Réacteur nucléaire à modérateur et réfrigérant liquides
Il est bien connu que parmi les réacteurs à neutrons thermiques, ceux qui permettent d'utiliser au mieux l'uranium sont ceux qui sont modérés par un fluide de refroidissement tel que l'eau lourde, l'eau légère, un gaz ou un liquide organique, et cela grâce aux excellentes qualités neutroniques de ces modérateurs.
Toutefois, il semble bien que dans l'état actuel des matériaux de gainage des éléments de combustible, le refroidissement par l'eau lourde conduit au meilleur bilan neutronique possible, associé à de bonnes performances et permet en particulier un taux de combustion très intéressant en uranium naturel.
Dans de tels réacteurs, la puissance peut être extraite par de l'eau lourde, pressurisée ou bouillante.
Comme la quantité de liquide souhaitable pour assurer le refroidissement est très inférieure à celle exigée pour la modération, des structures doivent être introduites dans le coeur pour définir les canaux de combustible.
La pression est alors supportée soit par les tubes qui délimitent les canaux d'éléments de combustible, soit par l'enceinte contenant le modérateur et les canaux à combustible.
La première solution - à tubes de force - permet l'extrapolation à des réacteurs de grandes tailles: cependant on sait que le problème de la tenue à long terme des tubes de force n'est pas encore résolu de façon satisfaisante.
La seconde solution consiste à maintenir les efforts de pression par une cuve résistante ou caisson. Dans le cas d'un réacteur modéré à l'eau lourde la température du modérateur est assez voisine de celle du fluide de refroidissement. Par ailleurs, la perte neutronique due à la diminution de la densité du modérateur est pratiquement compensée par la réduction des structures du canal. Le tube de force et l'isolement thermique sont remplacés par un simple tube de calandre qui n'est soumis qu'à de faibles efforts mécaniques. En outre, on récupère entièrement l'énergie dégagée dans le modérateur (au minimum 9 O/o) par ralentissement des neutrons, interaction des gamma et fuites à travers l'isolement thermique.
La présente invention concerne une disposition particuIière d'un tel réacteur.
Elle a pour objet un réacteur nucléaire à modérateur et réfrigérant liquides comportant à l'intérieur d'un caisson de résistance à la pression revêtu d'une peau d'étanchéité, une cuve de modérateur liquide reliée, par une plaque tubulaire de support des canaux d'éléments de combustible, à une chambre supérieure de vapeur et formant avec elle une enceinte fermée entourant le coeur du réacteur et délimitant avec le caisson un espace intermédiaire rempli par un fluide de refroidissement et d'absorption neutronique totalement isolé des liquides modérateur et réfrigérant, caractérisé en ce qu'il comporte dans l'espace intermédiaire, des piliers verticaux reposant sur le fond du caisson et supportant des leviers coudés fixés à la partie médiane de la chambre de vapeur au dessus d'une portion souple de la paroi de celle-ci, et formant points d'appui pour la base de ladite chambre de vapeur,
l'un de ces leviers étant fixés rigidement sur l'un des piliers tandis que chacun des autres leviers repose par l'intermédiaire d'une rotule sur l'un des autres piliers.
L'enceinte intérieure peut ainsi se dilater librement sous l'effet de la chaleur, à partir d'un point fixe constitué par la fixation rigide de l'un des piliers et de l'un des bras de support. Par ailleurs, un premier équilibrage des pressions dans l'enceinte et dans l'espace intermédiaire est automatiquement effectuée par la paroi souple. D'autres dispositifs d'équilibrage signalant instantanément toute fuite de fluide vers le béton peuvent être montés à l'extérieur dans une salle périphérique par exemple.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple une forme de réalisation de l'invention:
La fig. 1 est une vue en coupe axiale du caisson du réacteur nucléaire.
La fig. 2 est une vue schématique également en coupe de l'ensemble du réacteur.
Comme le montrent ces dessins, le réacteur comporte un caisson 1 entourant le coeur du réacteur et destiné à résister à la pression régnant autour de celuici, et, autour de ce caisson, une salle périphérique 2 (fig. 2) protégée contre les rayonnements radioactifs et maintenue à une pression nettement inférieure à celle qui règne autour du coeur. Dans cette salle sont placés les dispositifs d'échange de chaleur 3 et les organes de commande du circuit d'extraction de chaleur, et débouchent de préférence les passages et traversées de canalisation, tuyauteries, instruments et autres de façon qu'elle entoure tous les points singuliers traversant le béton. Cette salle est d'ailleurs aménagée pour une éventuelle contamination.
Le caisson 1 est réalisé en béton maintenu en précontrainte par des câbles longitudinaux 4, des cercles circonférenciels 5 et des câbles de renforcement de la précontrainte des extrémités 6. Certains d'entre eux, au moins ceux qui traversent le fond inférieur, ne sont pas injectés pour permettre une instrumentation des forces en cours d'exploitation.
Ce caisson est percé à chacune de ses extrémités d'un trou d'homme 8 et il est recouvert intérieurement d'une peau d'étanchéité 10 ancrée dans le béton. Il est froid et la température des surfaces intérieure et extérieure est soigneusement surveillée afin de limiter au maximum tout gradient thermique qui augmente de façon très appréciable les contraintes internes du béton. Pour des raisons de clarté des figures les moyens de refroidissement et d'isotherme n'ont pas été indiqués.
A l'intérieur du caisson 1, une enceinte métallique 12 (fig. 1) délimite avec de la peau d'étanchéité 10 un espace intermédiaire 14, complètement séparé du coeur du réacteur et rempli d'un fluide de refroidissement et d'absorption neutronique tel que de l'eau légère.
L'enceinte métallique 12 comporte une partie inférieure 13 formant cuve de modérateur liquide, par exemple de l'eau lourde, et traversée par des canaux longitudinaux 16 contenant les éléments de combustible, qui sont fixés à leur partie supérieure sur des fourreaux 17 soudés dans une structure tubulaire 18 qui forme la partie supérieure de la cuve 13 d'une part et le fond d'une chambre supérieure 20 d'autre part.
Entre les fourreaux circule un fluide de refroidissement qui est de préférence l'eau légère contenue dans l'espace 14.
Les canaux 16 sont parcourus par un liquide réfrigérant, de préférence de l'eau lourde, qui, sous l'effet de la chaleur régnant dans le coeur du réacteur, se vaporise dans la chambre 20.
Cette chambre de vapeur 20 comporte au-dessus de la plaque tubulaire 18 une partie souple dans laquelle sont fixés tous les conduits de passage et particulièrement les conduits 23 d'entrée et de sortie du fluide d'extraction de chaleur c'est-à-dire de l'eau lourde.
Devant l'entrée des tubes 23, à l'intérieur de la chambre 20, peuvent être montés des moyens de déviation de la vapeur et de séchage de celle-ci qui n'ont pas été représentés pour ne pas encombrer le dessin.
Les conduits 23 traversent la paroi de béton du caisson 1 pour être reliés aux échangeurs 3 montés dans la salle 2.
La totalité de la paroi extérieure de l'enceinte 12 est revêtue d'un calorifuge 26 tandis que, autour de la cuve 13, un blindage 28 protecteur est intercalé entre ce calorifuge et la cuve elle-même. La combinaison de ce blindage avec le fluide contenu dans l'espace 14 et le béton assure une protection efficace de la salle périphérique.
La partie supérieure de la chambre de vapeur 20 peut être fermée par un couvercle soudé après introduction des divers organes dans l'enceinte intérieure et notamment après mise en place d'un dispositif 30 de remplacement des éléments combustibles destiné à la manipulation de ceux-ci entre les canaux 16 et un puits de déchargement 32 fixé parallèlemt à la cuve 13 dans la plaque tubulaire 18 et prolongé, au-delà de cette cuve, dans la paroi inférieure du caisson pour déboucher en-dessous de celui-ci.
Des rails d'appui peuvent également être fixés aux parois de la chambre 20 pour permettre le déplacement des différents organes.
En dessous de la cuve 13, un épaulement du caisson supporte des piliers verticaux 34 tandis que sur la paroi de la chambre 20 sont fixés des leviers coudés 36 reposant sur ces piliers. Chacun des leviers 36 a son extrémité supérieure fixée rigidement sur la paroi de ladite chambre 20 au-dessus de la partie souple 22 tandis que son extrémité inférieure forme point d'appui pour la partie inférieure de ladite chambre de vapeur c'est-à-dire la plaque supérieure de la structure tubulaire 18.
L'un 36a des leviers 36 est fixé rigidement sur le pilier 34a correspondant, tandis que les autres leviers 36 sont simplement posés sur des rotules 38 portées par les piliers 34. Le pilier 34a est de préférence celui le plus voisin du puits de déchargement 32.
L'ensemble de l'enceinte métallique 12 est ainsi soutenue par l'intermédiaire de la structure tubulaire 18 qui repose sur les leviers 36 et par suite sur les piliers 34. Toutefois seul l'un des leviers étant lié rigidement au pilier correspondant, les dilatations circonférentielles de l'enceinte, sous l'effet de la chaleur, peuvent s'effectuer librement à partir du point fixe ainsi formé. Par ailleurs la fixation des levriers 36 sur l'enceinte au-dessus de la partie souple 22 évite tout travail à celle-ci.
L'espace 14 est prolongé en-dessous de la cuve 13 par une chambre 40 dans laquelle est placé un dispositif 42 de commande des barres de contrôle 44 du réacteur, chambre 40 qui est fermée par le bouchon inférieur 8. Les opérations de maintenance de ce dispositif ainsi que celles du moteur 29 du dispositif 30 de remplacement des cartouches peuvent ainsi être effectuées, à l'arrêt du réacteur, en pénétrant dans l'espace 14. Par ailleurs ces organes moteurs placés das le fluide refroidisseur sont maintenus à une température modérée.
Dans un tel réacteur, la paroi de l'enceinte intérieure 12 n'est soumise à aucune pression notable, la pression du liquide de refroidissement dans l'espace 14 étant maintenue à une valeur analogue à celle qui règne à l'intérieur de l'enceinte 12.
Un premier équilibrage des pressions est d'ailleurs assuré par la paroi souple 22 qui se déforme sous Fac tion des différences de pression entre l'enceinte 12 et l'espace 14.
Toutefois pour maintenir l'équilibre et même l'égalité entre ces pressions, des récipients d'équilibrage 46 sont de préférence montés dans la salle 2; ces récipients comprennent deux compartiments 46a, 46b reliés respectivement à l'espace 14 et à la partie inférieure de la cuve 13 contenant l'eau lourde liquide, une membrane souple 48, en matière plastique par exemple, étant fixée de manière étanche aux parois du récipient, de façon à isoler complètement ces deux compartiments, mais à se déformer sous l'action des différentes de pression entre eux.
Une variation de pression dans l'un des espaces est ainsi immédiatement compensée dans l'autre par le déplacement de ladite menbrane 48. Le volume des compartiments est toutefois calculé de façon à tenir compte de la dilatation de l'eau légère, sous l'effet des variations de température.
Ces dispositifs d'équilibrage peuvent jouer une rôle de surveillance de la peau d'étanchéité 10 et compenser une très légère fuite sur celle-ci. En effet la chute de pression dans l'espace 14 qui résulte d'une telle fuite est immédiatement compensée par un déplacement de la membrane 48 provoquant une chute de pression dans l'enceinte 12.
Pour plus de sécurité, on monte de préférence plusieurs dispositifs d'équilibrage 46 en parallèle dans la salle 2.
Sous une différence de pression de 100 bars le débit de vapeur d'eau par cm2 d'ouverture est d'environ quatre tonnes à l'heure, dans les mêmes conditions le débit d'eau liquide est de 0,5 tonnes par minute.
La rupture de la peau d'étanchéité peut résulter d'un vice de conception (contraintes et fatigues locales mal évaluées par exemple), d'une faute de réalisation (mauvais appui sur le béton, tôle ou soudure de mauvaise qualité.. .), d'un incident d'exploitation (destruction locale de l'isolement thermique dans le cas des réacteurs construits à ce jour, obstruction du système de refroidissement de la peau d'étanchéite, corrosion de certaines zones particulières).
Sur toutes les parties courantes de la peau d'étanchéité ancrée et plaquée sur le béton précontraint, de telles ruptures ne devraient pas dépasser plusieurs dizaines de millimètres et seraient prises en compte par le moyen d'équilibrage décrit, pendant la durée nécessaire à la dépressurisation, après arrêt du réacteur par refroidissement de l'eau lourde sur les échangeur.
Par cxntre, il existe des points singuliers où la peau méttallique n'est pas en appui sur le béton (canalisation, traversées) et dans ce cas on peut envisager des accidents où l'on pourrait das ces endroits avoir des déchirures dépassant plusieurs centimètres carrés.
En sonséquence, il est nécessaire d'éliminer de la construction tout point singulier dont le mode de sollicitation en exploitation, la qualité de réalisation en chantier, les méthodes de fabrication, la surveillance en service ne purraient être garantis de façon satisfaisante; tous les points singuliers sont donc réunis dans la salle 2 qui est aménagée pour une éventuelle contamination en tritium et est équipée de moyens d'intervention à distance, facilement décontaminables.
Des plus, cette salle 2 contient de préférence un dispositif de sécurité agissant lors d'une chute de pression dans l'espace 14 correspondunt à une fuite important à travers la peau d'étanchéite 10 de façon à éviter une déformation trop importante de la paroi souple ou une rupture de l'enceinte 12. Ce dispositif comprend une conduite 50 branchée sur l'un des conduits 23 de liaison à échangeur de chaleur et terminée à l'intérieur de la salle 2 par une série de tubulures 52, de diamètres différents, fermées par des diaphragmes et placées au-dessus d'un récipient 54 entouré par un serpentin 56. Les tubulures 52 sont ouvertes en cas d'augmentation trop importante de pression à l'interieur de la chambre 20 et permettent l'évacuation de la vapeur d'eau lourde qui y est contenue, vapeur qui se condense, est refroidie et récupérée dans le récipient 54.
La commande des tubulures 52 peut être effectuée par tout moyen approprié et notamment par un système commandé par le dispositif d'équilibrage 46 lorsque celui-ci ne suffit plus à rétablir l'équilibre des pressions.
Pour plus de sécurité, la salle 2 elle-même est munie d'une conduite 60 de communication avec une piscine d'eau légère 62, conduite qui est fermée par un disque 64 susceptible de se rompre lorsque la pression dans ladite salle 2 dépasse une valeur déterminée.
La vapeur, est notamment la vapeur d'eau lourde, contenue das cette salle, est alors noyée dans la piscine et la caisson du réacteur protégé contre des surpressions trop anormales.