FR2575584A1 - Systeme de lavage de produits de fission pour un reacteur nucleaire - Google Patents

Abstract

LE SYSTEME SELON L'INVENTION COMPORTE UN RESERVOIR D'EAU 8 POSSEDANT UNE PAROI DE SEPARATION 10 S'ETENDANT DANS LE RESERVOIR 8 POUR SEPARER LE RESERVOIR 8 EN UN PREMIER ET UN SECOND COMPARTIMENT COMMUNIQUANT AVEC L'ENVIRONNEMENT EXTERIEUR; LE RESERVOIR 8 EST REMPLI D'EAU JUSQU'A UN NIVEAU AU-DESSUS DE L'EXTREMITE INFERIEURE DE LA PAROI DE SEPARATION 10 POUR FERMER NORMALEMENT LE PASSAGE DE COMMUNICATION S'ETENDANT DE L'INTERIEUR DE L'ENCEINTE DE CONFINEMENT 1 VIA LE RESERVOIR, JUSQUE DANS L'ENVIRONNEMENT EXTERIEUR. UNE CONDUITE VERTICALE 17 S'ETEND DE L'ESPACE DE CONFINEMENT JUSQUE DANS LE SECOND COMPARTIMENT ET COMPORTE UNE OUVERTURE DANS L'ESPACE DE CONFINEMENT ET DES TROUS DE REPARTITION DE FLUIDE SITUES DANS LE SECOND COMPARTIMENT SOUS LE NIVEAU DE L'EAU DANS CELUI-CI ET A UNE HAUTEUR AU-DESSUS DE L'EXTREMITE INFERIEURE DE LA PAROI DE SEPARATION DE FACON QUE LES GAZ PASSANT DE L'ESPACE DE CONFINEMENT DANS LA CONDUITE VERTICALE 17 SOIENT EVACUES DEPUIS LES TROUS DE REPARTITION A TRAVERS L'EAU SE TROUVANT DANS LE SECOND COMPARTIMENT.

Description

Système de lavage de produits de fission pour un réacteur nucléaire La

présente invention est relative à un système de

sécurité pour protéger l'environnement contre la conta-

mination radioactive issue d'une centrale nucléaire en cas d'accidents nucléaires, en particulier du type o toutes les sécurités de l'enceinte de sécurité ont été

défaillantes et o une rupture de l'enceinte de confine-

ment est imminente.

De tels accidents entraînent un endommagement du combustible dans la cuve du réacteur, des ruptures de

conduites et une perte d'évacuation de chaleur, condui-

sant à une fusion du coeur du réacteur et à son effon-

drement au fond du bâtiment de confinement. Lors de tels incidents, de la vapeur et des gaz chauds transportant des produits de fission radioactifs sont libérés dans le bâtiment de confinement et créent une pression qui

risque de provoquer la rupture de l'enceinte de confine-

ment se manifestant par un rejet de vapeurs et gaz radio-

actifs hors du bâtiment de confinement, par exemples par des fissures et des raccords de tuyauteries. Un tel rejet de vapeurs et gaz radioactifs crée une menace pour l'environnement et, jusqu'à present, rien n'a été prévu pour maîtriser la fuite des gaz hors du bâtiment de confinement d'un réacteur nucléaire ni pour débarrasser ces gaz des produits de fission à titre de dernière mesure de sécurité si- une rupture de l'enceinte de

confinement est imminente.

Le traitement de gaz qui se sont échappés dans la zone de confinement à la suite d'un accident, en retirant de ceux-ci au moins une partie des produits de fission

avant leur rejet dans l'atmosphère, est globalement connu.

Le brevet US n0 4 210 614 attribué à F.W. Kleimola décrit un système de protection passive en cas d'accident de perte de réfrigérant dans une centrale nucléaire. Entre autre mesures pour éviter la fusion du combustible et

amplifier une baisse rapide de la pression dans le bâti-

ment de confinement, la pression de la vapeur rejetée par suite d'un accident brise des membranes de sécurité dans des réservoirs collecteurs. Le liquide dans les réservoirs collecteurs contient des "capteurs" de produits de fission pour réduire la radioactivité des vapeurs et

des gaz dans le bâtiment de confinement. Ce système pré-

suppose une rétention réussie des gaz et vapeurs à l'in-

térieur du bâtiment de confinement et ne prévoit rien pour un traitement ultime des gaz si la fuite de ceux-ci

hors du bâtiment de confinement est inévitable.

Le brevet-US no 3 459 635 attribué à Bevilacqua et al décrit un système qui, en cas d'accident, guide la vapeur sous pression de la zone de confinement jusqu'à des récipients o les vapeurs sont condensées par un flux

liquide. En outre, l'atmosphère de l'enceinte de confi-

nement circule à travers les récipients et à travers un ensemble classique de filtrage et d'épuration à montage

en série pour retirer la matière radioactive des gaz.

Les gaz sont ensuite réintroduits dans la zone de confi-

nement ou, s'ils sont suffisamment épurés, rejetés dans

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l'atmosphère. Le circuit de vapeur à travers l'ensemble d'épuration entretient par une pompe de circulation le

mouvement de la vapeur.

Le brevet US n 3 105 028 attribué à Long prévoit, en cas d'accident, une évacuation du réfrigérant hors du circuit du réacteur dans un réservoir de gaz et, de là, dans une tour d'absorption de dioxyde de carbone dans laquelle, entre autres, sont retenus des fragments

de produits de fission solides.

Le brevet US n 4 416 850 attribué à Kodama et al décrit un système d'aspersion installé dans une enveloppe

primaire de confinement pour condenser la vapeur radio-

active qui remplit l'enveloppe et refroidir les gaz dans celle-ci. Les gaz radioactifs solubles dans l'eau sont

dissous dans l'eau d'aspersion. L'eau projetée et conden-

sée est ensuite séparée.

Alors que les systèmes de la technique antérieure résumés ci-dessus prévoient dans une certaine mesure l'élimination des produits de fission hors des gaz et vapeurs qui augmentent la pression dans l'enceinte de

confinement par suite d'un accident, ces systèmes de sé-

curité n'ont pas été conçus pour un traitement définitif

des gaz et vapeurs si une rupture de l'enceinte de confi-

nement est imminente et si un rejet direct de l'atmosphère de l'enceinte de confinement dans l'environnement est

inévitable.

La présente invention vise principalement à réaliser,

dans une centrale nucléaire, un système de sécurité pas-

sif à structure simple qui, si une rupture de l'enceinte de confinement est imminente,assur-e une épuration très efficace des gaz et vapeurs pour les débarrasser des produits de fission juste avant leur rejet dans l'atmosphère et qui

empêche la rupture de l'enceinte de confinement en réa-

lisant une baisse de pression maîtrisée dans l'espace

de confinement par le rejet des gaz et vapeurs épurés.

Compte tenu de cet objectif, la présente invention réside dans un système d'alimentation de produitsdefissionpr lavage pour bâtiment de confinement d'un réacteur nucléaire, définissant une limite de confinement pour loger des organes du réacteur, caractérisé par un réservoir d'eau disposé dans le bâtiment de confinement et possédant une paroi de séparation correspondant à ladite limite et s'étendant dans le réservoir pour séparer le réservoir

en un premier et un second compartiments conçus pour com-

muniquer avec l'environnement extérieur, le réservoir

étant rempli d'eau jusqu'à un niveau au-dessus de l'ex-

trémité inférieure-de la paroi de séparation pour fermer normalement le passage de communication s'étendant de

l'intérieur de l'enceinte de confinement, via le réser-

voir, jusque dans l'environnement extérieur, et en ce

qu'une conduite verticale s'étend de l'espace de confi-

nement jusque dans le second compartiment; la conduite verticale ayant une ouverture dans l'espace de confinement et des trous de répartition de fluide situés dans le second compartiment sous le niveau de l'eau dans celui-ci et à une hauteur au-dessus de l'extrémité inférieure de la paroi de séparation de façon que les gaz passant de l'espace de confinement dans la conduite verticale soient évacués depuis les trous de répartition, à travers l'eau

se trouvant dans le second compartiment.

De préférence, un tuyau d'aération s'étend depuis une chambre collectrice, dans le deuxième compartiment,

jusque dans l'environnement situé à l'extérieur du bâti-

ment de confinement et, en outre, une membrane de sécu-

rité est montée dans le-conduit d'aération pour interdire normalement la communication entre la chambre collectrice et l'environnement. La membrane de sécurité est conçue pour éclater en réponse à une pression prédéterminée

régnant dans la chambre collectrice pour laisser libre-

ment passer les gaz de la chambre collectrice vers l'at-

mosphère via le tuyau d'aération.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une élévation en coupe schématique d'un bâtiment de confinement avec les principaux organes

d'un réacteur à eau sous pression et d'une forme de réa-

lisation préférée de l'invention; la figure 2 est une vue en coupe schématique selon l'axe II-II de la figure 1; la figure 3 est une élévation en coupe de la forme de réalisation préférée dessinée à une échelle agrandie

par rapport à celle des figures 1 et 2.

Considérant maintenant la figure 1, il est représenté

schématiquement un réacteur à eau sous pression compor-

tant un bâtiment de confinement 1 (généralement en béton) qui contient des organes du réacteur nucléaire tels qu'une cuve 2 de réacteur, un générateur de vapeur 3, une pompe 4 à réfrigérant de réacteur, un réservoir d'accumulation , un ventilateur 6 d'enceinte de confinement et un pont

polaire suspendu 7. Comme tous ces organes et leurs rela-

tions sont connus et, en outre, comme ils ne coopèrent

pas spécifiquement, de par leur structure ou leur fonc-

tion, avec l'invention, ils ne sont pas décrits ni repré-

sentés avec plus de détails.

Bien que la forme de réalisation préférée de l'inven-

tion soit décrite en fonction d'un réacteur à eau sous pression de type sec, il faut entendre que le système selon l'invention s'applique également à des réacteurs

nucléaires de n'importe quel autre modèle.

Un élément essentiel de l'invention est un réservoir 8 d'eau qui se trouve dans le bâtiment de confinement 1

et s'étend de manière annulaire, globalement concentri-

quement avec l'axe central vertical du bâtiment de con-

finement 1. Le réservoir 8 a un fond 9 dont la configu-

ration peut se voir particulièrement bien à la figure 2.

Dans la présente forme de réalisation, le réservoir 8 d'eau constitue aussi un réservoir de secours pour le

stockage d'eau qui, d'une manière connue, sert à réali-

menter en eau la cuve du réacteur en cas de rupture d'une tuyauterie. Cependant le réservoir d'eau, en tant qu'élément de l'invention, n'a pas à être le réservoir de secours pour le stockage d'eau, il peut en principe être un réservoir séparé de n'importe quelle forme

souhaitée, de capacité supérieure à 950 000 1.

Considérant également la figure 3, une paroi de séparation 10 s'étend horizontalement depuis le haut

d'une paroi latérale 11 du réservoir 8, puis chute sen-

siblement verticalement jusqu'à proximité immédiate du fond 9 pour séparer ainsi le réservoir 8 d'eau en un compartiment ouvert 12 et un compartiment fermé 13. Les deux compartiments 12 et 13 communiquent l'un avec l'autre au moyen d'un passage continu 14 qui est défini par le bord inférieur de la paroi de séparation 10 et par le fond 9 du réservoir et qui peut avoir une hauteur de quelques centimètres. Il est possible aussi de prolonger la paroi de séparation 10 jusqu'au contact du fond 9 et

de réaliser une série horizontale de passages de commu-

nication. Grâce au passage de communication 14, 1e niveau

de l'eau dans les deux compartiments 12 et 13 du ré-

servoir 8 est à la même hauteur en supposant les mêmes pressions audessus de l'eau de chaque côté de la paroi

de séparation 10. Le niveau 15 de l'eau dans le compar-

timent fermé 13, la paroi de séparation 10 ainsi que la paroi latérale 11 du réservoir d'eau 8 définissent à eux

tous une chambre collectrice 16 hermétiquement close.

De l'espace de confinement à l'extérieur de la chambre collectrice 16 s'étendent des conduites verticales 17

(une seule est représentée aux figures 1 et 3) vertica-

lement jusque dans le compartiment ouvert 12, qui traver-

sent ensuite horizontalement la partie verticale de la paroi de séparation 10 pour sortir dans le compartiment fermé 13 o chaque conduite verticale 17 est pourvue d'une série de trous 8 de distribution de fluide. Chaque conduite verticale 17 peut normalement avoir un diamètre intérieur de 15 cm, cependant que la somme des surfaces des trous 18 de répartition de fluide ne doit pas être inférieure à la section de la conduite 17 correspondante pour assurer que les trous 18 de répartition de fluide

ne créent pas une gêne pour l'écoulement dans la conduite.

Un conduit d'aération 19 ayant, par exemple, un diamètre intérieur de 15 cm s'étend depuis la partie

supérieure de la chambre collectrice 16 jusqu'à l'exté-

rieur du bâtiment de confinement 1 et peut, par exemple, être relié à une cheminée pour effluents gazeux (non représentée). Des joints d'étanchéité appropriés créent un passage étanche aux gaz pour le conduit d'aération 19 à travers la paroi de séparation 10 et la structure de

parois du bâtiment de confinement 1.

Lors du fonctionnement normal du réacteur nucléaire, le conduit d'aération 19 est obturé par une membrane de sécurité 20 à structure classique, conçue pour éclater à une pression d'environ 7,7 à 10,5 kg/cm2 pour une grande enceinte sèche de confinement normale, et qui peut être plus faible pour d'autres tyoes. Cette pression doit être

inférieure à la pression de rupture du bâtiment de con-

finement 1.

Dans la description qui suit sera exposé le fonction-

nement du système de sécurité décrit ci-dessus.

Le système de sécurité selon l'invention est au repos, en attente, tant que la membrane de sécurité 20 est

intacte.

Lors du fonctionnement normal du réacteur nucléaire, c'est à peu près la pression atmosphérique ambiante qui règne dans l'espace intérieur du bâtiment de confinement 1 et il y a un équilibre de pression entre la chambre collectrice 16 et l'espace intérieur du bâtiment de

confinement 1.

Si, par suite d'un accident dans le réacteur, de la vapeur et des gaz s'échappent du circuit primaire du réacteur jusque dans l'espace défini par le bâtiment de confinement 1, la pression dans celui-ci augmente jusqu'à un point o la pression à la surface de l'eau dans le compartiment ouvert 12 sert à entraîner de l'eaudepuis le compartiment ouvert 12 jusque dans le compartiment

fermé 13 via le passage 14. Ceci sert à élever la pres-

sion dans la chambre collectrice 16 jusqu'à un ordre de grandeur égal à celui de la pression dans le bâtiment

de confinement 1.

Lorsqu'est dépassée la pression de rupture de la

membrane de sécurité 20, provoquant l'éclatement de celle-

ci, le niveau de l'eau dans le compartiment ouvert 12 chute jusqu'au niveau de la partie horizontale de la

conduite 17, tandis que le niveau de l'eau dans le com-

partiment fermé 13 monte de manière correspondante et que commence le passage de gaz et vapeurs radioactifs depuis le bâtiment de confinement 1 jusque dans la chambre collectrice 16. Les gaz et vapeurs doivent passer, via les trous 18 de distribution, dans l'eau du compartiment fermé 13, puis s'élever dans celui-ci jusque dans la chambre collectrice 16 d'o ils sortent par le conduit d'aération 19 maintenant ouvert. A mesure que les gaz et vapeurs traversent l'eau du compartiment fermé 13, une forte majorité des produits de fission (supérieure à 98%, gaz nobles non compris) est éliminée (extraite) de la vapeur et des gaz par lavage à l'eau. De ce fait, le gaz sortent de l'eau du compartiment fermé 13 et traversent

le conduit d'aération 19 dans un état sensiblement épuré.

Ainsi, le système selon l'invention empêche la rupture de l'enceinte de confinement dans la mesure o il réalise une réduction de pression mattrisée dans l'espace de confinement en rejetant des gaz et vapeurs épurés dans

l'atmosphère, ce qui a pour effet un impact sur l'envi-

ronnement qui est fortement atténué en comparaison des

systèmes connus.

Pour que le système selon l'invention fonctionne de manière efficace et satisfaisante, il convient de préférence que les relations suivantes de positions et

de dimensions soient respectées.

Les trous 18 de distribution de fluide dans les conduites verticales 17 doivent être à un niveau de hauteur suffisamment au-dessus du niveau de hauteur du passage de communication 14 pour empêcher fermement les gaz émis dans l'eau du compartiment fermé 13 de passer, via le passage de communication 14, dans l'eau contenue

dans le compartiment ouvert 12. Un tel phénomène amène-

rait les gaz épurés à se remélanger aux gaz et vapeurs encore contaminés au-dessus de l'eau à l'intérieur du bâtiment de confinement. Il a été estimé qu'à cet effet,

les trous 18 de distribution de fluide doivent avantageu-

sement se situer au moins 250 à 300 millimètres (10 à

12") au-dessus du passage de communication14.

En outre, le volume total de la chambre collectrice 16 doit être au moins de 1,5 fois celui du volume de l'eau

du compartiment ouvert 12 du réservoir d'eau 8. Le rap-

port minimal assure qu'en réponse à l'accumulation de

pression dans l'espace intérieur du batiment de confi-

nement, un espace suffisamment grand pour les gaz existe dans la chambre collectrice 16 quand se brise la membrane

de sécurité 20.

Par ailleurs, la section transversale totale de pas-

sage des conduites verticales 17 doit être au moins deux fois celle du conduit d'aération 19 et ce dernier doit avoir un diamètre intérieur d'au moins 102 millimètres (4"). Ces relations assurent que lorsque le système fonctionne sous de fortes pressions, une vitesse sonique des gaz soit d'abord atteinte dans le conduit d'aération 19 et, donc, que le phénomène concomitant d'étranglement de flux se produise dans le conduit d'aération 19 plutôt aue dans les conduites verticales 17. Ceci assure un écoulement continu des gaz épurés hors de la chambre

collectrice 16.

Le système selon l'invention qui a été décrit ci--

dessus permet une décontamination fiable des gaz et va-

peurs radioactifs avant le rejet dans l'atmosphère si

une rupture de l'enceinte de confinement est imminente.

La fiabilité du système est assurée par sa simplicité et, en particulier, par le fait que c'est un système passif ne dépendant pas du fonctionnement de pompes, détecteurs

et autres qui sont caractéristiques de systèmes de sécu-

rité actifs et qui risquent de tomber en panne en cas d'accident nucléaire pour lequel est conçu le présent

système selon l'invention.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'invention décrite ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention, cellesci-étant sensées être

conformes au sens et à la portée des revendications

annexées.

REVEIDICATIONS:

1. Système de lavage de produits de fission pour bâtiment de confinement (1) d'un réacteur nucléaire, définissant une limite de confinement pour loger des organes (2-7) du réacteur, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir d'eau (8) disposé dans le bâti-

ment de confinement (1) et possédant une paroi de sépa-

ration (10) correspondant à ladite limite et s'étendant dans le réservoir (8) pour séparer le réservoir (8) en un premier (12) et un second compartiment (13) conçus pour communiquer avec l'environnement extérieur, le

réservoir (8) étant rempli d'eau jusqu'à un niveau au-

dessus de l'extrémité inférieure de la paroi de séparation (10) pour fermer normalement le passage de communication s'étendant de l'intérieur de l'enceinte de confinement, via le réservoir, jusque dans l'environnement extérieur,

et en ce qu'une conduite verticale (17) s'étend de l'es-

pace de confinement jusque dans le second compartiment (13); la conduite verticale ayant une ouverture dans l'espace de confinement et des trous (18) de répartition de fluide situés dans le second compartiment (13) sous le niveau (15) de l'eau dans celui-ci et à une hauteur

au-dessus de l'extrémité inférieure de la paroi de sépa-

ration de façon que les gaz passant de l'espace de con-

finement dans la conduite verticale (17) soient évacués depuis les trous de répartition (13) à travers l'eau

se trouvant dans le second compartinent (13).

2. Système de lavage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une chambre collectrice (15) est réalisée au-dessus du second comnartirment (13) et est

normalement her,étiquement isolée de l'espace de confi-

nement et de l'environnement situé à l'extérieur du bâti-

ment de confinement (1); et en ce qu'un conduit d'aération (19) s'étend depuis la charw-re collectrice (16) jusque dans l'environnement situé à l'extérieur du bâtiment de confinement (1); le conduit d'aération (19) ayant une membrane de sécurité (20) miontce dans celui-ci pour interdire normalement la communication entre la chambre collectrice (16) et l'environnement; laquelle membrane de sécurit- (20) est conçue pour éclater en- réponse à une pression prédéterminée inférieure à la pression de

rupture de l'espace de confinement.

3. Système de lavage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la conduite verticale (17) passe

à travers la paroi de séparation (10).

4. Système de lavage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit d'aération (19) a un diamètre intérieur d'au moins 10 cm et le volume de la chambre collectrice (16) est d'au moins 1,5 fois le volume de l'eau chargée dans le premier compartiment (12). 5. Système de lavage selon l'une quelconque des

revendications 2 ou 4, caractérisé en ce que la conduite

verticale (17) a une section de passage de fluide au moins double de la section totale de passage de fluide

du conduit d'aération (19).