Perfectionnement aux générateurs de vapeur du type sodium-eau

Description

[0001] La présente invention concerne un perfectionnement aux générateurs de vapeur du type sodium-eau utilisés notamment dans les centrales nucléaires.

[0002] Dans les centrales électriques, une chaudière apporte de la chaleur au fluide d'un circuit en boucle fermée, ce fluide échauffé circulant alors dans un générateur de vapeur afin de céder sa chaleur à de l'eau qui est transformée en vapeur, cette vapeur étant alors envoyée dans les turbines de la centrale.

[0003] Dans certaines centrales nucléaires, notamment du type à neutrons rapides, il est connu d'utiliser comme fluide servant au transport des calories depuis la chaudière vers le générateur de vapeur, du sodium liquide. Dans ce cas, le générateur de vapeur est constitué d'un échangeur de chaleur dont le circuit primaire renferme du sodium liquide et dont le circuit secondaire renferme de l'eau transformée en vapeur.

[0004] Dans de tels générateurs de vapeur, des précautions toutes particulières sont prises pour éviter tout contact entre le sodium liquide du circuit primaire et l'eau du circuit secondaire. En effet, il est connu que le mélange de sodium et d'eau à haute température provoque des réactions chimiques très violentes, avec dégagement de gaz et augmentation brutale de la pression régnant dans le sodium liquide. Ces réactions chimiques brutales, accidentelles qui peuvent s'apparenter à une explosion à l'intérieur du générateur de vapeur, peuvent provoquer la détérioration partielle de certaines parties du générateur de vapeur, mais aussi, du fait de la propagation de l'onde de pression dans les canalisations du circuit primaire provoquée par l'explosion accidentelle dans le générateur de vapeur, peuvent provoquer l'endommagement du coeur du réacteur ou des échangeurs intermédiaires, ou l'endommagement des pompes de circulation ou toute autre installation située sur ce circuit primaire.

[0005] Il est connu de disposer dans différentes parties du circuit de sodium divers appareils permettant de limiter les effets de la réaction sodium-eau. Il est connu par exemple de brancher en dérivation sur la sortie du sodium du générateur de vapeur une liaison vers un réservoir de stockage obturée par une membrane de rupture, cette membrane étant prévue pour se rompre rapidement aussitôt que la pression du sodium dépasse une valeur prédéterminée, afin d'établir une dérivation du sodium en surpression vers un réservoir de stockage. Il est connu aussi de brancher en dérivation sur la tuyauterie du circuit primaire parvenant aux pompes de circulation et aux échangeurs intermédiaires un réservoir d'expansion permettant d'atténuer fortement l'intensité de l'onde de pression, avant qu'elle ne se propage dans ces pompes et ces échangeurs intermédiaires.

[0006] Il est d'autre part connu de disposer le générateur de vapeur de façon que dans sa zone supérieure on enferme une poche de gaz inerte, ce qui permet de créer un niveau libre qui atténue très fortement les ondes de pression émises dans les tuyauteries d'arrivée de sodium.

[0007] Lorsqu'un circuit primaire contenant du sodium liquide comprend un générateur de vapeur dont la partie supérieure enferme une poche de gaz et comprend d'autre part un réservoir d'expansion branché sur le circuit par une tuyauterie de grand diamètre, situé à une certaine distance du générateur de vapeur, il a été constaté un phénomène d'oscillations en masse entre les deux poches de gaz lors des réactions accidentelles sodium-eau ou lors des simultations de ces réactions qui sont faites pour tester l'installation.

[0008] Ce phénomène de balancement est similaire à celui qui existerait dans un système de vases communicants fermés à leur partie supérieure et où l'on injecterait brutalement un très fort débit gazeux dans l'un des deux vases. De la même façon, dans une installation classique comprenant un générateur de vapeur muni d'un niveau libre et un réservoir d'expansion branché dans le circuit, plus l'inertie de la masse de sodium liquide qui se situe entre les deux niveaux libres est importante, plus les amplitudes des oscillations sont importantes. Alors que le réservoir d'expansion est destiné à limiter les effets de l'onde de pression, on voit qu'il ne peut supprimer des surpressions importantes dans le circuit, néfastes pour l'ensemble de l'installation et notamment pour les échangeurs intermédiaires qui sont fréquemment installés pour isoler un premier circuit de sodium liquide passant dans le coeur du réacteur du circuit de sodium liquide passant dans les générateurs de vapeur.

[0009] On connait aussi du document US-A-3 924 675 un générateur de vapeur comprenant un réservoir d'expansion interne constitué par un cylindre intérieur creux muni d'un clapet anti-retour.

[0010] La présente invention vise à pallier principalement les différents inconvénients des générateurs de vapeur connus.

[0011] La présente invention concerne donc un générateur de vapeur du type sodium-eau, notamment pour centrales nucléaires, comprenant:

- un circuit primaire constitué d'une enceinte allongée remplie de sodium liquide,

- une zone d'entrée de l'enceinte dans laquelle est introduit le sodium liquide,

- une zone de sortie de l'enceinte allongée dans laquelle est évacué le sodium liquide,

- un réservoir rempli partiellement d'un gaz inerte et communiquant à sa partie inférieure avec l'enceinte allongée pour définir un niveau libre du sodium liquide,

- et un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes de circulation d'eau s'étendant à l'intérieur de l'enceinte allongée.

[0012] Selon l'invention, le réservoir forme en permanence dans l'enceinte allongée un passage totalement libre sans aucune restriction dans les deux sens favorisant la propagation d'une onde acoustique vers le niveau libre du sodium liquide-gaz où elle est réfléchie avec une perte importante d'énergie, afin d'éviter dans l'ensemble du générateur de vapeur la propagation de cette onde acoustique résultant d'une réaction chimique accidentelle brutale entre le sodium et l'eau, un tube amenant dans la partie supérieure du réservoir le gaz inerte et un tube s'étendant verticalement à l'intérieur du réservoir, son extrémité inférieure étant située relativement bas dans ledit réservoir, pour que le niveau de la surface libre du sodium liquide ne descende pas en-dessous du point le plus bas du tube au moment de l'introduction du gaz neutre par le tube dans le réservoir.

[0013] On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels:

- la figure 1 représente schématiquement un circuit de refroidissement pour centrales nucléaires conforme à l'invention,

- la figure 2 représente schématiquement en coupe longitudinale un générateur de vapeur conforme à la présente invention.

[0014] En se reportant à la figure 1, on distingue un circuit secondaire de refroidissement pour centrales nucléaires dont le schéma général est tout-à-fait classique. On y retrouve, de façon connue, un ensemble de canalisations 1, 2, 3 qui transportent en circuit fermé du sodium liquide. Le sodium liquide circule de façon à prendre les calories dans l'échangeur intermédiaire 5 pour les céder au générateur de vapeur 6 en provoquant, dans ce générateur de vapeur, la transformation d'eau en vapeur dans le circuit secondaire, cette vapeur étant utilisée de façon classique pour faire tourner les turbines de la centrale. Après être passé dans le générateur de vapeur, le sodium liquide retourner par la canalisation 3 à la pompe de circulation 4, avant de recommencer son cycle.

[0015] Le générateur de vapeur 6 est donc un échangeur de chaleur dont le circuit primaire contient du sodium liquide et dont le circuit secondaire contient de l'eau. Si une rupture se produit dans ce générateur de vapeur entrainant un mélange d'une certaine quantité de sodium avec l'eau, il s'ensuit une réaction chimique brutale qui a les effets d'une explosion à l'intérieur du générateur de vapeur, et qui entraine une élévation brutale de la pression dans le circuit de sodium. Sur une installation classique, l'onde de pression qui résulte de cette explosion peut se propager par la canalisation 3 puis par la canalisation 1, arriver dans l'échangeur intermédiaire 5 et provoquer sa rupture. Pour protéger cet échangeur intermédiaire 5 qui constitue une barrière entre le sodium liquide radioactif traversant le coeur du réacteur et le sodium liquide non contaminé traversant le générateur de vapeur, il a déjà été proposé de disposer en dérivation sur la canalisation amenant le sodium à l'échangeur intermédiaire 5 un réservoir d'expansion de grande ça- . pacité, relié à la canalisation par une tubulure de grand diamètre. Nous avons, pour illustrer cette solution connue, disposé en pointillés sur la figure 1 un tel branchement en dérivation d'un réservoir d'expansion 7. D'autre part, nous avons représenté un générateur de vapeur 6 dont la chambre d'introduction 8 du sodium est disposée de façon classique à la partie supérieure du générateur de vapeur et renferme une poche de gaz inerte 9 qui détermine un niveau libre du sodium. Nous avons remarqué que lorsqu'on disposait ainsi de façon connue l'ensemble de ce générateur de vapeur 6 relié par les canalisations 1, 2 et 3 à ce réservoir d'expansion 7, lors des simulations des réactions sodium-eau qui ont été faites pour tester l'installation, les masses de sodium contenues dans les canalisations sont entrainées dans des oscillations de grandes amplitudes associées à des variations importantes de pression dans le circuit qui peuvent être du même ordre de grandeur que les ondes de pression qui existeraient s'il n'y avait pas de réservoir d'expansion. On remarque donc que ce réservoir d'expansion 7 n'est pas très efficace.

[0016] La présente invention vise à pallier ces inconvénients en concevant un générateur de vapeur 6 comportant certaines dispositions nouvelles qui permettent d'éviter le branchement du réservoir d'expansion 7 au circuit par l'intermédiaire d'une tuyauterie de grand diamètre 24 destiné à limiter la propagation d'une onde de pression.

[0017] Le générateur de vapeur propre à notre invention, permettant d'éviter un tel branchement, est représenté en figure 2 de façon plus détaillée. Ce générateur de vapeur comporte une enceinte cylindrique 1 de forme allongée et disposée verticalement, remplie de sodium liquide en circulation constituant le circuit primaire. Le sodium liquide arrive au générateur de vapeur 6 par les canalisations 2, est introduit dans la chambre d'entrée 8 située à la partie supérieure du générateur de vapeur, circule de haut en bas à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, parvient à la zone de sortie 9 située à la partie inférieure du générateur de vapeur d'où il est évacué par la canalisation 11. Le générateur de vapeur représenté dans cet exemple de réalisation comporte un circuit secondaire constitué d'une multitude de tubes disposés hélicoïdalement 12 et dans lesquels circule de l'eau introduite par la partie inférieure 13 des tubes et ressortant par la partie supérieure 14 des tubes sous forme de vapeur. Comme les tubes 12 ne peuvent pas être enroulés hélicoïdalement avec un rayon trop petit, la partie centrale du générateur de vapeur n'est pas occupée par les tubes 12 et il est donc prévu d'y installer un cylindre 15 de forme allongée. Cette enveloppe cylindrique 15 s'étendant longitudinalement au centre du générateur de vapeur n'est pas complètement inutile puisqu'elle contribue avantageusement à la rigidité de l'ensemble et/ou au maintien en place des tubes 12. Mais dans le générateur de vapeur 6 conforme à la présente invention cette enveloppe cylindrique 15 comporte en outre divers aménagements qui lui permettent de remplir d'autres fonctions que nous allons décrire par la suite et qui constituent la particularité essentielle de cette invention.

[0018] L'enveloppe cylindrique 15 est disposée longitudinalement au centre du générateur de vapeur, verticalement, est fermée à sa partie supérieure 16 et comporte des ouvertures 17 à sa partie inférieure. D'autre part, l'intérieur de cette enveloppe 15 est remplie d'une certaine quantité d'un gaz inerte 18 qui forme à la partie supérieure de l'enveloppe 15 une poche et qui définit une surface libre 19 du sodium liquide. Un tube 20 amène dans la partie supérieure de l'enveloppe 15 le gaz inerte nécessaire, et un tube 21 s'étend verticalement à l'intérieur de l'enceinte 15, son extrémité inférieure étant située relativement bas dans l'enveloppe 15, de façon que, lorsque l'on introduit le gaz inerte dans la chambre 18 par le tube 20, le niveau de la surface libre 19 du sodium liquide ne descende pas en-dessous du point le plus bas du tube 21. Si dans le générateur de vapeur 6 tel que décrit précédemment une explosion due à une réaction violente sodium-eau se produit, l'onde de pression qui en résulte est considérablement amortie, à l'intérieur même du générateur de vapeur, du fait de l'élasticité de la poche de gaz 18, évitant ainsi que cette onde de pression ne se propage dans des proportions importantes par la canalisation de sortie du sodium 11, en direction des autres appareils situés dans ce circuit, c'est-à-dire principalement les pompes de circulation et surtout les échangeurs intermédiaires. Autrement dit, le volume occupé par l'enveloppe cylindrique 15 qui existe parfois dans certains générateurs de vapeur connus est aménagé selon la présente invention de façon à constituer un réservoir d'expansion intérieur au générateur de vapeur, réalisé de façon économique puisqu'il est constitué en grande partie par des éléments qui existent de toutes façons, qui ne prend aucune place supplémentaire, et qui limite strictement au générateur de vapeur les sollicitations mécaniques occasionnées par une réaction accidentelle sodium-eau dans celui-ci.

[0019] Bien sûr le circuit caloporteur comprenant un générateur de vapeur conforme à la présente invention, tel que représenté en figure 1, peut être complété avantageusement par une déviation, à proximité de la sortie de sodium liquide de générateur de vapeur, cette déviation étant obturée en régime normal par une membrane de rupture destinée à se rompre lorsque la pression de sodium liquide en sortie du générateur de vapeur dépasse une valeur prédéterminée, afin de mettre en communication cette sortie du générateur de vapeur vers le réservoir de stockage 30. On peut remarquer que cet agencement de membrane de rupture et de réservoir de stockage est connu en soi et joue ici un rôle tout-à-fait identique à celui qu'elle joue dans les installations comprenant un générateur de vapeur classique. On peut remarquer aussi qu'il est connu qu'une telle membrane de rupture 31 ne permet d'atténuer que partiellement l'amplitude de l'onde de pression lors d'une éventuelle réaction sodium-eau dans le générateur de vapeur.

[0020] Par ailleurs, il est avantageux de disposer dans l'installation propre à l'invention (figure 1), au niveau de la pompe de circulation 4, un vase d'expansion 22 relié à la canalisation 3 par une tubulure de faible diamètre 23, ce vase d'expansion 22 permettant seulement de compenser les variations de dilatation du sodium. Bien sûr sa liaison par une tubulure de faible dimension à la canalisation 3 n'est pas du tout adaptée à la fonction de limitation de propagation de l'onde de pression.

[0021] On pourrait penser que, dans le générateur de vapeur 6 propre à notre invention, l'existence simultanée de deux surfaces libres 10 et 19 surmontées par une poche de gaz inerte 9 et 18 est susceptible de provoquer aussi un système d'oscillations du niveau de ces deux surfaces libres. En fait, le phénomène d'oscillations ne peut prendre une ampleur notable que lorsque les distances qui séparent les deux surfaces libres sont assez grandes, impliquant une masse de sodium liquide déplacée assez importante. Or, dans le générateur de vapeur 6, la distance séparant les deux surfaces libre 10 et 19 est très faible puisque ces deux surfaces sont situées dans le même appareil, et par conséquent la masse de sodium liquide existant entre ces deux surfaces libres est sensiblement la masse de sodium liquide contenue dans l'enceinte cylindrique 1 du générateur de vapeur, ce qui est trop faible pour produire des oscillations d'ampleur notable.

[0022] Il est possible d'appliquer les dispositions propres à la présente invention à un générateur de vapeur dont les tubes du circuit secondaire seraient disposés autrement que hélicoïdalement, ou dont les entrées et sorties de sodium liquide seraient disposées autrement.

Revendications

Générateur de vapeur du type sodium-eau notamment pour centrales nucléaires comprenant:

- un circuit primaire constitué d'une enceinte allongée (1) remplie de sodium liquide,

- une zone d'entrée (8) de l'enceinte allongée dans laquelle est introduit le sodium liquide,

- une zone de sortie (9) de l'enceinte allongée (1) dans laquelle est évacué le sodium liquide,

- un réservoir (15) rempli partiellement d'un gaz inerte et communiquant à sa partie inférieure avec l'enceinte allongée (1) pour définir un niveau libre (19) du sodium liquide, et

- un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes (12) de circulation d'eau s'étendant à l'intérieur de l'enceinte allongée,

caractérisé par le fait que le réservoir (15) forme en permanence dans l'enceinte allongée (1) un passage totalement libre sans aucune restriction dans les deux sens favorisant la propagation d'une onde acoustique vers le niveau libre (19) du sodium liquide-gaz où elle est réfléchie avec une perte importante d'énergie, afin d'éviter dans l'ensemble du générateur de vapeur la propagation de cette onde acoustique résultant d'une réaction chimique accidentelle brutale entre le sodium et l'eau, un tube (20) amenant dans la partie supérieure du réservoir (15) le gaz inerte et un tube (21) s'étendant verticalement à l'intérieur du réservoir (15), son extrémité inférieure étant située relativement bas dans ledit réservoir, pour que le niveau de la surface libre (19) du sodium liquide ne descende pas en-dessous du point le plus bas du tube (21) au moment de l'introduction du gaz neutre par le tube (20) dans le réservoir (15).

Ansprüche

Natrium-Wasser-Dampferzeuger, insbesondere für Kernkraftzentralen, mit

- einem Primärkreis in Form eines mit flüssigem Natrium gefüllten, länglichen umschlossenen Raums (1),

- einem Eintrittsbereich (8) des länglichen umschlossenen Raums, in den das flüssige Natrium eingeführt wird,

- einem Austrittsbereich (9) des länglichen umschlossenen Raums (1), aus welchem das flüssige Natrium abgeführt wird,

- einem teilweise mit einem inerten Gas gefüllten Behälter (15), welcher an seinem unteren Teil mit dem länglichen umschlossenen Raum (1) strömungsverbunden ist, um einen freien Spiegel (19) des flüssigen Natriums zu bilden, und

- einem Sekundärkreis aus einer Anzahl von Wasser-Umlaufrohren (12), welche sich im Inneren des länglichen umschlossenen Raums erstrecken,

dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (15) in dem länglichen umschlossenen Raum (1) ständig einen vollständig freien Durchlaß ohne jede Behinderung in beiden Richtungen bildet, welche die Fortpflanzung einer akustischen Welle zur freien Grenzfläche (19) zwischen dem Natrium und dem Gas begünstigt, an welcher sie mit einem erheblichen Energieverlust reflektiert wird, um die Fortpflanzung der akustischen Welle im gesamten Dampferzeuger und die dabei bestehende Gefahr einer plötzlichen chemischen Reaktion zwischen dem Natrium und dem Wasser zu vermeiden, wobei ein Rohr (20) das inerte Gas in das obere Teil des Behälters (15) leitet und ein Rohr (21) sich senkrecht im Inneren des Behälters (15) erstreckt, so daß sein unteres Ende relativ tief in den Behälter hineinreicht, zu dem Zweck, daß der freie Spiegel (19) desflüssigen Natriums bei der Zufuhr des inerten Gases durch das Rohr (20) in den Behälter (15) nicht bis unter den tiefsten Punkt des Rohrs (21) absinkt.

Claims

Steam generator of the sodium/water type especially for nuclear installations comprising:

- a primary circuit comprising an elongated container (1) filled with liquid sodium,

- an inlet manifold (8) for the elongated container into which the liquid sodium is introduced,

- an outlet manifold (9) for the elongated container (1) into which the liquid sodium is evacuated,

- a reservoir (15) partially filled with inert gas and communicating at its lower end with the elongated container (1) to define a free level (19) of liquid sodium, and

- a secondary circuit comprising a plurality of water circulation tubes (12) extending in the interior of the elongated container,

characterized by the fact that the reservoir (15) permanently forms in the elongated container (1) a totally free passage without any restriction in the two senses favouring propagation of an acoustic wave towards the free level (19) of liquid sodium/gas at which it is reflected with a considerable loss of energy, whereby to avoid in the steam generator assembly, propagation of said acoustic wave resulting from a violent accidental chemical reaction between sodium and water, a tube (20) leading the inert gas into the upper part of the reservoir (15) and a tube (21) extending vertically in the interior of the reservoir (15), its lower end being located relatively low in said reservoir whereby the level of the free surface (19) of liquid sodium does not descend below the lowest point of tube (21) at the moment of introduction of the inert gas through the tube (20) into the reservoir (15).

Dessins