FR2550371A2

FR2550371A2 - Process and device for post-accidental cooling of the confinement enclosure of a nuclear reactor

Info

Publication number: FR2550371A2
Application number: FR8312996A
Authority: FR
Inventors: Didier Costes
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1981-06-09
Filing date: 1983-08-05
Publication date: 1985-02-08
Also published as: FR2550371B2

Abstract

Device for post-accidental cooling of the confinement enclosure 16 of a pressurised water nuclear reactor according to the principal patent, characterised in that it comprises, in series, a turbine 22 fed with the moist air present in the enclosure, a condenser 28 in which the air leaving the turbine is dried and cooled by an external coolant fluid, and a compressor 32 driven by the turbine and sending the dried air back into the enclosure.

Description

La présente invention est une addition au brevet principal NO EN 81 11309 déposé le 9 Juin 1981 et concerne un ensemble de dispositions visant à une amélioration de l'appareil concerné, sans modification de son principe de base. The present invention is an addition to the main patent NO EN 81 11309 filed on June 9, 1981 and relates to a set of provisions aimed at improving the device concerned, without modifying its basic principle.

On rappelle que le brevet principal concerne un dispositif de refroidissement post-accidentel de l'enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire à eau sous pression. Dans le but d'assurer le refroidissement du coeur et la limitation de la pression et de la température du mélange d'air et de vapeur dans l'enceinte, alors même que toute source d'énergie mécanique ou électrique se trouverait indisponible, le dispositif selon le brevet principal comprend en série une turbine alimentée par le mélange d'air et de vapeur de l'enceinte, un condenseur dans lequel le mélange sortant dé la turbine est refroidi et ainsi asséché grâce à une circulation de fluide de refroidissement externe, et un compresseur actionné par la turbine et renvoyant l'air asséché dans l'enceinte la puissance recueillie en excès permet d'actionner la circulation du fluide de refroidissement externe, ainsi que des dispositifs de protection du coeur nucléaire. It will be recalled that the main patent relates to a device for post-accidental cooling of the confinement enclosure of a pressurized water nuclear reactor. In order to ensure the cooling of the core and the limitation of the pressure and the temperature of the mixture of air and vapor in the enclosure, even when any source of mechanical or electrical energy would be unavailable, the device according to the main patent comprises in series a turbine supplied by the mixture of air and steam from the enclosure, a condenser in which the mixture leaving the turbine is cooled and thus dried up by an external circulation of coolant, and a compressor actuated by the turbine and returning the dried air into the enclosure, the power collected in excess makes it possible to activate the circulation of the external cooling fluid, as well as devices for protecting the nuclear core.

Alors que les principes ci-dessus restent inchangés, une étude supplémentaire du dispositif a conduit à modifier certaines dispositions secondaires du brevet principal, ou à en ajouter de nouvelles
- il n'est plus considéré comme opportun de refroidir l'air sortant du compresseur avant son rejet dans l'enceinte, dans la mesure où l'on s'intéresse davantage à l'énergie mécanique obtenue qu'à la réfrigération de l'enceinte ;
- de même, il n'est plus considéré comme opportun de refroidir directement l'enceinte par une pulvérisation d'eau ;;
- l'entratnement direct par la turbine principale de la pompe d'injection d'eau dans le circuit primaire pour la sauvegarde du coeur nucléaire posant des problèmes d'adaptation aux diverses conditions rencontrées, on peut prévoir plusieurs turbines en parallèle entre l'enceinte et le condenseur, une turbine principale actionnant le compresseur et les autres diverses pompes
- le travail de compression se trouvant diminué si un brouillard d'eau est mélangé à l'air entrant dans le compresseur, on peut prévoir un dispositif spécial de pulvérisation ;;
- le condenseur était prévu à tubes, pour isoler le fluide externe de refroidissement de l'atmosphère interne polluée, on peut utiliser un condenseur à contact avec un circuit d'eau intermédiaire refroidi dans un échangeur par le fluide externe
- disposant à la sortie du compresseur d'un flux d'air relativement chaud et sec, on peut lui faire traverser un massif catalytique ou un massif de réactif chimique éliminant l'hydrogène gazeux qui a pu se former au cours de l'accident du coeur ;;
- le dispositif pouvant se trouver mis en défaut si de grandes quantités de gaz carbonique étaient créées au cours d'un grave accident, par réaction des produits fondus du coeur nucléaire venant au contact du béton calcaire de la dalle de l'enceinte de confinement, il parait opportun d'installer sous la cuve de réacteur un massif perméable en matériau inerte et réfractaire, qui soit imprégné d'eau à sa base en cas d'accident, par communication avec les puisards de l'enceinte, de telles disposi tions présentant une analogie avec celles proposées par le brevet français EN 78 21493 du même auteur ; le massif peut être constitué d'oxyde d'uranium appauvri ;
- le dispositif de démarrage automatique a été révisé.While the above principles remain unchanged, an additional study of the device has led to modify certain secondary provisions of the main patent, or to add new ones.
- it is no longer considered advisable to cool the air leaving the compressor before it is discharged into the enclosure, insofar as one is more interested in the mechanical energy obtained than in the refrigeration of the pregnant;
- similarly, it is no longer considered advisable to cool the enclosure directly by spraying water;
- direct drive by the main turbine of the water injection pump in the primary circuit for safeguarding the nuclear core, posing problems of adaptation to the various conditions encountered, it is possible to provide several turbines in parallel between the enclosure and the condenser, a main turbine driving the compressor and the other various pumps
- the compression work being reduced if a water mist is mixed with the air entering the compressor, a special spraying device can be provided;
- the condenser was provided with tubes, to isolate the external cooling fluid from the polluted internal atmosphere, one can use a condenser in contact with an intermediate water circuit cooled in an exchanger by the external fluid
- having a relatively hot and dry air flow at the outlet of the compressor, it can be passed through a catalytic solid mass or a solid mass of chemical reagent eliminating the gaseous hydrogen which may have formed during the accident heart;
- the device which could be faulted if large quantities of carbon dioxide were created during a serious accident, by reaction of the molten products of the nuclear core coming into contact with the limestone concrete of the slab of the containment, it seems advisable to install under the reactor vessel a permeable solid mass of inert and refractory material, which is impregnated with water at its base in the event of an accident, by communication with the sumps of the enclosure, such provisions having an analogy with those proposed by French patent EN 78 21493 by the same author; the solid can be made of depleted uranium oxide;
- the automatic start device has been revised.

L'ensemble de telles dispositions secondaires sera illustré à l'aide des dessins suivants représentant seulement un mode d'exécution - la figure 1 est une vue en coupe schématique mon
trant l'implantation d'un dispositif selon l'in
vention placé à l'intérieur d'une enceinte de con
finement, le condenseur étant du type à tubes et la
même turbine entraînant le compresseur et plusieurs
pompes - la figure 2 montre un dispositif où le condenseur
est à contact et où une turbine spéciale actionne
la pompe d'injection d'eau pour le refroidissement
de secours du coeur.The set of such secondary arrangements will be illustrated using the following drawings showing only one embodiment - Figure 1 is a schematic sectional view my
trant implantation of a device according to the in
vention placed inside a con enclosure
finely, the condenser being of the tube type and the
same turbine driving the compressor and several
pumps - Figure 2 shows a device where the condenser
is in contact and where a special turbine operates
the water injection pump for cooling
relief from the heart.

Sont présentées sur la figure 1, la. cuve sous pression 10 du réacteur contenant le coeur nucléaire 12 ainsi que les tubulures 14 d'entrée ou de sortie de l'eau sous pression qui assure le transfert de la chaleur dégagée dans le coeur. La cuve 10 est logée dans l'enceinte de confinement 16 réalisée par exemple en béton. Après un accident éventuel, l'atmosphère interne 18 de l'enceinte est formée d'un mélange d'air et dé vapeur. Are shown in Figure 1, the. pressure vessel 10 of the reactor containing the nuclear core 12 as well as the pipes 14 for inlet or outlet of the pressurized water which ensures the transfer of the heat released into the core. The tank 10 is housed in the confinement enclosure 16 made for example of concrete. After a possible accident, the internal atmosphere 18 of the enclosure is formed of a mixture of air and vapor.

Comme on l'a décrit dans la demande principale, l'invention concerne un dispositif qui utilise la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère interne 18 pour obtenir de l'énergie mécanique permettant de remplir toutes les fonctions nécessaires à la sauvegarde de l'installation. Plus précisément, le dispositif selon l'invention com- prend une turbine 22 dans laquelle le mélange d'air et de vapeur contenu dans l'enceinte se trouve détendu avec production de travail. L'air humide à basse pression sortant de la turbine 22 est acheminé par une canalisation 26 dans un condenseur 28. I1 ressort de ce condenseur par une canalisation 30 qui l'amène jusqu'à un compresseur 32, recevant au moins une partie du travail produit par la turbine 22. As described in the main application, the invention relates to a device which uses the condensation of water vapor contained in the internal atmosphere 18 to obtain mechanical energy making it possible to fulfill all the functions necessary for the backup of the installation. More specifically, the device according to the invention comprises a turbine 22 in which the mixture of air and steam contained in the enclosure is expanded with production of work. The low pressure humid air leaving the turbine 22 is conveyed by a pipe 26 in a condenser 28. It leaves this condenser by a pipe 30 which brings it to a compressor 32, receiving at least part of the work produced by turbine 22.

Selon une caractéristique de la présente addition, l'espace situé à l'aval du compresseur 32 est relié à l'intérieur 18 de l'enceinte 16 par l'intermédiaire d'un clapet 33. Une vanne par tout ou rien 35 est montée sur la sortie de la turbine 22. According to a characteristic of the present addition, the space located downstream of the compressor 32 is connected to the interior 18 of the enclosure 16 by means of a valve 33. An all-or-nothing valve 35 is mounted on the outlet of turbine 22.

Cette vanne pourrait également être montée sur l'en- trée de la turbine. Elle est actionnée par la différence de pression qui existe entre l'intérieur de l'enceinte 16 et le condenseur 28. A cette fin, son opercule de fermeture 35a est rendu solidaire d'un piston 35b sur une face duquel s'applique la pression d'enceinte, et sur l'autre face duquel s'applique la pression de condenseur, par le moyen d'une canalisation 35c. Un dispositif élastique de type connu tel que 35d pousse l'opercule 35a soit en position complètement ouverte, soit en position complètement fermée. De cette façon, la vanne 35 s'ouvre brusquement lorsque la différence de pression entre l'enceinte et le condenseur atteint un seuil déterminé. Elle se referme brusquement lorsque cette différence descend en-dessous d'un autre seuil plus bas.De préférence, l'espace situé à l'aval du compresseur 32 est relié à un ballon 37 accroissant le volume en dépression avant le démarrage de la turbine 22. Cette disposition a pour but d'accroître l'intensité du courant d'air dans la turbine, lorsque s'ouvre la vanne 35, afin de faciliter son démarrage. This valve could also be mounted on the inlet of the turbine. It is actuated by the pressure difference which exists between the interior of the enclosure 16 and the condenser 28. To this end, its closing cap 35a is made integral with a piston 35b on one face of which the pressure is applied. enclosure, and on the other side of which the condenser pressure is applied, by means of a pipe 35c. An elastic device of known type such as 35d pushes the cover 35a either in the fully open position or in the fully closed position. In this way, the valve 35 opens suddenly when the pressure difference between the enclosure and the condenser reaches a determined threshold. It closes abruptly when this difference drops below another lower threshold. Preferably, the space located downstream of the compressor 32 is connected to a balloon 37 increasing the volume under vacuum before starting the turbine. 22. The purpose of this arrangement is to increase the intensity of the air current in the turbine, when the valve 35 opens, in order to facilitate its starting.

Dans le but de permettre un redémarrage de la turbine après une phase où la pression de condenseur se serait trouvée trop élevée par rapport à la pression d'enceinte, une canalisation 29 de petit diamètre assure, la vanne 35 se trouvant fermée, une décharge lente du condenseur vers l'atmosphère, par l'intermédiaire d'un clapet 29a et d'un filtre 29b limitant l'émission de produits radioactifs vers l'extérieur. Une vanne supplémentaire 29c manoeuvrable par le personnel d'exploitation permet de ne faire fonctionner ce dispositif de redémarrage que dans certains cas. In order to allow a restart of the turbine after a phase where the condenser pressure would have been too high compared to the enclosure pressure, a small diameter pipe 29 ensures, valve 35 being closed, a slow discharge from the condenser to the atmosphere, via a valve 29a and a filter 29b limiting the emission of radioactive products to the outside. An additional valve 29c maneuverable by the operating personnel makes it possible to operate this restarting device only in certain cases.

Selon une autre caractéristique représentée sur la figure 1, l'air chaud et relativement sec obtenu à la sortie du compresseur peut ne pas être envoyé directement vers l'enceinte par le clapet 33, mais traverser un massif de recombinaison catalytique 45 en vue de combiner à l'oxygène de l'air l'hydrogène qui aurait pu être produit à certaines phases de l'accident, malgré la protection apportée par le dispositif. Ce massif peut etre constitué par exemple de particules d'alumine imprégnées de palladium, selon une technique connue. On pourrait encore absorber l'hydrogène par un corps chimique convenable tel que le zirconium. L'envoi du débit d'air sur le massif 41 peut être effectué grâce à une vanne télécommandée 43. La recombinaison catalytique requiert que le mélange soit relativement sec et chaud, ce qui se trouve bien obtenu à la sortie du compresseur dans le dispositif selon l'invention. According to another characteristic shown in FIG. 1, the hot and relatively dry air obtained at the outlet of the compressor may not be sent directly to the enclosure by the valve 33, but pass through a mass of catalytic recombination 45 in order to combine to the oxygen in the air the hydrogen that could have been produced during certain phases of the accident, despite the protection provided by the device. This solid can be made for example of alumina particles impregnated with palladium, according to a known technique. Hydrogen could also be absorbed by a suitable chemical body such as zirconium. The air flow on the block 41 can be sent using a remote-controlled valve 43. The catalytic recombination requires that the mixture be relatively dry and hot, which is well obtained at the outlet of the compressor in the device according to the invention.

Selon une autre caractéristique représentée sur la figure 1, le plancher en béton 16a de l'enceinte de confinement 16 comporte une dalle poreuse ou granuleuse réfractaire 39. Cette dalle est intégrée au plancher 16a. Elle est mise en communica tion grâce à une canalisation 41 avec les puisards 43 de l'enceinte. Dans l'hypothèse d'un grave accident avec écoulement de matériaux fondus, cette dalle se trouve au préalable imprégnée d'eau et elle peut arrêter les matériaux sans surchauffe mais avec une production intense de vapeur, favorable au fonctionnement du dispositif selon l'invention. Les wexplo- sions de vapeur" qui pourraient se produire en cas de chute de matériau fondu dans un récipient d'eau liquide sont, selon toute vraisemblance, évitées si le contact avec l'eau est rendu moins brutal grâce à la disposition décrite.Les matériaux fondus, ainsi arrêtés et refroidis, ne sont pas susceptibles d'attaquer le béton sous-jacent ce qu-i produirait du gaz carbonique, gaz incondensable défavorable au fonctionnement du dispositif selon l'invention. Ils pourraient en revanche réagir avec l'eau et produire une quantité supplémentaire d'hydrogène, par rapport à ce qui a été produit avant l'écoulement des matériaux fondus. On a vu précédemment que cet hydrogène pouvait être éliminé grâce aux particularités de l'invention. According to another characteristic shown in FIG. 1, the concrete floor 16a of the confinement enclosure 16 comprises a porous or granular refractory slab 39. This slab is integrated into the floor 16a. It is brought into communication with a pipe 41 with the sumps 43 of the enclosure. In the event of a serious accident with flow of molten materials, this slab is previously impregnated with water and it can stop the materials without overheating but with an intense production of steam, favorable to the operation of the device according to the invention . "Steam explosions" which could occur if molten material fall into a container of liquid water are, in all likelihood, avoided if the contact with water is made less brutal by virtue of the arrangement described. molten materials, thus stopped and cooled, are not likely to attack the underlying concrete which would produce carbon dioxide, an incondensable gas unfavorable to the functioning of the device according to the invention, but they could react with water and to produce an additional quantity of hydrogen, compared to what was produced before the flow of the molten materials, as we have seen above, this hydrogen could be eliminated thanks to the features of the invention.

La figure 1 montre encore que la pompe 62 d'extraction d'eau du condenseur peut, par l'intermédiaire d'une vanne 62a envoyer un débit d'eau pulvérisée en amont du compresseur 32. En effet, on peut montrer qu'un excès d'eau sous forme de brouillard permet de réduire le travail de recompression et donc d'accroître la puissance utilisable. Bien entendu, cette pulvérisation ne doit pas être mise en oeuvre si l'on désire obtenir un air chaud et sec à la sortie du compresseur, pour permettre l'élimination d'hydrogène. FIG. 1 also shows that the pump 62 for extracting water from the condenser can, by means of a valve 62a, send a flow of sprayed water upstream of the compressor 32. In fact, it can be shown that a excess water in the form of a mist reduces the recompression work and therefore increases the usable power. Of course, this spraying should not be carried out if it is desired to obtain hot and dry air at the outlet of the compressor, to allow the elimination of hydrogen.

On a réprésenté sur la figure 2 une vue partielle montrant d'autres caractéristiques de la présente addition. Dans cette réalisation, le condenseur 128 est du type à contact. L'échange de chaleur se produit lors d'un contact entre un courant ascendant d'un mélange d'air et de vapeur à condenser et un courant-descendant d'eau de refroidissement qui se réchauffe progressivement. Cette eau de refroidissement est amenée à la partie supérieure de l'échangeur par une canalisation 129. Elle est ensuite répartie au moyen d'une douche 131 au-dessus des plaques verticales 133 réalisées par exemple en amiante-ciment, et pulvérisée en un brouillard. L'eau de refroidissement est refroidie dans un échangeur 120 par l'eau brute extérieure 122. FIG. 2 shows a partial view showing other characteristics of the present addition. In this embodiment, the condenser 128 is of the contact type. The heat exchange occurs when there is contact between an updraft of a mixture of air and steam to be condensed and a downdraft of cooling water which gradually heats up. This cooling water is brought to the upper part of the exchanger by a pipe 129. It is then distributed by means of a shower 131 above the vertical plates 133 made for example of asbestos-cement, and sprayed in a mist . The cooling water is cooled in an exchanger 120 by the external raw water 122.

L'utilisation d'un échangeur de ce type permet de sursaturer l'air extrait du condenseur au moyen du brouillard d'eau. I1 en résulte une réduction du travail de compression de l'air comme indiqué précédemment. The use of an exchanger of this type makes it possible to supersaturate the air extracted from the condenser by means of water mist. This results in a reduction in the air compression work as indicated above.

L'installation représentée sur la figure 2 comporte en outre une turbo-pompe. Cette turbo-pompe se compose d'une turbine 140 associée à une pompe 141 disposée sur le même axe 143 et qui aspire l'eau du bac 145. La turbine fonctionne en parallèle avec la turbine 22 entre l'atmosphère interne de l'enceinte et le condenseur 128. Naturellement, on pourrait prévoir plusieurs turbo-pompes telles que 140 pour procurer au moyen d'automatismes convenables un débit maximal d'injection d'eau de refroidissement sur le coeur, compte tenu de l'ensemble des pressions presentes. The installation shown in Figure 2 further includes a turbo pump. This turbo-pump consists of a turbine 140 associated with a pump 141 arranged on the same axis 143 and which draws water from the tank 145. The turbine operates in parallel with the turbine 22 between the internal atmosphere of the enclosure and the condenser 128. Naturally, several turbo-pumps such as 140 could be provided to provide, by means of suitable automatisms, a maximum rate of injection of cooling water onto the core, taking account of all the pressures present.

Claims

1. Post-accidental cooling device for the confinement enclosure (16) of a pressurized water nuclear reactor according to claim 1 of the main patent, characterized in that an all-or-nothing valve (35) is mounted on the inlet or outlet of the turbine (22), this valve (35) being actuated by the pressure difference which exists between the enclosure (18) and the condenser (28), the space located downstream of the compressor (32 ) being connected to the interior of the enclosure (18) by means of a valve (33).

2. Device according to claim 1, characterized in that the internal space of the condenser is connected to the external atmosphere by a pipe (29) comprising a valve allowing only the outlet to the outside, and a retention filter radioactive products.

3. Device according to any one of claims 1 and 2, characterized in that it further comprises at least one turbo-pump (140), the turbines of the turbo-compressor (22, 32) and of the turbo-pump (140) being mounted in parallel between the interior of the enclosure (18) and the condenser (28, 128).

4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the condenser (128) is of the type in contact between the mixture to be condensed and the cooling water.

5. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a porous refractory slab (39) located on the floor (16a) of the confinement enclosure (16), said slab being placed communication with the sumps (43) of the enclosure.

6. Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a capacity filled with a chemical reagent or a catalyst allowing the elimination of hydrogen gas.

7. A method of using a post-accidental cooling device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the air extracted from the condenser is oversaturated by a mist.