Générateur de vapeur pour réacteur refroidi par un métal liquide

Abstract

 L'invention concerne un générateur de vapeur servant à transférer à un circuit eau-vapeur de la chaleur véhiculée par un métal liquide.
Le générateur comporte un réservoir de vidange (126) suspendu directement à l'extrémité inférieure de l'enveloppe (110). Une tubulure de vidange (130) raccordée au fond (110b) de l'enveloppe est disposée à l'intérieur du réservoir et porte une membrane d'éclatement (132) à son extrémité. Cette membrane est placée derrière un regard démontable (142, 142') fixé au réservoir de vidange et autorisant son remplacement.
Application aux réacteurs nucléaires refroidis par un métal liquide.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un générateur de vapeur destiné notamment à assurer l'échange thermique entre le circuit secondaire et le circuit tertiaire d'un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide.

[0002] On sait que les réacteurs nucléaires à neutrons rapides comprennent au moins deux circuits de refroidissement successifs permettant d'acheminer une fraction aussi importante que possible de la chaleur dégagée par les éléments combustibles dans le coeur du réacteur jusqu'aux turbo-générateurs servant à transformer cette chaleur en énergie électrique. De façon plus précise, le métal liquide, généralement constitué par du sodium, circulant dans le circuit primaire achemine la chaleur dégagée dans le coeur jusqu'à des échangeurs de chaleur dans lesquels une partie de cette chaleur est transférée à un métal liquide, également constitué le plus souvent par du sodium, circulant dans le circuit secondaire. Ce circuit secondaire permet à son tour d'acheminer cette chaleur jusqu'à des générateurs de vapeur dans lesquels elle sert à vaporiser de l'eau circulant dans un circuit tertiaire. La vapeur ainsi formée entraîne les turbo-alternateurs qui sont également disposés dans le circuit tertiaire.

[0003] Les générateurs de vapeur servant à assurer l'échange thermique entre le fluide primaire et le fluide secondaire comprennent généralement une enveloppe cylindrique, d'axe vertical, dans laquelle le sodium du circuit secondaire circule entre des tubulures d'entrée et de sortie. Le sodium est ainsi en contact avec les tubes d'un faisceau de tubes disposé à l'intérieur de l'enveloppe et dans lequel circule l'eau du circuit tertiaire.

[0004] Un tel générateur de vapeur est représenté schématiquement à titre d'exemple sur la figure 1, sur laquelle on voit notamment l'enveloppe cylindrique 10, les tubulures d'entrée 12 du sodium secondaire situées de préférence à proximité de l'extrémité supérieure de l'enveloppe 10 et la tubulure de sortie 14 du sodium secondaire qui débouche ici dans le fond de l'enveloppe du générateur. Le sodium secondaire circule ainsi de haut en bas à l'intérieur de l'enveloppe 10, ce qui constitue le sens d'écoulement le plus favorable puisque la formation de vapeur dans les tubes 16 du faisceau de tubes également représenté sur la figure 1 impose pratiquement une circulation de l'eau du bas vers le haut à l'intérieur de ces tubes. Les tubes 16 traversent l'enveloppe 10 du générateur de vapeur pour déboucher, d'une part, dans un ou plusieurs collecteurs amont 18 disposés à proximité du fond de l'enveloppe 10, et, d'autre part, dans un ou plusieurs collecteurs aval 20 disposés légèrement en-dessous des tubulures d'entrée 12 du sodium secondaire. A l'intérieur de l'enveloppe 10, les tubes 16 sont enroulés en hélice autour d'un noyau central 22, de telle sorte qu'ils occupent l'espace annulaire défini entre ce noyau et l'enveloppe 10. Comme l'illustre également la figure 1, le noyau 22 se prolonge jusqu'à la tubulure de sortie 14 du sodium secondaire, de telle sorte que des passages 24 doivent être formés dans la partie inférieure du noyau 22 pour permettre l'écoulement du sodium secondaire depuis l'espace annulaire formé entre ce noyau et l'enveloppe 10 jusqu'à la tubulure de sortie 14.

[0005] On comprend aisément que dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides, les générateurs de vapeur constituent des composants particulièrement sensibles puisqu'il y circule à la fois du sodium liquide et de l'eau et que la multiplicité des tubes du faisceau nécessaire à l'efficacité de l'échange thermique accroît d'autant les risques d'une réaction sodium/eau à l'intérieur de l'enveloppe du générateur.

[0006] Pour tenir compte de ce risque, il est d'usage d'associer au générateur de vapeur une installation permettant de le vidanger rapidement lorsqu'une surpression due à une réaction sodium/eau apparaît dans le générateur. Actuellement, et comme l'illustre très schématiquement la figure 1, une telle installation comprend un réservoir de vidange annexe 26 reposant sur le sol 28 et une canalisation de gros diamètre 30 reliant le fond de l'enveloppe du générateur de vapeur au réservoir 26. Cette canalisation 30 est normalement obturée par au moins une membrane d'éclatement 32 sensible à la pression régnant dans le générateur, pour se rompre lorsque cette pression dépasse un seuil déterminé correspondant à l'apparition d'une réaction sodium/eau dans le générateur. De façon plus précise, on voit sur la figure 1 que la membrane d'éclatement 32 est disposée dans la tuyauterie 30 à poximité du fond de l'enveloppe 10. Dans ces installations existantes, le réservoir de vidange est de grande capacité et sert à stocker l'ensemble du sodium contenu dans le circuit secondaire.

[0007] Cette structure des installations actuelles est peu satisfaisante pour différentes raisons.

[0008] En premier lieu, des dilatations différentielles peuvent apparaître dans la tuyauterie 30. Compte tenu de la grande section de ces tuyauteries indispensable à la vidange rapide du générateur de vapeur en cas de réaction sodium/eau, il est peu économique de compenser ces dilatations en munissant les tuyauteries de lyres de dilatation. En effet, ces lyres augmentent la longueur des tubes et accroissent donc le coût de l'installation. En conséquence, comme l'illustre la figure 1 les tuyauteries 30 sont avantageusement équipées de soufflets de dilatation 34. Or, on sait qu'après une certaine période d'utilisation, la tenue mécanique de ces soufflets tend à s'altérer. La présence de ces soufflets a donc pour effet d'introduire un risque supplémentaire du point de vue de la sûreté.

[0009] De plus, lorsque la membrane d'éclatement s'est rompue à la suite d'une réaction sodium/eau dans le générateur de vapeur, il est nécessaire de remplacer cette membrane avant de remettre en route le réacteur. Cette membrane est également remplacée lors des visites périodiques de maintenance. Cette opération s'avère délicate dans les installations existantes, par suite de la disposition de la membrane dans la tuyauterie.

[0010] En outre, bien que le diamètre de la tuyauterie autorise un débit de sodium relativement important, la longueur de cette tuyauterie est généralement telle que le temps nécessaire à la vidange complète du générateur n'est pas aussi court qu'on pourrait le souhaiter dans les conditions de surpression engendrées par une réaction sodium/eau.

[0011] La présente invention a précisément pour objet un générateur de vapeur comportant un réservoir de vidange intégré remplissant la même fonction que le réservoir de vidange 26 des installations de la technique antérieure telle que représentée sur la figure 1, tout en étant d'une conception particulièrement simple et en supprimant les inconvénients mentionnés précédemment des installations existantes.

[0012] A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un générateur de vapeur pour un réacteur refroidi par un métal liquide, ce générateur comprenant une enveloppe cylindrique d'axe vertical, des tubulures d'entrée et de sortie d'un métal liquide dans ladite enveloppe, un faisceau de tubes disposé à l'intérieur de l'enveloppe et dans lequel circule de l'eau, et une tubulure de vidange débouchant à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe et comprenant au moins une membrane d'éclatement apte à se rompre lorsque la pression régnant dans ladite enveloppe dépasse un seuil donné, pour faire communiquer l'enveloppe avec un réservoir de vidange, caractérisé en ce que le réservoir de vidange est fixé directement à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe, la tubulure de vidange étant disposée à l'intérieur du réservoir et portant la membrane d'éclatement à son extrémité, derrière un regard démontable fixé au réservoir.

[0013] Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le réservoir de vidange comprend un col cylindrique prolongeant vers le bas une partie cylindrique de ladite enveloppe et un récipient de plus grande section raccordé à l'extrémité inférieure du col cylindrique, le regard démontable étant fixé au col du réservoir.

[0014] De préférence, la tubulure de vidange se termine alors par une partie sensiblement horizontale dont l'extrémité portant la membrane d'éclatement est située dans une ouverture formée dans le col du réservoir et sur laquelle est fixé le regard démontable. La tubulure de vidange peut aussi comporter une partie sensiblement verticale disposée selon l'axe de l'enveloppe et raccordée par un coude à la partie sensiblement horizontale.

[0015] Conformément à une première variante de réalisation de l'invention, le regard démontable obture ladite ouverture, de telle sorte qu'une rupture de la membrane d'éclatement a pour effet de vidanger dans le col de réservoir le métal liquide contenu dans l'enveloppe.

[0016] Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, le regard démontable présente la forme d'une conduite fixée, d'une part, sur l'ouverture formée dans le col de réservoir et, d'autre part, sur une deuxième ouverture formée dans le récipient, de telle sorte qu'une rupture de la membrane d'éclatement a pour effet de vidanger dans le récipient le métal liquide contenu dans l'enveloppe. La deuxième ouverture peut notamment être formée dans une paroi supérieure du récipient, les axes desdites ouvertures étant disposés dans un même plan passant par l'axe de l'enveloppe et sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre, de telle sorte que la conduite formée par le regard présente la forme d'un coude.

[0017] Conformément à une caractéristique secondaire de l'invention, le volume du réservoir de vidange est sensiblement égal au volume du métal liquide contenu dans l'enveloppe du générateur. De plus, des moyens peuvent être prévus pour vidanger le réservoir de vidange dans un réservoir de plus grosse capacité.

[0018] On décrira maintenant, à titre d'exemple non limitatif, deux variantes de réalisation de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1, déjà décrite, représente de façon schématique un générateur de vapeur équipé d'une installation de vidange séparée, conformément à la technique antérieure, et

- la figure 2 représente à plus grande échelle et de façon également schématique l'extrémité inférieure d'un générateur de vapeur comprenant, conformément à l'invention, un réservoir de vidange intégré.

[0019] Sur la figure 2, on n'a représenté que la partie inférieure du générateur de vapeur selon l'invention, car seule cette partie diffère des générateurs de vapeur connus actuellement. En particulier, le reste du générateur de vapeur selon l'invention peut être réalisé de la même manière que la partie correspondante du générateur de vapeur décrit précédemment en se référant à la figure 1 pour illustrer l'état de la technique.

[0020] Toutefois, on comprendra aisément que de nombreux types de générateurs de vapeur connus pourraient être modifiés conformément à l'invention, de telle sorte que cette dernière ne doit pas être limitée au générateur décrit précédemment en se référant à la figure 1. En particulier, les tubulures d'entrée et de sortie du sodium secondaire et la circulation de celui-ci à l'intérieur de l'enveloppe du générateur peuvent être réalisées de toutes les manières connues par ailleurs, sans sortir du cadre de l'invention. Il en est de même de l'emplacement occupé par le faisceau de tubes dans le générateur et de la forme donnée aux tubes du faisceau.

[0021] On reconnaît sur la figure 2 l'enveloppe cylindrique 110, d'axe vertical, du générateur de vapeur. Cette enveloppe comporte de façon connue un dôme (non représenté, une partie cylindrique 110a et un fond 110b. On reconnaît aussi les collecteurs amont 118 et le faisceau de tubes 116 disposé à l'intérieur du générateur de vapeur, dans l'espace annulaire défini entre la partie cylindrique 110a de l'enveloppe et le noyau central 122.

[0022] Conformément à l'invention, le réservoir de vidange 126 est fixé directement à l'extrémité inférieure de l'enveloppe 110 du générateur de vapeur. De façon plus précise, le réservoir 126 comporte un col 138 en forme de virole et un récipient 140 constituant le réservoir proprement dit. Le col 138 est cylindrique, de même diamètre que la partie 110a de l'enveloppe et d'axe confondu avec l'axe vertical de celle-ci. Son rebord supérieur est fixé à l'enveloppe 110 par une soudure 136, de telle sorte qu'il prolonge vers le bas la partie cylindrique 110a et supporte à son extrémité inférieure le récipient 140. Comme l'illustre la figure 2, ce dernier est de plus grande section que le col 138. Il définit une paroi supérieure 140a par laquelle il est raccordé au col 138, une paroi latérale 140b pouvant à volonté être cylindrique ou de tout autre forme et un fond 140c.

[0023] La liaison entre l'intérieur de l'enveloppe 110 et le réservoir 126 est réalisée au moyen d'une tubulure de vidange 130 disposée dans le col 138 du réservoir. L'extrémité supérieure de la tubulure 130 débouche dans le fond 110b de l'enveloppe du générateur de vapeur, l'extrémité inférieure portant une membrane d'éclatement 132.

[0024] De façon plus précise, on voit sur la figure 2 que la tubulure 130 est raccordée au fond 110b de l'enveloppe du générateur par une partie sensiblement verticale 130a disposée coaxialement à la partie cylindrique 110a et au col 138 du réservoir. La membrane d'éclatement 132 est montée à l'extrémité d'une partie sensiblement horizontale 130b de la tubulure de vidange. Les parties 130a et 130b sont raccordées par un coude 130c. La longueur de la partie sensiblement verticale 130a est inférieure à la hauteur du col 138 et la longueur de la partie sensiblement horizontale 130b est voisine du rayon du col 138, de telle sorte que la membrane 132 se trouve logée dans une ouverture 141 formée dans la partie inférieure du col du réservoir 126.

[0025] Conformément à une première variante de réalisation de l'invention représentée en trait plein sur la figure 2, un regard démontable 142 en forme de conduite est fixé, d'une part, sur une bride 144 entourant l'ouverture 141 et, d'autre part, sur une bride 146 entourant une ouverture 148 formée dans la paroi supérieure 140a du récipient 140. Cette fixation est réalisée de façon étanche par tout moyen connu tel que des vis ou des boulons.

[0026] De façon plus précise, les axes des ouvertures 141 et 148 étant respectivement horizontal et vertical et disposés dans un même plan passant par l'axe vertical commun à l'enveloppe 110 du générateur de vapeur et au col 138, le regard 142 en forme de conduite présente la forme d'un coude qui prolonge la tubulure de vidange 130.

[0027] La conduite formée par le regard 142 permet ainsi, après rupture de la membrane d'éclatement 132, de faire s'écouler le sodium liquide contenu dans l'enveloppe 110 du générateur de vapeur directement dans le récipient 140 du réservoir de vidange.

[0028] Dans la deuxième variante de réalisation de l'invention représentée en traits discontinus sur la figure 2, le regard 142' derrière lequel est placée la membrane d'éclatement 132 est constitué par un bouchon obturant l'ouverture 141. Ce bouchon peut notamment être fixé sur la bride 144 par des vis ou par des boulons comme le regard 142 dans la variante précédente. Dans ce cas, le sodium liquide qui s'écoule du générateur de vapeur après éclatement de la membrane 132 est refoulé par le bouchon 142' dans le col 138 du réservoir, avant de descendre dans le récipient 140. Bien entendu, pour que cette circulation soit possible, le bouchon 142' est disposé à une certaine distance de la membrane 132 et le diamètre de l'ouverture 141 est sensiblement supérieur au diamètre de la tubulure 130.

[0029] Compte tenu de l'implantation de la tubulure 130 à la place de la tubulure de sortie du sodium secondaire dans le générateur de vapeur représenté sur la figure 1, l'emplacement de cette tubulure doit être modifié. Ainsi, la tubulure de sortie 114 peut notamment être disposée latéralement à l'extrémité inférieure de la partie cylindrique 110a de l'enveloppe du générateur, comme on l'a représenté sur la figure 2. Le noyau 122 est alors fermé à son extrémité inférieure, disposée à une certaine distance du fond 110b.

[0030] Comme on l'a déjà mentionné précédemment, cette disposition n'est donnée qu'à titre indicatif. Ainsi la tubulure 130 débouchant dans le fond 110b de l'enveloppe pourrait être excentrée, de façon à permettre l'implantation de la tubulure de sortie 114 dans le fond du générateur. La tubulure de sortie 114 traverserait alors le col 138 du réservoir de vidange. A l'opposé, on pourrait aussi implanter la tubulure de sortie 114 du sodium secondaire à l'extrémité supérieure du générateur de vapeur, le sodium remontant alors à l'intérieur d'une cheminée remplaçant le noyau 122.

[0031] Conformément à une caractéristique secondaire de l'invention, on notera que le volume du réservoir de stockage 126 est juste suffisant pour recueillir le sodium secondaire contenu dans le générateur de vapeur après rupture de la membrane d'éclatement 132. Cette caractéristique distingue également l'invention de la technique antérieure selon laquelle on utilise comme réservoir de vidange le réservoir de stockage servant à vidanger l'ensemble du circuit secondaire du réacteur et dont le volume est sensiblement supérieur au volume du réservoir 126.

[0032] De préférence, le fond du réservoir de vidange 126 communique avec un réservoir de stockage de plus grand volume (non représenté) commun à plusieurs générateurs de vapeur. Cette communication peut notamment être réalisée au moyen d'une canalisation 150 équipée d'une vanne 152 et de moyens de pompage (non représentés). La canalisation 150 plonge à une extrémité dans le fond du réservoir 126, comme le montre la figure 2. Etant donné que le transfert du sodium liquide entre le réservoir de vidange 126 et le réservoir de stockage n'a pas besoin d'être effectué rapidement, la canalisation 150 est de petit diamètre, de telle sorte que les dilatations différentielles peuvent être facilement compensées en la munissant de lyres de dilatation.

[0033] Lorsque le réservoir 126 a été vidangé par la canalisation 150, il devient possible de remplacer la membrane 132 en démontant le regard 142 ou 142'. En effet, pour des raisons de sûreté évidentes, cette intervention doit être réalisée sans vue directe du sodium. On voit aussi sur la figure 2 qu'une canalisation 154 équipée d'une vanne 156 normalement fermée permet de faire communiquer l'intérieur de l'enveloppe 110 du générateur de vapeur avec le réservoir 126. Cette canalisation 154 permet, lorsque cela est nécessaire et en dehors de toute rupture de la membrane d'éclatement 132, de vidanger le sodium contenu dans l'enveloppe du générateur de vapeur à l'intérieur du réservoir de vidange 126, après ouverture de la vanne 156.

[0034] Enfin, on a représenté sur la figure 2 des canalisations 158 débouchant dans le réservoir de vidange 126. Ces canalisations servent, lorsqu'une réaction sodium/eau se produit à l'intérieur de l'enveloppe du générateur, à évacuer les produits gazeux formés par cette réaction, tels que de l'hydrogène ou des aérosols de sodium. Ces canalisations sont reliées par leur extrémité opposée à des séparateurs (non représentés).

[0035] Grâce aux caractéristiques de l'invention qui viennent d'être décrites en se référant à la figure 2, on comprend que les problèmes posés par les installations de la technique antérieure sont résolus. En particulier, la sûreté se trouve améliorée puisque les soufflets de dilatation sont supprimés. De plus, on voit que la disposition particulière de la membrane d'éclatement 132 autorise un remplacement particulièrement aisé de celle-ci. En outre, la tubulure 130 assurant l'écoulement du sodium liquide depuis le générateur de vapeur jusqu'au réservoir de vidange est sensiblement plus courte que la tuyauterie de liaison selon la technique antérieure, de telle sorte que la rapidité de la vidange s'en trouve sensiblement accrue. Enfin, le montage du réservoir sur le générateur de vapeur est particulièrement simple et autorise même l'implantation de ce réservoir sur des générateurs existants.

Revendications

1. Générateur de vapeur pour un réacteur refroidi par un métal liquide, ce générateur comprenant une enveloppe cylindrique (110) d'axe vertical, des tubulures d'entrée et de sortie (114) d'un métal liquide dans ladite enveloppe, un faisceau de tubes (116) disposé à l'intérieur de l'enveloppe et dans lequel circule de l'eau, et une tubulure de vidange (130) débouchant à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe et comprenant au moins une membrane d'éclatement (132) apte à se rompre lorsque la pression régnant dans ladite enveloppe dépasse un seuil donné, pour faire communiquer l'enveloppe avec un réservoir de vidange (126), caractérisé en ce que le réservoir de vidange (126) est fixé directement à l'extrémité inférieure de ladite enveloppe, la tubulure de vidange (130) étant disposée à l'intérieur du réservoir et portant la membrane d'éclatement (132) à son extrémité, derrière un regard démontable (142, 142') fixé au réservoir.

2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir de vidange (130) comprend un col cylindrique (138) prolongeant vers le bas une partie cylindrique (110a) de ladite enveloppe, et un récipient (140) de plus grande section raccordé à l'extrémité inférieure du col cylindrique, le regard démontable (142, 142') étant fixé au col du réservoir.

3. Générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tubulure de vidange (130) se termine par une partie sensiblement horizontale (130b) dont l'extrémité portant la membrane d'éclatement (132) est située dans une ouverture (141) formée dans le col (138) du réservoir et sur laquelle est fixé le regard démontable (142, 142').

4. Générateur de vapeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tubulure de vidange (130) comporte une partie sensiblement verticale (130a) disposée selon l'axe de l'enveloppe (110) et raccordée par un coude (130c) à la partie sensiblement horizontale (130b).

5. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le regard démontable (142') obture ladite ouverture (141), de telle sorte qu'une rupture de la membrane d'éclatement (132) a pour effet de vidanger dans le col (138) du réservoir le métal liquide contenu dans l'enveloppe (110).

6. Générateur de vapeur selon l'une quelcon_- que des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le regard démontable (142) présente la forme d'une conduite fixée, d'une part, sur l'ouverture (141) formée dans le col (138) du réservoir et, d'autre part, sur une deuxième ouverture (148) formée dans le récipient (140), de telle sorte qu'une rupture de la membrane d'éclatement (132) a pour effet de vidanger dans le récipient (140), à travers ladite conduite, le métal liquide contenu dans l'enveloppe.

7. Générateur de vapeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la deuxième ouverture (148) est formée dans une paroi supérieure du récipient (140), les axes desdites ouvertures (141, 148) étant disposés dans un même plan passant par l'axe de l'enveloppe (110) et sensiblement à angle droit l'un par rapport à l'autre, de telle sorte que la conduite formée par le regard (142) présente la forme d'un coude.

8. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume du réservoir de vidange (126) est sensiblement égal au volume du métal liquide contenu dans l'enveloppe (110) du générateur.

9. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens (150) sont prévus pour vidanger le réservoir de vidange (126) dans un réservoir de plus grosse capacité.

10. Générateur de vidange selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'une canalisation de vidange (154) normalement fermée par au moins une vanne (156) fait communiquer directement le réservoir de vidange (126) avec l'intérieur de l'enveloppe (110).

Dessins