Système de secours pour réacteur nucléaire
La présente invention se rapporte à un système de secours pour réacteurs nucléaires et plus particulièrement mais non exclusivement pour réacteurs à neutrons rapides refroidis par gaz.
Lors de la conception d'une centrale nucléaire équipée d'un réacteur, un des facteurs qui conditionnent l'étude est l'accident majeur pouvant survenir au réacteur, c.a.d. la fusion du coeur.
La présente invention a pour objet de proposer une solution sûre
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de la cuve du réacteur en cas d'accident entraînant la fusion du coeur.
Un autre objet de l'invention consiste dans une solution qui permet d'éviter la fusion complète de toutes les parties internes de la cuve par un refroidissement immédiat de la matière en fusion.
Un autre objet de l'invention consiste à proposer un système de secours qui permet donc :
1[deg.] d'éviter. les conséquences d'une ébullition du coeur en fusion par une
solidification de la matière en fusion à l'intérieur de la cuve du réacteur
2[deg.] d'éviter ainsi d'endommager la cuve par suite de la température très
élevée de la matière en fusion
3[deg.] d'éviter par conséquent toute fuite de produits de fission volatiles ou
gazeux à l'extérieur de la cuve.
Le système de secours suivant l'invention est caractérisé par la création d'une zone froide en dessous du coeur permettant de refroidir la masse en fusion tombante et de la solidifier rapidement.
Suivant une forme particulière ce système de secours comprend un circuit réfrigérant dans la zone de support des assemblages combustibles.
Suivant une forme de réalisation avantageuse le pied de chaque assemblage comporte un échangeur de chaleur parcouru par un liquide froid.
Suivant une forme de réalisation préférée, le système de secours
est associé à un concept de coeur suivant lequel les assemblages combustibles, placés selon un pas triangulaire, forment des groupes hexagonaux de 6 assemblages entourant un 7ème assemblage ou une barre de contrôle, d'arrêt ou de sécurité ; ce groupe d'assemblages étant supporté par une seule plaque de base laquelle appuie sur un pied unique. Associé à un tel concept de coeur, le système de secours peut avantageusement comprendre un échangeur de chaleur placé autour du pied de support entouré par un nombre de colonnes de refroidissement de façon à constituer un module de refroidissement de secours.
Avantageusement chaque module comprendra 6 colonnes de refroidissement placés autour de l'élément de refroidissement central.
Suivant une forme de réalisation particulière, chaque colonne de refroidissement consiste en un nombre de faisceaux de tubes hélicoïdaux englobés dans une masse métallique et entourés d'une paroi ou gaine métallique.
Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse, la gaine métallique est protégée par une enveloppe en graphite entourée à son tour par un tissu en fibre métallique réfractaire.
On obtient ainsi une bonne protection des unités de refroidissement. En effet, le transfert de chaleur du faisceau est facilité par la masse métallique dans laquelle ce faisceau est enrobé. Cette masse évite également les tensions thermiques provoquées par le coeur en fusion et évite en même temps les fuites d'eau en cas de rupture d'un tube. Cette masse est recouverte d'une gaine métallique protégée à son tour contre les chocs thermiques par
une enveloppe en graphite ; afin d'éviter que des morceaux ne se détachent
de cette enveloppe et bloquent les passages entre les unités, cette enveloppe est protégée par. un tissu résistant aux hautes températures.
Suivant une forme de réalisation particulière, ces modules sont protégés à leur partie supérieure par une structure métallique comportant
des couches d'isolation thermique. Cette structure constitue une séparation entre les modules de refroidissement et la plaque de support du coeur. Elle sera placée de préférence en dessous de l'entrée du réfrigérant primaire
dans la cuve de façon à éviter substantiellement toute perte de chaleur du réfrigérant primaire par les unités de secours. La structure métallique supérieure doit protéger plus particulièrement les enveloppes en graphite,
des unités de refroidissement, contre les vibrations provenant de la circulation du réfrigérant primaire (vibrations dues à l'énergie acoustique
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provenant de l'opération normale du réacteur.
Suivant une forme de réalisation préférée et avantageuse, la structure métallique séparant dans la cuve les unités de refroidissement du reste des pièces du réacteur est pourvue, de préférence à l'endroit du contour de chaque module de refroidissement, de sections métalliques minces à fusion facile de sorte que la structure constitue une séparation totale mais peut être facilement traversée par la masse du coeur en fusion.
i Suivant une forme de réalisation particulière, les tours de refroi- dissement et la colonne centrale comportent une structure de base commune
pourvue d'une ou plusieurs entrées et sorties pour le réfrigérant. Cette
structure sera de préférence exécutée de façon à obtenir une alimentation
séparée pour 2 unités adjacentes. On peut ainsi éviter un endommagement de
la structure de base par la masse en fusion en cas de perte de la source froide d'une unité de refroidissement.
L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un
exemple de mise en application et en se référant aux figures jointes qui représentent :
- la fig. 1 : une coupe verticale schématique d'un dispositif de secours suivant l'invention ;
- la fig. 2 : une coupe selon la ligne II-II de la figure 1 ;
- la fig. 3 : une coupe selon la ligne III-III de la figure 1 ;
- la fig. 4 : un agrandissement de la partie encerclée de la figure 1.
Les dessins montrent un ensemble d'assemblages combustibles d'un
réacteur à neutrons rapides refroidis par gaz. Chaque assemblage est constitué
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assemblages sont placés selon un pas triangulaire et sont rassemblés par groupes de 6 assemblages autour d'une barre de contrôle 3 (fig. 2). Il est clair que dans d'autres groupes d'assemblages, la barre de contrôle 3 peut être remplacée soit par un autre assemblage combustible, soit par une barre d'arrêt ou de sécurité, soit encore par un tube vide contenant de l'instrumentation ou tout autre élément utile dans le coeur.
Chaque groupe appuie sur une plaque de base 4 qui forme également l'entrée du réfrigérant gazeux dans le coeur. La circulation du réfrigérant est représentée par les flèches 5. La plaque de support 4 repose sur un
pied 6 ayant la forme d'un pilier, ancré par sa partie inférieure dans le béton 7 entourant le coeur et formant la matière constituante de la cuve de réacteur. Ce pied 6 est creux et comporte une barre de contrôle 8 en plus d'instrumentation nécessaire pour les mesures indispensables à l'intérieur du coeur. C'est autour de ce pied que le système de secours suivant l'invention est installé.
En dessous de l'entrée du réfrigérant dans la cuve, le pied 6 est entouré d'un couvercle métallique 9. Ce couvercle consiste en une structure d'acier recouverte de fibres céramiques 10, constituant l'isolation thermique. Le bord de ce couvercle 11, qui touche le bord du couvercle adjacent, est exécuté en une plaque d'acier très mince facilement fusionnable. Ce bord constitue la séparation entre le coeur et le système de secours et peut Être facilement traversé par le coeur en fusion.
Autour du pilier du pied 6 se trouve un échangeur de chaleur 12 constitué d'un faisceau tubulaire hélicoïdal et enrobé d'une masse métallique 13 constituée de plomb et de cuivre et protégée par une gaine 14 en acier. La gaine 14 est entourée d'anneaux 15 en graphite superposés. La structure en graphite 15 est entourée d'un tissu en fibres réfractaires 16.
A sa base le faisceau tubulaire débouche sur une structure métallique 17,
qui constitue le collecteur pour le fluide réfrigérant. Cette structure comporte autour du pilier 6 autres colonnes de refroidissement 18 disposées également suivant un pas triangulaire substantiellement en dessous de chaque assemblage combustible. Chaque colonne 18 comporte un faisceau tubulaire
enrobé dans une masse métallique et protégé de la même façon que l'échangeur 12. La structure 17 repose sur une couche de graphite 19, supportée par le recouvrement 20 en acier de la cuve en béton 7. Cette couche de graphite est refroidie par le système de refroidissement de la cuve, constitué d'une
série de tubes parallèles 21.
Des calculs d'accident de coeur, basés sur un modèle de réacteur nucléaire commercial à neutrons rapides refroidi par gaz, équipé par un
système de secours suivant l'invention, ont permis d'établir que pour des débris d'un coeur en fusion produisant 20 watts par cm , la matière en fusion produira une chaleur sur la paroi du système de secours d'environ 100 watts
par cm . La température maximale de la gaine 14 sera ainsi inférieure à
1000[deg.] C. Le temps nécessaire pour la solidification des débris du coeur en fusion, qui pénètre dans le système de secours pourvu de passages de 8 à
10 cm entre les colonnes de refroidissement, serait d'environ 5 minutes tandis que le temps de remplissage du système de secours serait d'environ
30 secondes. On évite donc tout risque de bouchage des passages dans le système de secours par solidification de la masse en fusion. Par ailleurs,
il a été établi que la matière en fusion n'atteindrait jamais des températures d'ébullition.
Etant donné la différence de densité, le combustible se solidifiera en général dans la partie inférieure du système de secours tandis que la matière structurelle des assemblages (gaines, grilles, etc...) sera solidifiée dans la partie supérieure du système de secours. Cette séparation contribuera à éviter la fuite de produits de fission vers le circuit primaire dès que la solidification de toute la masse aura eu lieu.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, et que bon nombre de variantes peuvent y être apportées. Bien que la description soit axée sur un réacteur rapide refroidi par gaz,
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type de réacteur.
Revendications
1. Système de secours pour réacteur nucléaire, caractérisé par une zone
froide placée en dessous du coeur, permettant de refroidir rapidement une masse en fusion et de solidifier cette masse.
Emergency system for nuclear reactor
The present invention relates to a back-up system for nuclear reactors and more particularly but not exclusively for gas-cooled fast reactors.
During the design of a nuclear power station equipped with a reactor, one of the factors which condition the study is the major accident that may occur at the reactor, i.e. core meltdown.
The object of the present invention is to provide a safe solution
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of the reactor vessel in the event of an accident causing the core to melt.
Another object of the invention consists in a solution which makes it possible to avoid the complete melting of all the internal parts of the vessel by immediate cooling of the molten material.
Another object of the invention is to provide an emergency system which therefore allows:
1 [deg.] To avoid. the consequences of a boiling of the molten core by a
solidification of the molten material inside the reactor vessel
2 [deg.] Thus avoid damaging the tank due to the very high temperature.
high molten material
3 [deg.] Therefore to avoid any leakage of volatile fission products or
gas outside the tank.
The emergency system according to the invention is characterized by the creation of a cold zone below the core making it possible to cool the falling molten mass and to solidify it rapidly.
According to a particular form, this emergency system comprises a refrigerant circuit in the support zone of the fuel assemblies.
According to an advantageous embodiment, the foot of each assembly comprises a heat exchanger through which a cold liquid passes.
According to a preferred embodiment, the emergency system
is associated with a core concept according to which the fuel assemblies, placed in a triangular pitch, form hexagonal groups of 6 assemblies surrounding a 7th assembly or a control, stop or safety bar; this group of assemblies being supported by a single base plate which rests on a single foot. Associated with such a core concept, the back-up system can advantageously comprise a heat exchanger placed around the support foot surrounded by a number of cooling columns so as to constitute a back-up cooling module.
Advantageously, each module will include 6 cooling columns placed around the central cooling element.
According to a particular embodiment, each cooling column consists of a number of bundles of helical tubes enclosed in a metal mass and surrounded by a metal wall or sheath.
According to a particularly advantageous embodiment, the metal sheath is protected by a graphite envelope surrounded in turn by a fabric of refractory metal fiber.
Good protection of the cooling units is thus obtained. Indeed, the heat transfer of the bundle is facilitated by the metal mass in which this bundle is embedded. This mass also prevents thermal stresses caused by the molten core and at the same time prevents water leaks in the event of a tube rupture. This mass is covered with a metal sheath protected in turn against thermal shock by
a graphite shell; in order to prevent pieces from coming off
of this envelope and block the passages between the units, this envelope is protected by. a fabric resistant to high temperatures.
According to a particular embodiment, these modules are protected at their upper part by a metal structure comprising
thermal insulation layers. This structure constitutes a separation between the cooling modules and the core support plate. It should preferably be placed below the inlet of the primary refrigerant.
in the tank so as to substantially avoid any loss of heat from the primary refrigerant by the standby units. The upper metal structure must protect more particularly the graphite envelopes,
cooling units, against vibrations from the circulation of the primary refrigerant (vibrations due to acoustic energy
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from normal reactor operation.
According to a preferred and advantageous embodiment, the metal structure separating the cooling units in the vessel from the rest of the parts of the reactor is provided, preferably at the location of the contour of each cooling module, with thin metal sections which are easy to melt. so that the structure constitutes a total separation but can be easily crossed by the mass of the molten core.
i According to a particular embodiment, the cooling towers and the central column have a common basic structure.
provided with one or more inlets and outlets for the refrigerant. This
structure will preferably be executed so as to obtain a power
separate for 2 adjacent units. Damage to the
the basic structure by the molten mass in the event of loss of the cold source of a cooling unit.
The invention will be described below in more detail with the aid of a
example of implementation and with reference to the attached figures which represent:
- fig. 1: a schematic vertical section of an emergency device according to the invention;
- fig. 2: a section along the line II-II of FIG. 1;
- fig. 3: a section along line III-III of FIG. 1;
- fig. 4: an enlargement of the circled part of figure 1.
The drawings show a set of fuel assemblies of a
gas-cooled fast neutron reactor. Each assembly is made up of
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assemblies are placed in a triangular pitch and are gathered in groups of 6 assemblies around a control bar 3 (fig. 2). It is clear that in other groups of assemblies, the control bar 3 can be replaced either by another fuel assembly, or by a stop or safety bar, or even by an empty tube containing instrumentation. or any other useful element in the heart.
Each group presses on a base plate 4 which also forms the entry of the gaseous refrigerant into the core. The flow of refrigerant is shown by arrows 5. The support plate 4 rests on a
foot 6 having the shape of a pillar, anchored by its lower part in the concrete 7 surrounding the core and forming the constituent material of the reactor vessel. This foot 6 is hollow and comprises a control bar 8 in addition to the instrumentation necessary for the essential measurements inside the heart. It is around this foot that the emergency system according to the invention is installed.
Below the entry of the coolant into the tank, the foot 6 is surrounded by a metal cover 9. This cover consists of a steel structure covered with ceramic fibers 10, constituting the thermal insulation. The edge of this cover 11, which touches the edge of the adjacent cover, is made of a very thin steel plate that is easily fusible. This edge forms the separation between the core and the back-up system and can be easily crossed by the molten core.
Around the pillar of the foot 6 is a heat exchanger 12 consisting of a helical tubular bundle and coated with a metal mass 13 consisting of lead and copper and protected by a steel sheath 14. The sheath 14 is surrounded by superimposed graphite rings 15. The graphite structure 15 is surrounded by a fabric of refractory fibers 16.
At its base, the tubular bundle opens onto a metal structure 17,
which constitutes the collector for the refrigerant. This structure comprises around the pillar 6 other cooling columns 18 also arranged in a triangular pitch substantially below each fuel assembly. Each column 18 comprises a tube bundle
coated in a metal mass and protected in the same way as the exchanger 12. The structure 17 rests on a layer of graphite 19, supported by the steel covering 20 of the concrete tank 7. This layer of graphite is cooled by the tank cooling system, consisting of a
series of parallel tubes 21.
Core accident calculations, based on a model of a gas-cooled commercial fast neutron nuclear reactor equipped with a
emergency system according to the invention, have made it possible to establish that for debris from a molten core producing 20 watts per cm, the molten material will produce heat on the wall of the emergency system of about 100 watts
per cm. The maximum temperature of the sheath 14 will thus be lower than
1000 [deg.] C. The time required for the solidification of the debris from the molten core, which enters the emergency system provided with passages from 8 to
10 cm between the cooling columns, would be approximately 5 minutes while the filling time of the back-up system would be approximately
30 seconds. Any risk of blockage of the passages in the emergency system by solidification of the molten mass is therefore avoided. Otherwise,
it was established that the molten material would never reach boiling temperatures.
Given the difference in density, the fuel will generally solidify in the lower part of the backup system while the structural material of the assemblies (ducts, grids, etc.) will be solidified in the upper part of the backup system. This separation will help prevent the leakage of fission products to the primary circuit as soon as the solidification of the whole mass has taken place.
It is obvious that the invention is not limited to the embodiment described, and that a good number of variations can be made thereto. Although the description focuses on a gas cooled fast reactor,
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type of reactor.
Claims
1. Emergency system for nuclear reactor, characterized by a zone
cold placed below the core, allowing a molten mass to be cooled rapidly and this mass to be solidified.