FR3079959A1 - Reacteur refroidi au sodium en cuve posee, chauffant un gaz pour turbo-alternateur sans circuit intermediaire - Google Patents

Abstract

Un réacteur nucléaire refroidi au sodium est proposé, à cuve posée sur le fond d'un puits dans le sol, une fuite de sodium par le fond plan de cuve étant limitée par un matériau isolant et réfractaire sous ce fond. Autour de la région centrale contenant le cœur nucléaire et ses couvertures sur le sommier posé sur le fond, le sodium en descente à faible vitesse est refroidi par des circuits d'azote sous pression dans des tubes de faible diamètre suspendus sous des couvercles, en liaison à un turbo-alternateur, sans circuit intermédiaire de sodium. L'arrivée de gaz dans le cœur à la suite d'une fissure de tube est limitée par la remontée des bulles de gaz, au-dessus d'un certain diamètre de bulles, dans le sodium descendant. Les extrémités des tubes d'échange sont serrées et soudées dans les extrémités non élargies des tubes verticaux de collecte, remplaçant des plaques à tubes sujettes à rupture. Après arrêt du réacteur, la décroissance de puissance résiduelle permet, avec remplacement progressif du sodium et de l'azote par de l'eau, des chargements supplémentaires en combustibles usés, dans la région centrale puis en région périphérique, et finalement dans le puits refroidi par conduction vers le sol. Ces chargements peuvent incorporer divers déchets.

Description

La présente invention fait suite au brevet BF1400002 de l’auteur, qui décrit un réacteur nucléaire à neutrons rapides dont la cuve à sodium, à fond plat et paroi cylindrique, est posée dans une cuve de sûreté en béton refroidie et encastrée dans le sol. Le fond à la plus basse température est posé par l’intermédiaire de viroles concentriques en gradient thermique, dont les intervalles sont remplis d’un matériau isolant et réfractaire tel que l’alumine ou la magnésie, estimé devoir interdire une fuite de sodium primaire. Au-dessus, comme dans les réacteurs à cuve suspendue, les températures s’élèvent. La dalle supérieure est refroidie, au-dessus d’une couche d’argon. Cette cuve posée est ici adoptée, et une fuite de sodium primaire, entraînant un trouble neutronique, n’est pas estimée possible.

. Dans le projet EFR de réacteur 3600 MWth, 1470 MWe, le diamètre de la cuve suspendue est de 17.2 m et la hauteur de16 m. Pour un réacteur proposé, on conserve un ensemble de données : température de sodium entre 395°C et 545°C, débit de sodium 19000 kg/s ou 23.7 m³/s, hauteur de sommier et cœur 6 m, hauteur de cœur à surface sodium 5.5 m, hauteur d’argon 1.58 m, épaisseur de dalle 0.85 m, diamètre à la base de sommier 8.2 m, diamètre grand bouchon tournant 7.2 m, trois pompes primaires diamètre 1.9 m.

On propose ainsi une cuve posée de diamètre 22 m, hauteur sommier et cœur 6 m, hauteur de fond à surface de sodium 11.5 m, avec argon 13.2 m, volume total sous dalle 5000 m3. La cuve en acier inoxydable est soumise à la base pour une densité moyenne de 840 kg/m3 à une pression statique de 9660 kg/m² soit pour le rayon 11m une force tangentielle de106260 d’kg/m et pour une épaisseur 15 mm une contrainte à la base de 7.09 kg/mm² acceptable à 395°.La masse totale de l’ordre de 5000 tonnes peut être portée par une longueur de 100 m de viroles d’épaisseur 1cm et de hauteur par exemple 1 m, recevant 501 par mètre pour une contrainte moyenne de 0.5 kg/mm², et assurant une grande résistance aux efforts sismiques.

Ces viroles, y compris la virole périphérique recevant la paroi de cuve, sont soudées sur un fond plan refroidi à l’eau recouvrant le béton, et leurs intervalles sont ensuite remplis par le matériau isolant et réfractaire. Le fond de la cuve, alors descendue au contact, porte des rainures pour l’insertion non soudée des viroles, la paroi de cuve étant seule soudée. Les contraintes de flexions pour un déplacement radial total en périphérie de 2.3 mm pour la variation de 380° sont acceptables.

Le sommier, de même axe, résistant en pression, porte une virole de protection autour des éléments verticaux hexagonaux du cœur nucléaire et de sa couverture, alimentés en sodium avec diverses pertes de charge par les pompes. Le sodium ainsi chauffé descend en refroidissement autour de cette virole. Repris à la base par des pompes proches de la périphérie de la cuve, il est injecté dans le sommier par des conduits radiaux.

Une telle cuve, réalisée en acier inoxydable, peut être contenue dans une cuve de sûreté en béton encastrée dans le sol, refroidie et protégée intérieurement par des tôles ondulées verticalement permettant les dilatations, posées autour de la cuve à sodium avec un intervalle en air par exemple de 0.3 m permettant une détection de fuite.

Selon l’invention, une telle cuve posée permet un refroidissement du réacteur par un circuit de gaz sous pression tel que l’azote actionnant en cycle Brayton un turbo-alternateur, sans les usuels circuits intermédiaires en sodium destinés à éviter l’arrivée dans le cœur de gaz troublant la réaction neutronique, circuits complexes et de grand développement autour d’une cuve, vulnérables à diverses agressions, internes ou extérieures. En effet, une fuite de gaz par fissure donne des bulles qui au-delà d’un certain diamètre ne doivent pas être entraînées par le sodium, ce qui impose de faibles vitesses, aisément réalisables en cuve posée.

Dans la cuve de section 380 m², on peut utiliser pour l’échange sodium/gaz autour de la virole centrale de protection de diamètre 8.2 m et section 52.8 m², six viroles d’échange de diamètre 6 m (170 m²), et trois pompes de diamètre 2 m (10 m²). Dans les viroles, la section de sodium, déduction faite des circuits de gaz, est évaluée à 130 m². La vitesse descendante des 23.7 m3/s de sodium dans les viroles d’échange est de 0.1823 m/s. Les bases des viroles aboutissent, au niveau supérieur du sommier central, à une tôle horizontale maintenue par des piliers sur le fond de cuve et arrivant à sa paroi, formant avec le fond de cuve un collecteur circulaire pour le sodium refroidi.

Le gaz moins conducteur que le sodium demande dans la cuve de grandes surfaces de contact. Des échangeurs verticaux de type usuel avec plaques à tubes, de sommet ouvert latéralement en périphérie sur le sodium chaud, et plantés dans un collecteur, pourraient être utilisés autour de la virole centrale résistante. Une disposition est proposée, sans plaques à tubes pouvant donner par rupture une grande fuite.

Le gaz circule dans de nombreux tubes d’échange de faible section, n’ouvrant par fissuration que des fuites mineures, connectés aux bases des tubes verticaux de grand diamètre les reliant au turbo-alternateur, Dans leurs extrémités, les tubes d’échange serrés entre eux en réseau hexagonal, liés par soudage, chacun portant trois lignes de soudure sur ses voisins, forment des bouchons rendus circulaires par des ajouts soudés. Ces bouchons, soudés dans les extrémités non accrues en diamètre des tubes verticaux, forment les répartiteurs et les collecteurs de gaz, estimés à très faibles fuites.

Les tubes d’échange forment des faisceaux suspendus sous des couvercles reposant sur la dalle du réacteur, traversés chacun par un tube vertical d’arrivée de gaz, allant vers le fond, et par un tube de sortie proche du sommet. Un faisceau peut être constitué de spirales, ou de parcours avoisinants dans le volume disponible entre la virole résistante et la paroi de cuve. Les espaces de sodium laissés libres entre ces parcours pourraient participer à l’échange, en raison de la grande conduction du sodium et d’une stratification en température rendue possible par les faibles vitesses de sodium et les faibles pertes de charge, et favorisée par une grille horizontale sous la zone d’échange. La figure montre cependant des viroles verticales circulaires entourant des tubes en spirales de divers diamètres, viroles ouvertes par le fond sur une tôle horizontale qui forme avec le fond de cuve un collecteur entourant le sommier, où aspirent les pompes.

On suppose négligeables les effets de viscosité. Une bulle sphérique de gaz de rayon R et vitesse V dans un liquide de densité p donne une traînée 0.2nR²pV² pour une force ascensionnelle 4/3 kR³ pg, d’où V²=6.7 Rg. Pour la vitesse de 0.1823 m/s, le rayon d’une bulle entraînée par le courant est inférieur à 0.5 mm. De telles bulles, même nombreuses, ne paraissent pas troubler les écoulements et les réactions dans le cœur. Leur rayon peut encore être diminué dans les pompes. Ce résultat est à confirmer par des essais intégrant les écoulements dans les éléments combustibles,

Sous la dalle, autour de chaque couvercle de faisceau, une jupe conique forme sur le niveau de sodium un espace où l’atmosphère d’argon est maintenue à une pression plus basse, le niveau de sodium étant ainsi surélevé. Une fuite de gaz, remontant dans le sodium, parvient dans cet espace où elle est détectée par baisse du niveau, et le circuit pour cet échangeur peut être coupé avant réparation, la production étant poursuivie à puissance réduite.

Un tel réacteur peut recevoir les dispositions usuelles, comme le couvercle-cœur à double bouchon tournant permettant depuis la dalle les renouvellements de combustible, les mesures de température et les détections de rupture de gaine. La dalle de réacteur peut être supportée par la cuve à sodium, ou par la paroi refroidie en béton contre le sol.

Le grand volume de sodium consacré à l’échange permet en cas d’accident une longue durée de convection naturelle, et peut être accru sans difficulté dans une telle cuve posée. Même de grand diamètre, non entourée par des circuits, elle est aisément construite en puits dans un sol sec. Elle est liée au turbo-alternateur ou à une piscine réfrigérante par des conduits verticaux de gaz de grande hauteur favorisant la convection naturelle. La température basse du sodium est à choisir, pouvant être inférieure à 345°C malgré une perte de rendement, pour accroître la capacité thermique utilisée en cas d’accident.

Le réacteur proposé peut être construit en souterrain en puits dans un sol sec, sans onéreuse enceinte externe, refroidi par de l’eau pompée depuis la mer ou un fleuve, en retour avec récupération d’énergie. Cette construction en souterrain lui donne une grande sûreté vis-à-vis de toute agression externe, favorise sa sûreté vis-à-vis d’agressions internes, et évite les conséquences extérieures d’accidents. Son prix parait inférieur à celui des réacteurs à cuve suspendue, à circuits secondaires de sodium, en enceintes externes, ceci pouvant permettre d’exploiter les grands avantages écologiques des réacteurs à neutrons rapides, en matière de réduction de la consommation d’uranium et de durée des déchets. Sa sûreté pourrait le faire accepter par l’ensemble du public.

Après fermeture du réacteur et mise en circulation naturelle du gaz, la cuve permet le stockage pratiquement indéfini d’une grande quantité de combustible usé, d’abord dans sa cuve avec remplacement du sodium par de l’eau borée, puis dans ses viroles avec les circuits remplis d’eau au lieu de gaz sous pression, avant extraction des couvercles et des circuits et utilisation directe pour déchets. Le puits peut être finalement rempli de déchets refroidis en conduction par le sol. La construction de tels réacteurs permettrait de ne pas poursuivre celle des sites souterrains actuels.

Claims (5)

1. Revendications

   1 ) Réacteur nucléaire refroidi au sodium, caractérisé en ce que la chaleur produite est transmise dans la cuve posée du réacteur à un circuit de gaz sous pression actionnant un turbo-alternateur.
2. 2) Réacteur selon revendication 1, caractérisé en ce que l’échange de chaleur entre le sodium et le gaz sous pression est effectué dans des faisceaux de tubes contenus dans un espace entre la paroi de cuve et la région centrale consacrée aux éléments du cœur et de sa couverture, espace dont la grande section permet une basse vitesse du sodium, telle que remonte vers une détection une grande part d’un éventuel débit de fuite.
3. 3) Réacteur selon revendication 2, caractérisé en ce que les faisceaux sont suspendus sous des couvercles, disposés dans la dalle supérieure du réacteur sur l’espace d’échange, la base de chaque couvercle étant entourée d’une jupe dans laquelle est maintenue une pression d’argon inférieure à celle de la région centrale sous la dalle du réacteur, une fuite entraînant une montée du niveau de sodium, dont la détection permet la prise des mesures nécessaires.
4. 4) Réacteur selon revendication 2, caractérisé en ce que le sodium en refroidissement est contenu dans des viroles ouvertes au niveau supérieur, dont les bases sont ouvertes, au niveau du sommier central, sur une tôle horizontale entre la région centrale et la paroi de cuve, formant avec le fond de cuve un collecteur circulaire pour le sodium repris par les pompes.
5. 5) Réacteur selon revendication 3, caractérisé en ce que les couvercles sont traversés par de forts tubes verticaux formant les répartiteurs et collecteurs de gaz, dans lesquels les extrémités des tubes d’échange sont serrées et soudées en réseau hexagonal.