EP0070758B1

EP0070758B1 - Générateur de vapeur comprenant un dispositif détecteur de fuites

Info

Publication number: EP0070758B1
Application number: EP82401251A
Authority: EP
Inventors: Jean-Pierre Fabregue
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1981-07-08
Filing date: 1982-07-02
Publication date: 1984-12-19
Also published as: DE3261615D1; JPH0159558B2; JPS5866035A; US4515748A; FR2509433B1; EP0070758A1; FR2509433A1

Description

La présente invention concerne un générateur de vapeur équipé d'un dispositif de détection de fuites.
Dans les centrales électriques, une chaudière apporte de la chaleur au fluide d'un circuit primaire. Ce fluide circule alors dans un générateur de vapeur afin de céder sa chaleur à une eau d'un circuit secondaire qui est transformée en vapeur. Cette vapeur est alors envoyée dans les turbines.
Dans les centrales nucléaires, par exemple du type à neutrons rapides, il est connu d'utiliser comme fluide primaire 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.
Dans de tels générateurs de vapeur, des précautions toutes particulières doivent être 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 qui dégagent des gaz ; si de tels phénomènes se produisent dans le générateur de vapeur les surpressions qui se produisent sont susceptibles de provoquer sa destruction. Il est donc particulièrement important de détecter, lors du fonctionnement du générateur, la plus petite fuite pouvant se produire entre le circuit primaire et le circuit secondaire.
Il est connu d'effectuer, dans de tels générateurs de vapeur, des prélèvements en continu de sodium liquide, suivis d'une analyse chimique destinée à mettre en évidence qu'une quantité d'eau, même extrêmement faible se serait introduite dans ce sodium liquide à cause d'une fuite. L'analyse consiste à détecter la présence d'hydrogène dans le sodium, mettant en évidence l'introduction d'eau.
Les générateurs de vapeur du type « sodium-eau comprennent généralement un circuit primaire de sodium liquide et un circuit secondaire constitué d'une multitude de tubes immergés dans le sodium liquide et reliés par soudure à des plaques à tubes, l'eau introduite dans ces tubes se transformant en vapeur. Dans ce cas, les risques de fuites se situent au niveau des soudures reliant les tubes aux plaques à tubes. Un dispositif de détection de fuites connu consiste à analyser le sodium liquide prélevé au voisinage des plaques à tubes. Lors de ce prélèvement, une difficulté réside dans le fait que le sodium liquide circule à grande vitesse, ce qui entraîne une grande dilution des produits chimiques présents dans le sodium lors de l'apparition d'une fuite. Une autre difficulté réside dans le fait que le prélèvement de sodium liquide doit s'effectuer au niveau des plaques à tubes, or la présence d'un grand nombre de tubes dans cet espace empêche l'introduction d'un dispositif capable d'effectuer un prélèvement de sodium en tout point de ces plaques à tubes. Pour ces raisons, les dispositifs connus de prélèvement de sodium liquide pour la détection de fuites sont peu efficaces, tout en étant compliqués.
On connaît cependant du document EP-A-57 643, qui appartient à l'état de la technique visé à l'Article 54, 3 de la CBE, un générateur de vapeur équipé, du côté de la plaque à tubes adjacente à la chambre d'introduction du sodium, d'un collecteur tubulaire perforé permettant de prélever et d'analyser le sodium liquide contenu dans un espace défini entre cette plaque à tubes et un écran anti-thermique parallèle à celle-ci. Dans ce document, une dépression est créée à la périphérie de cet espace grâce à des tubes qui relient cette périphérie à une zone reliée par des orifices à la zone entourant les tubes. Une circulation de sodium depuis le centre de l'espace vers sa périphérie est ainsi obtenue.
La présente invention a pour objet un générateur de vapeur équipé d'un dispositif de détection de fuites différent de celui qui est décrit dans le document EP-A-57643 et éliminant les inconvénients des dispositifs connus.
A cet effet, il est proposé un générateur de vapeur comprenant un circuit primaire comportant une enceinte de circulation de sodium liquide entre une chambre d'introduction et une chambre d'évacuation du sodium, chaque chambre étant limitée du côté opposé à l'enceinte par une plaque à tubes, un premier écran anti-thermique étant disposé parallèlement à la plaque à tubes limitant la chambre d'introduction et séparé de celle-ci par un espace de confinement d'un volume de sodium pour la protection de cette plaque à tubes contre les chocs thermiques, un circuit secondaire comportant une pluralité de tubes de circulation d'eau fixés de façon étanche à leurs extrémités sur les plaques à tubes et débouchant, de l'autre côté de celles-ci, respectivement dans une chambre d'évacuation de vapeur et dans une chambre d'alimentation en eau, lesdits tubes traversant de façon non étanche l'écran anti-thermique, et un dispositif de détection de fuites par prélèvement de sodium comprenant un collecteur tubulaire perforé de prélèvement de sodium placé dans ledit espace à la périphérie de la plaque à tubes et relié par au moins une canalisation à des moyens d'analyse, et des moyens pour créer une circulation de sodium liquide depuis le centre de l'espace vers sa périphérie, caractérisé en ce que lesdits moyens pour créer une circulation de sodium comprennent une grille de distribution définissant une perte de charge entre la chambre d'introduction et l'intérieur de l'intérieur de l'enceinte, et des canaux traversant la chambre d'introduction pour faire communiquer l'intérieur de l'enceinte avec ledit espace au voisinage de la périphérie de la plaque à tubes.
De préférence, le générateur de vapeur selon l'invention comprend de plus un deuxième écran anti-thermique disposé parallèlement à la plaque à tubes limitant la chambre d'évacuation et séparé de celle-ci par un deuxième espace, les tubes traversant ce deuxième écran anti-thermique de façon non étanche, et un deuxième dispositif de détection de fuites comprenant un deuxième collecteur perforé, une deuxième grille de distribution définissant une perte de charge entre l'intérieur de l'enceinte et la chambre d'évacuation et des canaux traversant la chambre d'évacuation pour faire communiquer l'intérieur de l'enceinte avec le deuxième espace, au voisinage du centre de la plaque à tubes.
D'autres avantages apparaîtront lors de la description détaillée qui va suivre et qui se réfère à des modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés par les dessins annexés.

La figure 1 représente une couche schématisée d'un générateur de vapeur muni d'un dispositif de détection selon la présente invention.
La figure 2 représente une coupe agrandie de la partie du générateur de vapeur située à droite dans la figure 1.
La figure 3 est une coupe partielle, dans le même plan que la figure 2, montrant un exemple de réalisation particulier de l'invention.

En se reportant à la figure 1, nous distinguons un générateur de vapeur du type « sodium-eau _". Ce générateur de vapeur comporte une enceinte cylindrique 1 de forme allongée, remplie de sodium liquide en circulation constituant le circuit primaire. A une extrémité de cette enceinte, est fixée de façon étanche une enveloppe cylindrique fermée 2 munie d'une entrée de sodium liquide 3 et définissant une chambre d'introduction 4. Sur l'autre extrémité de l'enceinte cylindrique 1 est fixée de façon étanche une enveloppe cylindrique fermée 5 munie d'une sortie de sodium liquide 7 et définissant une chambre d'évacuation 6. Le sodium liquide constituant le circuit primaire de ce générateur de vapeur remplit complètement l'espace délimité par l'enveloppe fermée 2, l'enceinte cylindrique 1 et l'enveloppe fermée 5.
Le sodium liquide chauffé par les échangeurs primaires du réacteur nucléaire rentre par la chambre d'introduction 4 à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, cède sa chaleur à un circuit secondaire disposé à l'intérieur de cette enceinte cylindrique 1, puis ressort par la chambre d'évacuation 6 et retourne aux échangeurs primaires du réacteur nucléaire. Le circuit secondaire disposé à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1 est composé d'une pluralité de tubes droits 8 disposés parallèlement à l'axe longitudinal de l'enceinte cylindrique 1 et espacés régulièrement l'un de l'autre. Ces tubes traversent tout l'intérieur de l'enveloppe cylindrique 1 ainsi que les chambres d'introduction 4 et d'évacuation 6. Les extrémités de ces tubes sont reliées de part et d'autre à deux plaques à tubes 9, 10 qui constituent le fond étanche des enveloppes cylindriques fermées 2 et 5. Les faces opposées aux tubes des plaques à tubes 9, 10 communiquent avec des chambres 11, 12. Le circuit secondaire d'eau s'établit ainsi : l'eau est introduite par la chambre d'introduction 12 située du côté de la chambre d'évacuation du sodium 6 à l'intérieur des tubes 8, se transforme en vapeur grâce au sodium liquide chaud qui entoure les tubes 8 et ressort des tubes 8 par la chambre d'évacuation 11 située du côté comprenant la chambre d'introduction 4 du sodium liquide. Ce générateur de vapeur comporte en outre des grilles 13, 14 qui sont appliquées respectivement aux entrée et sortie de l'enceinte cylindrique 1 et qui sont destinées à provoquer une distribution uniformément répartie du débit de sodium liquide circulant à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, afin que ce sodium liquide cède sensiblement la même quantité de chaleur à tous les tubes 8. Ce générateur de vapeur comporte d'autre part des écrans anti-thermiques 15, 16 situés respectivement dans les chambres d'introduction du sodium 4 et d'évacuation du sodium 6 et disposés respectivement, parallèlement à une faible distance des plaques à tubes 9 et 10. Ces écrans anti-thermiques 15, 16 comportent une multitude de passages des tubes, ne sont par conséquent pas étanches au sodium liquide, mais limitent beaucoup la circulation du sodium liquide contenu dans l'espace situé entre ces écrans anti-thermiques et la plaque à tubes correspondante. Ces espaces 17, 18 renferment donc du sodium liquide circulant peu et donc pratiquement confiné qui protège les plaques à tubes 9, 10 des chocs thermiques.
Sur la figure 2 qui est une vue agrandie de la partie située à droite dans la figure 1, on retrouve principalement la chambre d'introduction 4 du sodium liquide, l'espace de protection 17 contre les chocs thermiques et la chambre d'évacuation de la vapeur 11. Cette figure 2 montre d'autre part un ensemble de moyens constituant le dispositif de détection de fuites qui fait l'objet de la présente invention et que nous allons décrire maintenant. Ce dispositif de détection de fuites comporte un dispositif de prélèvement situé à proximité de la plaque à tubes 9 afin d'effectuer l'analyse du sodium liquide situé au contact des soudures reliant les tubes 8 à cette plaque à tubes 9. Ce dispositif de prélèvement est constitué d'un collecteur tubulaire 19 en forme de tore disposé à l'intérieur de l'espace de protection 17, à une faible distance de la plaque à tubes 9 et au niveau de sa périphérie. Tous les tubes 8 sont donc disposés à l'intérieur du collecteur 19. Ce collecteur 19 est muni d'une pluralité d'orifices de prélèvement répartis uniformément et disposés radialement vers l'intérieur, le collecteur 19 est en outre relié par un ensemble de canalisations 21 à une pompe extérieure au générateur de vapeur 22 qui envoie le sodium liquide prélevé dans une unité 23 destinée à analyser chimiquement ce sodium liquide en vue de déterminer s'il y a eu lors du fonctionnement du générateur de vapeur une introduction d'eau à l'intérieur de ce sodium liquide.
Le dispositif de détection de fuites par prélèvement de sodium comporte en outre une pluralité de canaux 20 qui créent une communication entre l'espace de protection 17 et l'intérieur de la chambre cylindrique 1. Ces canaux traversent ainsi, à une extrémité, l'écran anti-thermique 15 et à l'autre extrémité, la grille de distribution 13.
Le dispositif de prélèvement de sodium liquide fonctionne de la manière suivante. Si une fuite se produit au niveau de la soudure reliant l'un des tubes 8 à la plaque à tubes 9, puisque la pression du circuit secondaire est très nettement supérieure à la pression du circuit primaire, cette fuite aura pour conséquence une introduction d'eau ou de vapeur à l'intérieur du sodium liquide, au niveau de la plaque à tubes 9. Le sodium liquide comprenant cette eau sera donc celui situé dans l'espace de protection 17, comme ce sodium liquide est confiné dans cet espace, il est opportun d'effectuer le prélèvement de sodium contenu dans cet espace puisque les impuretés révélatrices de la fuite ne sont pas immédiatement diluées dans la totalité du sodium constituant le circuit primaire. Pour comprendre le fonctionnement de ce dispositif de prélèvement, nous devons faire un bilan des différentes pressions régnant dans les différentes chambres constituant le circuit primaire de ce générateur de vapeur. Le sodium liquide rentre dans la chambre 4 avec une pression P1 ; quand il traverse la grille de distribution 13, il se crée une perte de charge et, à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1, règne une pression P2 inférieure à P1. Comme d'autre part, entre la chambre d'introduction 4 et l'espace de protection 17, il n'existe pratiquement aucun débit de sodium liquide à travers l'écran anti-thermique 15, la pression régnant dans l'espace de protection 17 est donc la même que celle régnant dans la chambre 4, c'est-à-dire P1. Nous remarquons alors que la présence des canaux périphériques 20 reliant l'espace de protection 17 et l'intérieur de la chambre cylindrique 1, provoque, du fait des différences de pression, un passage de sodium depuis la chambre d'introduction 4 vers l'espace de protection 17 au voisinage du centre de l'écran anti-thermique et par conséquent, un déplacement radial vers l'extérieur du sodium contenu dans l'espace 17, puis l'évacuation de ce sodium par les canaux 20 en direction de l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1. Si une fuite se produit à un endroit quelconque de la plaque à tubes, le sodium contenant les impuretés dues à cette fuite se déplacera radialement vers l'extérieur, dans l'espace 17, et parviendra rapidement au niveau du collecteur tubulaire situé à la périphérie de la plaque à tubes et à une faible distance des canaux 20. La pompe 22 aspirera donc ce sodium liquide contenant ces impuretés et il sera possible d'analyser dans l'unité 23 ce sodium et de mettre en évidence l'existence de la fuite. Ce dispositif a l'avantage de marcher en continu durant tout le fonctionnement du générateur de vapeur.
Nous avons décrit là le dispositif de prélèvement de sodium correspondant à la plaque à tubes 9 située du côté de la chambre d'introduction 4 du sodium. D'une façon similaire, selon l'invention, on peut procéder au prélèvement de sodium liquide au niveau de la plaque à tubes 10 située du côté de la chambre d'évacuation 6. Nous nous reportons pour cela à la figure 1. Ce second dispositif de prélèvement fonctionne d'une manière tout à fait identique au premier, il comporte un collecteur tubulaire placé dans l'espace de protection à la périphérie de la plaque à tubes de la même façon que précédemment. On retrouve aussi des canaux 24 reliant l'espace de protection et l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1. La seule différence réside dans le fait que ces canaux 24 sont disposés de façon à déboucher dans la zone centrale de l'espace de protection. En effet, du fait que le sodium circule à travers une grille 14 depuis l'intérieur de la chambre cylindrique 1 vers la chambre d'évacuation 6, les chambres 18 et 6 se trouvent à une pression inférieure à la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 1. Par conséquent, pour provoquer dans l'espace de protection un déplacement du sodium depuis le centre de cet espace vers la zone périphérique, il faut provoquer au centre de cet espace une surpression à l'aide des canaux 24, ce qui explique cette différence de positionnement des canaux.
La figure 3 montre un exemple de réalisation particulier d'un dispositif de prélèvement de sodium conforme à la présente invention. Cette coupe partielle est située dans le générateur de vapeur dans la région s'étendant depuis la grille de distribution jusqu'à la plaque à tubes, dans la zone périphérique dans laquelle sont situés principalement le collecteur tubulaire et les canaux de circulation. Dans cette figure 3, on distingue l'extrémité de l'enceinte cylindrique 1 sur laquelle est fixée radialement une grille de distribution 13, on distingue d'autre part la plaque à tubes 9 disposée parallèlement à la grille de distribution 13. Entre la grille 13 et la plaque 9 se trouvent la chambre d'introduction de sodium 4, et, parallèlement et à une faible distance de la plaque 9, un écran anti-thermique 15 qui définit entre lui et la plaque à tubes 9 un espace de protection 17. On distingue aussi plusieurs tubes 8 disposés longitudinalement et soudés à la plaque à tubes 9, le collecteur tubulaire 19 disposé à la périphérie de la plaque à tubes est maintenu rigidement à l'aide d'éléments supports 25 qui maintiennent rigidement en même temps l'écran anti-thermique 15. Les canaux de circulation 20 répartis au niveau de la périphérie de la plaque à tubes sont disposés concentriquement autour de certains des tubes 8 situés à la périphérie de la plaque à tubes. Ces canaux 20 sont soudés de façon étanche aux faces de la grille 13 et de l'écran 15 qui sont en contact avec la chambre d'introduction 4. Entre les canaux et leurs tubes concentriques correspondants il existe un espace annulaire 26. Les tubes 8 normaux ou ceux entourés d'un canal 20 traversent successivement la grille de distribution 13 et l'écran anti-thermique 15 en passant dans des orifices ménagés dans cette grille et cet écran, ces orifices ayant un diamètre supérieur au diamètre extérieur des tubes 8 de façon à ce que le sodium liquide puisse passer à travers l'espace annulaire laissé entre ces orifices et ces tubes. On remarquera que les orifices 27 de la grille de distribution 13 correspondant aux tubes entourés d'un canal 20 ont un diamètre supérieur aux orifices 28 de la grille de distribution 13 correspondant aux autres tubes. Cette différence de diamètre a pour but de compenser la perte de charge créée par le canal 20 pour faire en sorte que le débit de sodium liquide qui sort par les orifices 27 dans l'enceinte 1 soit identique au débit qui sort des autres orifices 28 dans cette même enceinte 1.
Si ces dispositions constructives des orifices 27 et 28 ne permettent pas de maintenir parfaitement la répartition uniforme des débits de sodium traversant la grille en tout point, il est possible de prévoir de petits orifices 31 ménagés sur les canaux 20 provoquant une légère communication entre la chambre 4 et l'intérieur des canaux 20, afin de modifier légèrement le débit de sodium circulant dans ces canaux.
Au lieu de disposer les canaux 20 autour des tubes 8, il est possible de les disposer entre ces tubes 8.
Le circuit de sodium liquide s'établit de la façon suivante : le sodium de la chambre 4 traverse la zone centrale de l'écran 15 au travers de l'espace annulaire défini par les orifices 30, puis se propage radialement vers l'extérieur dans la chambre 17, ressort de la chambre 17 par l'espace annulaire laissé par les orifices 29, circule dans le canal 20 et ressort dans l'enceinte 1 par l'espace annulaire laissé par les orifices 27. Dans le même temps, le collecteur tubulaire 19 aspire en permanence une partie du sodium qui se propage vers l'extérieur de la chambre 17, puis ce sodium est amené par des tubulures à l'extérieur du générateur de vapeur d'où il est analysé chimiquement.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, nous pouvons encore remarquer que la grille de distribution 13 n'est pas directement fixée à l'enceinte cylindrique 1, mais est fixée rigidement par soudure aux canaux 20 eux-mêmes soudés à l'écran anti-thermique 15 qui est lui-même soudé par des entretoises 25 autour de la plaque à tubes 9. Les canaux 20 se comportent ainsi comme des entretoises. De cette façon les dilatations résultant des variations de température permettent un certain déplacement de la grille de distribution 13 par rapport à l'extrémité de l'enceinte 1, évitant ainsi les contraintes dans la structure.
La présente invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation illustré en figure 3 ni au type de générateur de vapeur illustré par la figure 1. On pourrait, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer son application à d'autres types de générateurs de vapeur, par exemple à tubes hélicoïdaux ou à tubes en forme de U.

Claims

1. Générateur de vapeur comprenant un circuit primaire comportant une enceinte (1) de circulation de sodium liquide entre une chambre d'introduction (4) et une chambre d'évacuation (6) du sodium, chaque chambre étant limitée du côté opposé à l'enceinte par une plaque à tubes (9, 10), un premier écran anti-thermique (15) étant disposé parallèlement à la plaque à tubes (9) limitant la chambre d'introduction (4) et séparé de celle-ci par un espace (17) de confinement d'un volume de sodium pour la protection de cette plaque à tubes contre les chocs thermiques, un circuit secondaire comportant une pluralité de tubes (8) de circulation d'eau fixés de façon étanche à leurs extrémités sur les plaques à tubes (9, 10) et débouchant, de l'autre côté de celles-ci, respectivement dans une chambre (11) d'évacuation de vapeur et dans une chambre (12) d'alimentation en eau, lesdits tubes (8) traversant de façon non étanche l'écran anti-thermique (15), et un dispositif de détection de fuites par prélèvement de sodium comprenant un collecteur tubulaire perforé (19) de prélèvement de sodium placé dans ledit espace (17) à la périphérie de la plaque à tubes (9) et relié par au moins une canalisation (21) à des moyens d'analyse (23), et des moyens (13, 20) pour créer une circulation de sodium liquide depuis le centre de l'espace (17) vers sa périphérie, caractérisé en ce que lesdits moyens pour créer une circulation de sodium comprennent une grille de distribution (13) définissant une perte de charge entre la chambre d'introduction (4) et l'intérieur de l'enceinte (1), et des canaux (20) traversant la chambre d'introduction pour faire communiquer l'intérieur de l'enceinte (1) avec ledit espace (17), au voisinage de la périphérie de la plaque à tubes (9).

2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un deuxième écran anti-thermique (16) disposé parallèlement à la plaque à tubes (10) limitant la chambre d'évacuation (6) et séparé de celle-ci par un deuxième espace (18), les tubes (8) traversant ce deuxième écran anti-thermique (16) de façon non étanche, et un deuxième dispositif de détection de fuites comprenant un deuxième collecteur perforé, une deuxième grille de distribution (14) définissant une perte de charge entre l'intérieur de l'enceinte (1) et la chambre d'évacuation (6) et des canaux (24) traversant la chambre d'évacuation pour faire communiquer l'intérieur de l'enceinte (1) avec le deuxième espace (18), au voisinage du centre de la plaque à tubes (10).

3. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les canaux (20, 24) sont disposés perpendiculairement à la fois à la grille de distribution (13, 14) et à l'écran anti-thermique (15,16) correspondants, et qu'ils traversent de façon étanche la grille de distribution et l'écran anti-thermique, en étant situés longitudinalement entre les tubes (8) du circuit secondaire.

4. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les canaux (20, 24) sont disposés perpendiculairement à la fois à la grille de distribution (13, 14) et à l'écran anti-thermique (15,16) correspondants, et qu'ils relient de façon étanche la grille de distribution et l'écran anti-thermique, en étant situés concentriquement autour de certains tubes (8) du circuit secondaire, le sodium circulant dans ces canaux passant au travers de la grille et de l'écran dans l'espace (27, 29) existant entre le tube correspondant et la grille ou l'écran, ainsi que dans l'espace annulaire laissé entre le tube et le canal qui l'entoure.

5. Générateur de vapeur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les orifices (27) des grilles (13, 14) qui permettent le passage des tubes (8) entourés de l'un des canaux (20, 24) laissent un passage annulaire supérieur à celui existant entre les orifices (28) des grilles (13, 14) qui permettent le passage des autres tubes (8), afin de garder constant le débit de sodium traversant les grilles en tout point de celles-ci, y compris les endroits comprenant les canaux.

6. Générateur de vapeur selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il est en outre prévu de petits orifices (31) ménagés sur les canaux (20, 24) au niveau des chambres d'introduction et d'évacuation du sodium et destinés à modifier légèrement le débit du sodium traversant ces canaux afin de rendre le débit de sodium traversant les grilles identique en tout point de celles-ci.