[0001] L'invention concerne un générateur de vapeur pour un réacteur nucléaire refroidi
par du métal liquide, tel qu'un réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi par
du sodium.
[0002] Un tel réacteur comporte une cuve renfermant le coeur du réacteur constitué par des
assemblages combustibles plongés dans du sodium liquide remplissant la cuve dit sodium
primaire.
[0003] La chaleur prélevée dans le coeur du réacteur par le sodium primaire qui vient en
contact direct avec les assemblages combustibles est utilisée pour vaporiser de l'eau
alimentaire, la vapeur étant ensuite envoyée à la turbine de la centrale nucléaire.
Pour éviter tout contact entre le sodium primaire radio-actif et l'eau, le transfert
de chaleur entre ce sodium et l'eau alimentaire peut se faire en utilisant un fluide
d'échange intermédiaire qui est souvent du sodium liquide dit sodium secondaire.
[0004] Le sodium primaire venant en contact avec le coeur du réacteur élève la température
du sodium secondaire dans des échangeurs de chaleur sodium-sodium appelés échangeurs
intermédiaires.
[0005] Le sodium secondaire est ensuite utilisé pour vaporiser l'eau alimentaire à l'intérieur
de générateurs de vapeur.
[0006] Le réacteur nucléaire comporte donc en général un circuit secondaire comportant au
moins un échangeur intermédiaire, une pompe, un générateur de vapeur des tuyauteries
et des appareils divers de contrôle.
[0007] Ce circuit secondaire est donc complexe et coûteux, qu'il soit partiellement intégré
à la cuve du réacteur ou qu'il soit entièrement disposé à l'extérieur de cette cuve.
[0008] Le circuit intermédiaire permet d'éviter des échanges de chaleur directs entre le
sodium primaire contaminé par des produits radio-actifs et l'eau alimentaire. En cas
de fuite dans la paroi du dispositif d'échange de chaleur, le sodium et l'eau peuvent
venir en contact, ce qui provoque l'apparition d'une réaction chimique violente qui
peut éventuellement conduire à une rupture d'étanchéité du sodium vers l'extérieur.
[0009] ' Dans le cas d'utilisation de sodium secondaire propre, on évite une libération de
sodium radio-actif.
[0010] Pour simplifier les dispositifs d'échange de chaleur associés aux réacteurs refroidis
par du métal liquide, et se prémunir contre toute réaction entre le sodium actif et
l'eau, il est nécessaire de rétablir une double séparation entre les deux fluides.
Pour celà, on a proposé d'utiliser des générateurs de vapeur d'un type spécial comportant
des tubes d'échange de chaleur à double paroi, avec interposition d'un fluide d'échange
qui peut être du sodium liquide entre les deux parois du tube.
[0011] On a proposé également, dans le cas de tubes à double paroi constitués par un tube
interne et un tube externe enfilés l'un sur l'autre, de remplir l'espace de faible
dimension subsistant entre les tubes par un gaz neutre tel que l'hélium sous pression.
[0012] Les espaces entre tubes interne et externe constituant les tubes à double paroi sont
mis en communication avec un espace de contrôle de fuite permettant de détecter, par
exemple par mesure de pression, une fuite éventuelle dans la paroi de l'un des tubes,
pendant le fonctionnement du générateur de vapeur.
[0013] Le générateur de vapeur est constitué par un faisceau de tubes contenus dans une
enveloppe, chacun des tubes internes des tubes à double paroi étant mis en communication
à l'une de ses extrémités avec un système de distribution de l'eau et à son autre
extrémité avec un système de collectage de la vapeur.
[0014] Le sodium liquide échauffé au contact du coeur du réacteur est amené dans l'enveloppe
du générateur de vapeur, à sa partie supérieure, et s'écoule dans cette enveloppe
de haut en bas en contact avec les tubes externes des tubes à double paroi constituant
le faisceau.
[0015] Il existe une différence de pression entre le sodium primaire s'écoulant en contact
avec la surface externe des tubes et l'eau ou la vapeur circulant à l'intérieur des
tubes du faisceau. L'hélium remplissant les espaces de contrôle de fuite est à une
pression intermédiaire entre ces deux pressions.
[0016] Toute fuite à travers le tube interne ou à travers le tube externe constituant le
tube à double paroi se traduit par une modification de pression dans l'espace de contrôle
de fuite.
[0017] Dans les dispositifs de l'art antérieur, décrits par exemple dans les brevets français
2.371.655 et 2.379.881, on prévoit des espaces de contrôle de fuite à chacune des
extrémités du générateur de vapeur, à proximité des collecteurs d'eau et de vapeur.
Ceci oblige à prévoir des plaques tubulaires doubles qui nécessitent de nombreuses
soudures dans une zone fortement sollicitée, en particulier par des contraintes thermiques.
[0018] D'autre part, pour des générateurs de vapeur de grande puissance, il est nécessaire
d'utiliser des tubes à double paroi de très grande longueur éventuellement enroulés
pour constituer des faisceaux de longueur acceptable.
[0019] Il n'est généralement pas possible de produire des tubes à double paroi d'une longueur
suffisante et il est donc nécessaire de raccorder bout à bout plusieurs tronçons de
tubes à double paroi. Ce raccordement bout à bout ne peut se faire bien entendu que
pour le tube interne, dans une zone où celui-ci n'est pas protégé par le tube périphérique.
Ces portions de tube simple intercalées entre deux portions de tube à double paroi
doivent être disposées dans le générateur de vapeur de façon à ne pas venir en contact
avec le sodium liquide.
[0020] On prévoit pour celà des chambres annulaires disposées à l'extérieur de l'enveloppe
du générateur de vapeur, dans lesquelles passent les portions de tubes internes permettant
le raccord des tubes à double paroi, par des traversées étanches dans l'enveloppe
du générateur de vapeur.
[0021] Un tel dispositif est complexe et demande des opératioûs de fabrication particulières
difficiles à mettre en oeuvre.
[0022] Le but de l'invention est donc de proposer un générateur de vapeur pour un réacteur
nucléaire refroidi par du métal liquide comportant une enveloppe de forme générale
cylindrique disposée avec son axe vertical, renfermant un faisceau de tubes à double
paroi constitués chacun par deux tubes coaxiaux dont un tube interne communiquant
à l'une de ses extrémités avec un dispositif de distribution d'eau ou collecteur et
à son autre extrémité avec un collecteur de vapeur et un tube externe en contact par
sa paroi externe avec le métal liquide circulant de bas en haut dans l'enveloppe du
générateur de vapeur, ce générateur de vapeur ne comportant pas de pla
- que tubulaire double ni de chambre de raccordement des tubes à l'extérieur de son
enveloppe et permettant une détection très sensible et très sûre des fuites éventuelles
des tubes à double paroi-, tout en étant d'une conception permettant une construction
simplifiée et relativement peu coûteuse.
[0023] Dans ce but, le faisceau est constitué par des tubes sensiblement droits dirigés
suivant la direction axiale de l'enveloppe du générateur de vapeur formés chacun d'au
moins deux tronçons successifs dans la direction axiale comportant chacun :
- un tube externe soudé à l'une de ses extrémités au moins à la paroi d'une chambre
collectrice de fuite disposée entièrement à l'intérieur de l'enveloppe du générateur
de vapeur dans une zone éloignée de ses extrémités, traversant cette paroi et n'étant
pas relié au tube externe du tronçon adjacent soudé à la même chambre collectrice,
- et un tube interne soudé au tube interne du tronçon adjacent, la soudure de raccord
étant placée à l'intérieur de la chambre collectrice,
- l'espace de fuite de très faible largeur entre les parois en vis-à-vis des tubes
interne et externe d'un tronçon de tube quelconque étant uniquement en communication
avec l'espace intérieur d'au moins une chambre collectrice.
[0024] Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple
non limitatif, un mode de réalisation d'un générateur de vapeur suivant l'invention
associé à un réacteur nucléaire à neutrons
ra-pides refroidi par du sodium liquide.
[0025]
La figure 1 représente, dans une vue en coupe par un plan vertical, un générateur
de vapeur suivant l'invention.
La figure 2 représente une vue très agrandie des zones de raccord des tubes du faisceau
avec les plaques tubulaires et avec la chambre collectrice de fuite du générateur
représenté à la figure 1.
La figure 3 représente une première variante de réalisation d'un collecteur d'un générateur
suivant l'invention.
La figure 4 représente, dans une vue très agrandie, le détail A de la figure 3.
La figure 5 représente une seconde variante de réalisation d'un collecteur d'un générateur
de vapeur suivant l'invention.
La figure 6 représente le détail B de la figure 5, très agrandi.
[0026] Sur la figure 1, on voit l'enveloppe d'un générateur de vapeur 1 constituée par une
enveloppe de faisceau la cylindrique sur la plus grande hauteur du générateur de vapeur
et par deux zones élargies, également de forme cylindrique, 2 et 3 à chacune des extrémités
du faisceau. L'enveloppe 1 comporte également une,zone centrale élargie 4 de forme
torique.
[0027] La zone élargie supérieure 3 communique avec l'entrée de sodium 5 dans le générateur
de vapeur et la zone élargie inférieure 2 communique avec la sortie de sodium 6. Entre
ces deux extrémités, le sodium circule de haut en bas en contact avec les tubes du
faisceau 10 disposés à l'intérieur de l'enveloppe de faisceau la-sur toute la hauteur
de l'enveloppe du générateur de vapeur.
[0028] A sa partie inférieure, l'enveloppe 1 est reliée à une plaque tubulaire 11 solidaire
d'un collecteur d' eau 12 alimenté en eau par une tubulure 13.
[0029] A sa partie supérieure, l'enveloppe 1 est reliée à une plaque tubulaire 14 solidaire
d'un collecteur de vapeur 15 comportant une tubulure de sortie 16.
[0030] Les collecteurs d'eau 12 et de vapeur 15 sont de forme hémisphérique.
[0031] Les plaques tubulaires 11 et 14 sont traversées par les tubes du faisceau 10 à l'intérieur
desquels circule l'eau alimentaire apportée par la tubulure 13 du collecteur d'eau
12, cette eau alimentaire se vaporisant progressivement au cours de sa circulation
de bas en haut à l'intérieur des tubes du faisceau en contact thermique avec le sodium
chaud arrivant dans le générateur de vapeur par la tubulure d'entrée de sodium 5.
[0032] Le faisceau de très grande hauteur est constitué par des tubes sensiblement droits
et parallèles dont l'espacement est maintenu par des plaques entretoises telles que
18 et 19. A chacune des extrémités du faisceau à l'intérieur des zones élargies 2
et 3 sont disposés des écrans thermiques 21 et 22 respectivement protégeant les plaques
tubulaires contre le flux thermique provenant du sodium.
[0033] A la partie centrale du faisceau 10 est disposée une chambre de détection de fuite
25 dont la structure sera décrite plus en détail en se référant à la figure 2. Le
volume interne de cette chambre collectrice et détectrice de fuite est relié par un
tube 26 traversant l'enveloppe 1 au niveau de l'élargissement torique 4 à un appareil
de mesure de pression.
[0034] En se reportant à la figure 2, on voit que les tubes 20 du faisceau sont à double
paroi et constitués par deux tronçons 20a et 20
b successifs reliés au niveau de la chambre collectrice de fuite 25.
[0035] Le tronçon supérieur 20a du tube 20 est lui-même constitué par un tube externe 27a
et un tube interne 28a coaxiaux et enfilés l'un sur l'autre avec un très faible jeu,
sans liaison métallurgique entre la surface interne du tube 27a et la surface externe
du tube 28g. Un espace de très faible largeur existe donc entre les tubes sur toute
la longueur du tronçon 2
0a.
[0036] La surface interne du tube 27a est également usinée pour y constituer des rainures
longitudinales permettant une mise en pression de gaz de l'espace compris entre les
deux tubes.
[0037] Le tronçon inférieur 20
b du tube 20 est également constitué par un tube externe 27
b et un tube interne 28
b identiques respectivement aux tubes 27a et 28a.
[0038] Le tronçon supérieur 20a du tube traverse la plaque tubulaire 14 à sa partie supérieure
de façon que le tube intérieur 28a débouche dans le collecteur de vapeur 15. Une soudure
29 à l'intérieur du collecteur 15, sur la face de sortie de la plaque tubulaire 14,
permet de fermer de façon hermétique l'espace entre les tubes 27a et 28a.
[0039] De la même façon, le tronçon inférieur 20
b du tube traverse à sa partie inférieure la plaque tubulaire 11, de façon que le tube
intérieur 28
b débouche dans le collecteur d'eau 12. Une soudure 30 sur la face d'entrée de la plaque
tubulaire 11 permet de fermer hermétiquement l'espace de fuite entre les tubes 28
b et 27
b.
[0040] Les tubes extérieurs 20a et 20
b sont également fixés par des soudures sur les autres faces des plaques tubulaires
11 et 14.
[0041] La chambre collectrice de fuite 25 est constituée par deux plaques circulaires 25a
et 25
b comportant un bord torique suivant lequel on les raccorde par une soudure 32.
[0042] Chacune des demi-parois 25a et 25
b comporte un grand nombre de traversées de tube telles que 34a et 34
b permettant le passage des tronçons 20a et 20
b du tube 20 respectivement.
[0043] On voit que le tube externe du tube à double paroi est fixé par soudure sur chacune
des traversées 34.
[0044] A l'intérieur de la chambre collectrice de fuite 25, les deux tronçons 28a et 28
b du tube interne sont raccordés par une soudure 35. En revanche, les deux tronçons
du tube externe 27a et 27
b ne sont pas raccordés et débouchent simplement dans le volume intérieur de la boite
collectrice de fuite 25, de part et d'autre de la soudure de raccord 35 entre les
deux tronçons du tube interne 28.
[0045] Tous les espaces entre les tubes internes et externes des tubes à double paroi 20,
sont en communication avec le volume interne de cette chambre collectrice de fuite.
[0046] La chambre col-lectrice de fuite 25 est disposée entièrement à l'intérieur de l'enveloppe
1-du générateur de vapeur, au niveau de l'élargissement torique 4. Cette chambre collectrice
25 n'est fixée à l'intérieur du générateur de vapeur que par les tubes à double paroi
20 sur lesquels elle est soudée.
[0047] Le volume intérieur de la chambre 25 et l'ensemble des espaces entre les deux parois
des tubes 20 sont remplis par de l'hélium à une pression intermédiaire entre la pression
du sodium en circulation dans le générateur de vapeur en contact avec la paroi externe
des tubes 20 et l'eau ou la vapeur en circulation à l'intérieur des tubes 28.
[0048] Dans le cas d'une fuite provoquée par une fissuration d'un des tubes 27 ou 28 constituant
les tubes double paroi 20, il se produit donc une élévation de pression ou une chute
de pression dans le volume interne de la boite collectrice 25 qui peut être enregistrée
par le dispositif manométrique relié au tube 26, à l'extérieur de l'enveloppe 1. Toute
fuite à travers l'un des tubes 27 ou 28 des tubes à double paroi 20 est donc ainsi
détectée.
[0049] Sur les figures 3 et 4, on a représenté une variante de réalisation du collecteur
d'eau ou de vapeur 15 représenté à la figure 1.
[0050] Ce collecteur de vapeur est constitué par une plaque tubulaire 44 dont la face interne
à une forme sphérique concave et une enveloppe en forme de portion de sphère 45 venant
se raccorder par une soudure 46 à la plaque tubulaire 44.
[0051] A sa partie supérieure, l'enveloppe sphérique 45 est reliée à une tubulure de sortie
de vapeur 47. La plaque tubulaire 44 est reliée à la zone élargie 43 de l'enveloppe
du générateur correspondant à la partie élargie 2 ou 3 représentée à la figure 1.
[0052] Sur la figure 4, on voit que le tube extérieur 27 d'un tube à double paroi 20 est
soudé à la face côté sodium 48 et à l'intérieur du trou de passage 49 traversant la
plaque tubulaire 44, cependant que le tube intérieur 28 est soudé à l'intérieur du
tube extérieur 27, ce qui assure sa fixation et la fermeture de l'espace de fuite
entre les deux tubes 27 et 28.
[0053] Sur les figures 5 et 6, on voit une seconde variante de réalisation des collecteurs
d'eau ou de vapeur, le collecteur étant constitué, dans cette variante, par une enveloppe
sphérique de grande épaisseur 50 totalement séparée de l'enveloppe 1 du générateur
de vapeur. L'enveloppe 1 est soudée à sa partie supérieure ou inférieure à une plaque
tubulaire 52 permettant la traversée des tubes à double paroi 20 pour leur passage
à l'extérieur du générateur de vapeur.
[0054] Sur la. figure 6, on voit que le tube extérieur 27 est fixé par soudure sur la face
d'entrée 'de la plaque tubulaire 52 et que les tubes externe 27 et interne 28 sont
fixés l'un à l'autre par une soudure 53 qui permet
'également la fermeture de l'espace de fuite entre les tubes 27 et 28, la soudure 53
étant à l'extérieur de l'enveloppe du générateur de vapeur.
[0055] Seuls les tubes internes 28 sont reliés au collecteur 50.
[0056] On voit que les principaux avantages du dispositif suivant l'invention sont de permettre
une détection de fuite des tubes à double paroi grâce à un dispositif simple, distinct
et éloigné des plaques tubulaires des collecteurs d'eau et de vapeur du générateur
de vapeur. On ne se trouve donc pas en présence d'une concentration de soudure importante
dans la zone des plaques tubulaires.
[0057] D'autre part, les chambres de détection de fuite permettent le raccord des tronçons
successifs du faisceau tubulaire, à l'intérieur de L'enveloppe du générateur de vapeur
mais dans une zone isolée du sodium liquide.
[0058] La strueture d'ensemble du générateur de vapeur est extrêmement simple puisque celui-ci
ne comporte que des tubes droits constitués par des tronçons successifs dont le raccord
se fait à l'intérieur de la chambre de iétection de fuite. Cette chambre de détection
de fuite fait d'ailleurs partie pratiquement de la structure du faisceau et ne comporte
aucune liaison avec l'enveloppe du générateur de vapeur.
[0059] Il est possible de choisir pour les tubes interne et externe des tubes à double paroi
des nuances d'acier différentes, dont l'une présentant une bonne résistance au sodium
liquide et l'autre une résistance accrue à l'eau à haute température ou à la vapeur.
On choisira par exemple un acier inoxydable austénitique pour constituer le tube externe
et un acier inoxydable ferritique pour constituer le tube interne. Ces deux nuances
d'acier doivent bien entendu avoir des coefficients de dilatation pas trop éloignés
pour la zone de température de fonctionnement du générateur de vapeur.
[0060] On pourra également choisir des nuances d'acier différentes pour constituer les tronçons
28a et 28
b du tube intérieur, en choisissant une nuance adaptée à la vapeur pour le tronçon
supérieur 28a et une nuance adaptée à l'eau pour la partie 28b.
[0061] Mais l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits ;
elle en comporte au contraire toutes les variantes.
[0062] C'est ainsi que le faisceau peut être constitué par plus de deux tronçons successifs.
Par exemple, dans le cas d''un faisceau constitué par trois tronçons successifs, les
tubes du tronçon central seront reliés à chacune de leurs extrémités à une chambre
collectrice de fuite.
[0063] De manière générale, dans le cas de n tronçons successifs, on utilisera n - 1 chambres
collectrices de fuite disposées à l'intérieur de l'enveloppe du générateur de vapeur.
[0064] A chacune de ces chambres collectrices de fuite sera associé un dispositif manométrique
permettant la surveillance des tronçons de tube correspondants. On pourra ainsi avoir
des données redondantes pour certains tronçons reliés à deux chambres successives
par chacune de leurs extrémités.
[0065] Dans le cas de plusieurs tronçons successifs, comme il a été décrit plus haut, les
nuances d'acier choisies pour la constitution des tubes peuvent être différentes.
[0066] La forme et la disposition des chambres collectrices de fuite peuvent être différentes
de ce qui a été décrit. Dans l'exemple de réalisation, on a prévu une partie élargie
torique de l'enveloppe pour permettre la circulation du sodium autour de la chambre
collectrice de fuite. La circulation du sodium au niveau de la face supérieure de
cette chambre collectrice de fuite devient radiale, ce qui est favorable puisque le
balayage de la face supérieure de la chambre de détection de fuite évite tout dépôt
d'impuretés.
[0067] D'autre part, la portion torique élargie 4 de l'enveloppe permet des déformations
longitudinales de celle-ci permettant d'absorber les dilatations thermiques différentielles.
Ceci est particulièrement important dans le cas de structures de très grande hauteur
nécessaires pour la constitution de générateurs de grande puissance.
[0068] Cependant, la ou les chambres collectrices de fuite et l'enveloppe peuvent avoir
des formes différentes de celles qui ont été décrites.
[0069] Les collecteurs d'eau et de vapeur peuvent avoir une forme non seulement sphérique
mais encore torique ou cylindrique, lorsqu'ils sont totalement indépendants de l'enveloppe
(1) du générateur de vapeur et disposés comme représenté à la figure 5.
[0070] Enfin, le générateur de vapeur suivant l'invention peut être associé à tous les réacteurs
nucléaires à neutrons rapides refroidis par un métal liquide qu'ils soient du type
semi-intégré ou à boucles.
1.- Générateur de vapeur pour un réacteur nucléaire refroidi par du métal liquide
comportant une enveloppe (1) de forme générale cylindrique, disposée avec son axe
vertical, renfermant un faisceau de tubes (10) à double paroi constitués chacun par
deux tubes coaxiaux (27, 28) dont un tube interne (28), communiquant à l'une de ses
extrémités avec un dispositif de distribution d'eau (12) ou collecteur et à son autre
extrémité avec un collecteur de vapeur (15) et un tube externe (27) en contact par
sa paroi externe avec le métal liquide circulant de haut en bas dans l'enveloppe (1)
du générateur de vapeur, caractérisé par le fait que le faisceau (10) est constitué
par des tubes (20) sensiblement droits dirigés suivant la direction axiale de l'enveloppe
(1) du générateur de vapeur formés chacun d'au moins deux tronçons successifs (20a
et 20
b) dans la direction axiale comportant chacun :
- un tube externe (27a ou 27b) soudé à l'une de ses extrémités au moins à la paroi d'une chambre collectrice de
fuite (25) disposée entièrement à l'intérieur de l'enveloppe (1) du générateur de
vapeur en une zone éloignée de ses extrémités, traversant cette paroi et n'étant pas
relié au tube externe du tronçon adjacent (27a, ou 27b) soudé à la même chambre collectrice (25),
- et un tube interne (28a ou 28b) soudé au tube interne du tronçon adjacent (28a ou 28b), la soudure de raccord (35) étant placée à l'intérieur de la chambre collectrice
(25),
l'espace de fuite de faible largeur entre les parois en vis-à-vis des tubes interne
et externe (27 et 28) d'un tronçon de tube quelconque (20a ou 20b) étant uniquement en communication avec l'espace intérieur d'au moins une chambre
collectrice (25).
2.- Générateur de vapeur suivant la revendication (1), caractérisé par le fait que
la chambre collectrice de fuite (25) est reliée uniquement aux tubes (20) du faisceau
(10) et ne comporte aucun point de contact avec l'enveloppe (1) du générateur de vapeur.
3.- Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé
par le fait que l'enveloppe (1) comporte dans au moins une zone éloignée de ses extrémités,
au moins un élargissement (4) à l'intérieur duquel est disposée une boite collectrice
(25).
4.- Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé
par le fait que les tubes internes (28) d'une part et les tubes externes (27) d'autre
part constituant les tubes à double paroi sont en des nuances d'acier différentes.
5.- Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé
par le fait que les tronçons (28a, 28b) successifs constituant le tube interne (28) des tubes à double paroi (20) sont constitués
par des nuances d'acier différentes.
6.- Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 et
5, caractérisé par le fait que l'un au moins des collecteurs d'eau et de vapeur (45)
est constitué par une plaque tubulaire (44) fermant une des extrémités du générateur
de vapeur et par une paroi complémentaire (45).
7.- Générateur de vapeur suivant l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 et
5, caractérisé par le fait que l'un au moins des collecteurs d'eau et de vapeur (50)
est totalement indépendant de l'enveloppe (1) du générateur de vapeur et que seuls
les tubes internes (28) des tubes à double paroi sont.ré- liés à ce collecteur (50).