en R3. 7. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tuyauteries 25 entre deux cuves comportent des parties flexibles et extensibles 27 du type "soufflet". 8. Ensemble selon R7, caractérisé en ce que des tuyauteries à soufflet sont bridées aux parois 2â des deux cuves 2 côté réacteur et 26 côté échangeur, les boulons étant accessibles par l'intérieur depuis la cuve 26 pour permettre le changement de soufflet, et un tube de profilage interne 29 formé de deux parties coulissantes étant vissé avec jeu sur la paroi de doublage côté réacteur et sur la paroi de cuve d'échangeur, pour permettre les débattements dus aux dilatations. 9. Ensemble selon R3, caractérisé en ce que le soufflet 40 sur le segment vertical 15 côté réacteur est bridé en haut sur le tube 36 ancré dans le béton et en bas sur un tronçon 38 en U, qui reçoit de manière concentrique les brides du segment vertical et du soufflet. 10. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que d'autres liaisons à soufflets, comportant des tubes de profilage selon R7 mais implantées au dessus descouvercles de puits, conduisent des débits de sodium secondaire entre des échangeurs intermédiaires et des générateurs de vapeur. 11. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une pompe pour le sodium primaire est englobée dans une cuve d'échangeur intermédiaire. 12. Ensemble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une pompe pour le sodium secondaire est englobée dans une cuve de générateur de vapeur.