WO2012045691A1 - Réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au sodium ("sodium fast reactor" ) de type intégré - Google Patents

Réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au sodium ("sodium fast reactor" ) de type intégré Download PDF

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WO2012045691A1
WO2012045691A1 PCT/EP2011/067206 EP2011067206W WO2012045691A1 WO 2012045691 A1 WO2012045691 A1 WO 2012045691A1 EP 2011067206 W EP2011067206 W EP 2011067206W WO 2012045691 A1 WO2012045691 A1 WO 2012045691A1
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sodium
exchangers
walls
pumping
wheel
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PCT/EP2011/067206
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Inventor
Guy Marie Gautier
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention relates to a sodium - cooled nuclear reactor called Sodium Fast Reactor (SFR), which is part of the so - called fourth generation reactor family.
  • SFR Sodium Fast Reactor
  • the invention relates to a sodium-cooled nuclear reactor, of integrated type, that is to say for which the primary circuit is completely contained in a vessel also containing the primary pumps and heat exchangers.
  • the invention proposes an improvement to the application WO 2010/057720 which proposed an innovative architecture of the primary circuit contained in the reactor vessel to improve its compactness, to facilitate the design of certain parts and to improve natural convection sodium in the tank.
  • Sodium-cooled nuclear reactors usually have a tank in which the heart is located, with a heart control cap above the heart.
  • the extraction of heat is performed by circulating the so-called sodium sodium primary by means of a pumping system placed in the tank.
  • This heat is transferred to a circuit intermediate, via one or more exchanger (s) intermediate (s) (El), before being used to produce steam in a steam generator (GV).
  • This steam is then sent to a turbine to transform it into mechanical energy, which in turn is transformed into electrical energy.
  • the intermediate circuit comprises, as a coolant, sodium and is intended to isolate (or otherwise contain) the primary sodium which is in the tank, relative to the steam generator and this, because of the violent reactions likely to occur between the sodium and the water vapor contained in the steam generator in case of a possible rupture of a tube of the latter.
  • the architecture highlights two circuits in sodium: one said primary charged to transfer the heat between the heart and one (or) heat exchanger (s) intermediate (s), the other said secondary responsible for transferring the heat of the exchanger (s) intermediate (s) to the steam generator.
  • SFR sodium cooled reactors
  • the tank is closed on the top by a closure slab so that the primary sodium is not in contact with the outside air. All the components (heat exchangers, pumps, pipes, ...) pass through this slab vertically so that they can be dismantled by lifting them vertically by means of a lifting device.
  • the dimensions of the through holes in this slab depend on the size and number of components. More holes are important (in size and number), plus the diameter of the tank will be important.
  • Loop-type SFR reactors are characterized in that the intermediate exchanger and the primary sodium pumping devices are located outside the vessel.
  • a loop type SFR reactor is, for a given power, to obtain a vessel of smaller diameter than that of an integrated type SFR reactor, because the vessel contains fewer components. The tank is therefore more easily manufactured and therefore less expensive.
  • a loop-type SFR reactor has the major disadvantage of removing primary sodium from the tank, which complicates the primary circuit architecture and poses significant safety problems.
  • the advantages of reduced size and easier manufacturing of the tank are offset by the additional costs of adding devices related to the design of loops and special means to manage possible leakage of primary sodium.
  • SFR reactors of integrated type are characterized in that the intermediate exchangers and the pumping means of the primary sodium are entirely located in the tank, which makes it possible to avoid getting the primary circuit out of the tank and therefore constitutes a important advantage in terms of safety with respect to a loop type SFR reactor.
  • the inventors of the present application have proposed in the application WO 2010/057720 a solution to improve the SFR integrated type reactors.
  • the object of the invention is therefore to provide an improvement to the integrated type SFR reactor according to the application WO 2010/057720 which aims to overcome all or part of the disadvantages mentioned above.
  • an integrated type SFR nuclear reactor comprising a vessel adapted to be filled with sodium and inside which are arranged a core, pumping means for circulating the primary sodium, first heat exchangers, so-called intermediate exchangers, adapted to evacuate the power produced by the heart during normal operation of the second heat exchanger adapted to evacuate the residual power produced by the heart when the stop when the means are also stopped, a separation device delimiting a hot zone and a cold zone in the tank, comprising:
  • a separation device consisting of two walls each with a substantially vertical portion arranged around the heart and a part substantially horizontal, the substantially horizontal portions being separated from one another by a height and the space delimited above the horizontal portion of the upper wall forming the hot zone while the space defined below the part horizontal of the bottom wall forms the cold zone and the substantially horizontal portions are arranged with them relative to the tank,
  • Variable flow pumping means divided into two groups in hydraulic series, one arranged below the horizontal portion of the bottom wall for circulating sodium from the cold zone to the hot zone through the heart, the another to circulate sodium from the hot zone to the cold zone through the intermediate heat exchangers,
  • Temperature acquisition means arranged in the space delimited between the horizontal portions of the two walls being distributed along a substantially vertical axis in order to determine in real time the thermal stratification in this space
  • servo means connected on the one hand to the temperature acquisition means and on the other hand to the two pumping groups, to modify if necessary the flow of at least one pumping group in order to maintain a satisfactory level of stratification during normal operation
  • Second heat exchangers arranged substantially vertically above the cold zone
  • exit windows of the intermediate exchangers are each surrounded in an envelope in fluid communication with a torus-shaped duct,
  • the pumping unit for circulating the sodium from the hot zone to the cold zone through the intermediate exchangers also has each of its inputs in fluid communication with the toroid, so that the primary sodium from the hot zone and outgoing intermediate exchangers circulates through the torus to be directed to the cold zone by said pumping group.
  • the two hydraulic series variable flow pumping units are mechanically independent and each consists of rotodynamic pumps
  • the drive shaft extends vertically over the height of the tank through the slab of closure and the horizontal parts of both walls of the separating device arranged substantially vertically with clearances, the them between the support of the pumps and the two walls of the separating device being also previously determined for, in normal operation, resume the differential movements between them and the tank and to allow to establish in normal operation thermal stratification of the primary sodium in the space delimited between the horizontal parts of the two walls and, in case of unexpected stoppage of a pumping group, limiting the mechanical stresses to the walls due to the part of the flow of primary sodium passing into said games.
  • the two hydraulic series variable flow pumping units are mechanically dependent and consist of at least one double-wheel centrifugal rotodynamic pump, a first wheel arranged with its inlet for axially sucking the primary sodium. in the torus and its outlet to discharge the primary sodium in the cold zone and the second wheel, mounted on the same drive shaft line as the first wheel, and arranged with its inlet to suck the primary sodium in the cold zone and his exit to drive back to the heart. Coupling on the same shaft line the two wheels described above allows to similarly vary the primary sodium flow through the core and through the intermediate exchangers, especially in the intermediate flow regimes. . This also has the advantage of simplifying the mode of piloting and adjustment of flow rates.
  • centrifugal double-wheel pump differs from those known according to the state of the art in that there is an intermediate zone of large volume between the two impellers of the same pump and that this Intermediate zone is common to several pumps. This intermediate zone of large volume is the cold zone of the reactor according to the invention.
  • the first wheel of the pump (the one that sucks in the torus) undergoes some kind of direct heat shock, but the second wheel undergoes a gradual rise in the temperature of sodium, because the hot sodium leaving the first wheel is gradually mixed with the cold sodium already present in the cold collector.
  • the flow adjustment means (s) consist (s) in additional means (s) of pumping (s), distinct (s) of the (the) pump (s) ) electromechanical two-wheeled, and whose (their) input is (are) in fluid communication with the torus, the sum of the primary sodium flows provided by the means (s) pumping additional (s) and the double-wheel pump is approximately equal to the flow rate through the intermediate exchangers.
  • the value of the flow rate provided by the impeller of the double impeller pump having its suction in the torus can be between 90 to 95% of that of the flow rate passing through the intermediate exchangers. It goes without saying that the flow rate provided by the double-wheel pump may depend on the speed of rotation of the drive shaft line.
  • the additional pumping means (s) provide the additional flow rate by adjusting it so that the flow rate passing through the intermediate exchangers is equal to that crossing the heart. It is preferably ensured that the additional pumping means provides a low flow rate, typically from 5 to 10% of the flow rate through the intermediate exchangers.
  • the additional means (s) for pumping (s) is (are) constituted (s) by a rotodynamic pump and / or an electromagnetic pump.
  • the drive shaft line of the two impellers of the pump comprises at least two coaxial shafts integral in rotation and adapted to be displaced axially relative to each other, the lower end of one of the shafts. supporting at least one part of the rotor blades while the lower end of the other tree supports the other part of the wheel;
  • a double-wheel centrifugal rotodymanic pump is manufactured to have a hydraulic circulation in a wheel between two discs. One of these disks is fixed while the other is fixed on the wheel supporting the blades. Thus, usually, in order to obtain the maximum efficiency, provision is made for minimal assembly between the edges of the blades of the mobile disk and the fixed disk.
  • judiciously, by making a retractable blade assembly in the mobile disk one can adjust the clearance between them and the fixed disk and thereby degrade more or less the efficiency of the pump that is to say its pressure characteristics as a function of flow.
  • An integrated type SFR reactor according to the invention may comprise a number of six intermediate exchangers, six second exchangers and three centrifugal rotodynamic double wheel pumps.
  • FIG. 1 is a schematic view in longitudinal section of an integrated type SFR reactor according to the invention
  • FIG. 1A is a schematic view in partial longitudinal section of an integrated type SFR reactor according to the invention illustrating an alternative arrangement between an intermediate exchanger and a torus-shaped duct according to the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic view illustrating a solution for collecting sodium at the outlet of intermediate exchangers in a torus and for pumping sodium according to the invention, with two centrifugal double-rotor pumps as pumping means,
  • FIG. 3 shows the characteristic curves of the pressure as a function of the flow rate of a centrifugal pump with a double impeller according to the invention
  • FIG. 4 is another schematic view in longitudinal section of an integrated type SFR reactor according to the invention, in which the arrangement of a double-wheel pump is shown
  • FIG. 5 is a detail view in section of a spinning wheel of the centrifugal pump with means for adjusting the sodium flow
  • FIG. 6 is a schematic view in partial longitudinal section of an integrated type SFR reactor according to the invention illustrating the relative arrangement between exchanger dedicated to the residual power evacuation, temperature acquisition means and separation device. between hot zone and cold zone according to the invention,
  • FIG. 7 is another view similar to Figure 4, in which in addition to the drive motor, is shown the control mechanism of the blades of a wheel of a pump according to the invention.
  • the terms “horizontal”, “vertical”, “lower”, “upper”, “below” and “above” are to be understood by reference to a reactor vessel arranged vertically and vertically. arrangement with respect to the cold or hot zone.
  • the upper wall according to the invention refers to the wall closest to the hot zone, while the bottom wall refers to the one closest to the cold zone.
  • a pump according to the invention arranged below the bottom wall is that located in the cold zone.
  • upstream and downstream are to be understood by reference to the flow direction of the sodium.
  • a group of pumping means upstream of an intermediate exchanger is first traversed by the sodium which then circulates through the intermediate exchanger.
  • a group of pumping means downstream of an intermediate exchanger is traversed by the sodium which has previously passed through the intermediate exchanger.
  • the integrated reactor comprises a core 11 in which the heat is released following the nuclear reactions.
  • This core 11 is supported by a support 110.
  • This support 110 comprises a bed base 1100 in which are pressed the feet of the assemblies 111 constituting the heart, this bed 1100 being supported by a decking 1101 resting on the bottom 130 of the tank 13.
  • Au Above the core is the heart control plug (BCC) including the instrumentation necessary for the control and proper functioning of nuclear reactions.
  • BCC heart control plug
  • the heat evacuation circuit followed by the primary sodium in normal operation of the core 11 is schematically represented by the arrows in CN solid lines: at the exit of the heart, the sodium opens into a hot collector 12.
  • the hot collector 12 is separated from the cold collector 14 below, by a suitable separation device 15.
  • This separation device between collectors (or zones) 12 hot and cold 14 consists of two walls 150, 151 perforated. These two walls 150, 151 perforated are each with a substantially vertical portion 1501, 1511 arranged by surrounding the heart and a substantially horizontal portion 1500, 1510. The horizontal portions 1500, 1510 are separated by a height H. In the illustrated modes, they are interconnected by a rounded. The vertical portions of each wall 150, 151 are fixed to the support 110 of the core 11. The space delimited above the horizontal portion 1500 of the upper wall 150 forms the hot zone while the space defined below the horizontal portion 1510 of the bottom wall 151 forms the cold zone.
  • the substantially horizontal portions 1500, 1510 are arranged with them relative to the tank 13.
  • Each intermediate heat exchanger 16 is disposed vertically through the closure slab 24.
  • the primary sodium supplying the intermediate heat exchangers 16 in normal operation is taken into the hot collector 12 and is discharged into the cold collector 14.
  • the intermediate heat exchangers 16 pass through the two horizontal parts 150, 151 wall with functional clearance j2 and without any particular seal.
  • variable flow pumping means 3 divided into two groups 30, 31 in hydraulic series are provided.
  • One of the groups 31 is provided to circulate the sodium of the cold zone 14 to the hot zone 12 by passing through the core 11
  • the other of the groups 30 is provided to circulate the sodium from the hot zone 12 to the zone cold 14 while passing through the intermediate exchangers 16.
  • the pumping unit 30 for circulating the sodium from the hot zone 12 to the cold zone 14 also has each of its inputs in fluid communication with the torus 21, so that the primary sodium from the hot zone 12 and leaving the intermediate exchangers 16 circulates through the torus 21 to be directed to the cold zone by said pumping unit 30.
  • an advantageous embodiment consists in producing at least one pumping means 3 in common between the two groups 30, 31 constituted by a double-wheel centrifugal rotodynamic pump.
  • the first group is constituted by the impeller 30 of the pump 3 and is arranged with its inlet 300 to aspirate axially the primary sodium in the torus 21 and with its outlet 301 to discharge the primary sodium in the cold zone 14.
  • the second group is constituted by the impeller 31 of the same pump 3 and is mounted on the same drive shaft line 32 as the first impeller 30, and it is arranged with its inlet 310 to radially suck the primary sodium into the cold zone 14 and with its output 311 to push back to the heart 11.
  • the two wheels 30, 31 it is possible to vary in a similar manner the primary sodium flow that passes through the core 11 and the one that passes through the intermediate exchangers 16, particularly in the heating systems. intermediate flow.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram of the flow versus pressure curves for the two wheels 30, 31 of the same pump 3 with a common zone 14. It can be seen here that:
  • the variation of the primary sodium flow through the core 11 is equal to the variation of the sodium flow through the intermediate exchangers 16.
  • Figure 4 shows the arrangement of the same centrifugal pump with double impeller 30, 31 in the reactor.
  • the support 321 of the double-wheel pump in which the shaft line 32 extends extends vertically substantially over the entire height of the tank 13 through the closure slab 24 and the horizontal portions 1500, 1501 of the two walls 150 , 151 of the separation device arranged substantially vertically with them.
  • the them between the support 321 of the pump in which the shaft line 32 of the pump is located and the two walls of the separating device are predetermined in order, in operation normal, take the differential shifts between them and the tank 13 and to establish in normal operation a thermal stratification of the primary sodium in the space between the horizontal portions of the two walls 150, 151.
  • the drive shaft line comprises at least two coaxial shafts 320, 321 able to be moved axially relative to each other.
  • the lower end of the shaft 320 supports the blades while the lower end of the other shaft 321 supports the other part of the wheel which is fixed axially.
  • the blades 3000 are retracted. This increases the clearance between the edges of the blades 3000 and the fixed disk 302, which makes it possible to degrade more or less the pump efficiency, ie its pressure characteristics as a function of flow rate. This adjusts the flow to through the intermediate exchangers 16 with respect to the flow rate through the core 11 and independently of the rotational speed of the shaft line 320, 321.
  • FIG. 5 Shown in FIG. 5 is the retraction of the blades 300 on the impeller 30 which sucks the sodium from the core 21 to adjust the flow rate through the intermediate exchangers 16 with respect to the flow rate through the core 11.
  • FIG. 6 shows an embodiment optimized to improve the efficiency of the thermal stratification in the space of height H separating the two horizontal parts 1500, 1510 from the upper and lower walls 150, 151 and thus to improve the natural convection Cr (residual circulation) of the primary sodium in stopping operation of nuclear reactions.
  • An aperture 15000 is provided in the horizontal portion 1500 of the upper wall 150 under each exchanger.
  • the exchange zone of the exchangers 25 dedicated to the residual power evacuation is entirely placed in the hot collector.
  • the exit window 250 is positioned just below the horizontal portion 1500 of the top wall 150.
  • a functional clearance j3 between the aperture 15000 of the top wall 150 and the exchanger 25 allows the differential movement between these components.
  • the exit window 250 of the secondary heat exchanger 25 being placed just below the horizontal portion 1500 of the upper wall 150, the cold sodium leaving the heat exchanger 25 in operation decreases more easily towards the cold collector 14 since one of the walls 150 is already crossed, and this without mixing with the sodium of the hot collector 12, in other words, the hydraulic path during operation at a standstill in natural convection is improved,
  • the sodium passes through the horizontal part 1510 of the lower wall 151 via openings 15100 arranged under the exchanger dedicated to the residual power evacuation and via the holes constituted by the functional clearances between the lower wall and the intermediate exchangers and the functional clearance between wall of the redan and reactor vessel.
  • the height H of the space between the horizontal portions 1500, 1510 of the two walls 150, 151 is relatively large (of the order of two meters) to allow proper lamination.
  • the distance between the vertical portions 1501, 1511 of the two walls is small (of the order of a few centimeters).
  • the height space H is in communication with the hot collector 12 and the cold collector 14 by the following functional games:
  • the objective of the walls is indeed to mark a physical limit between zones 12, 14 where the flows are at high speeds: hot collector 12 and cold collector 14, with a calm zone where must be established a thermal stratification without which there is no need to have a seal.
  • hot collector 12 and cold collector 14 with a calm zone where must be established a thermal stratification without which there is no need to have a seal.
  • specific arrangements can be made.
  • the functional elements j1, j2 and j3 and the height H between the horizontal portions 1500, 1510 of the two walls of the separating device are predetermined in order, in normal operation, to take up the differential displacements between the walls 150 , 151, exchangers 16, 25, pump 3 and tank 13 and to allow to establish in normal operation a thermal stratification of the primary sodium in the space delimited between the horizontal parts of the two walls 150, 151 and for, in case of stopping unexpectedly of a pumping unit 30 or 31 (when they are decoupled), limiting the mechanical stresses to the walls due to the part of the primary sodium flow passing in said them.
  • the thermal stratification thus determined is thus in a way to provide a sufficiently large volume over the height between the two walls 150, 151 and to limit the parasitic flow rates of primary sodium between hot zone 12 and cold zone 14.
  • the total cross section of the horizontal part of the upper wall is about 6 m 2 .
  • This total estimate is valid for the upper wall 150.
  • These openings 15100 preferably have a hydraulic diameter equivalent to the other openings, a diameter of about 0.10 m.
  • the number of these openings 15100 is preferably such that their total section is at least equal (in order of magnitude) to the total section created by the functional clearance j3 around the residual power evacuation exchangers 25.
  • this section being of the order of 1 m 2 , there is provided at least twenty holes 15100 under each exchanger 25 dedicated to the residual power evacuation.
  • the passage section through the perforated walls 150, 151 is in order of magnitude, satisfactory for all the following different operating conditions:
  • the walls 150, 151 do not undergo excessive mechanical stress in the event of a sudden total stoppage of a pumping unit 30 or 31 when these two groups are mechanically independent (decoupled).
  • the sodium flow in normal operation is of the order of about 22.5 m 3 / s.
  • part of the sodium flow continues to circulate in the intermediate exchangers 16 and the other part through them jl, j2, j3 between components 3, 16, 25, 13 and walls 150, 151.
  • the distribution between the two flows is a function of the relative pressure losses between the intermediate heat exchangers 16 and the two walls 150, 151 An estimate of these pressure drops potentially leads to about 70% of the flow passing through the games j1, j2, j3 is about 16 m 3 / s.
  • the average speed between the openings of the walls 150, 151 and the components is therefore 2.7 m / s. This speed is low and does not lead to significant mechanical forces on the walls 150, 151,
  • the hydraulic diameter In normal operation, to limit parasitic flow through the holes, the hydraulic diameter must be small.
  • the passage sections in the walls 150, 151 are preferably of very elongated shape with a width of about 5 cm. In this case, the hydraulic diameter is substantially equal to twice the width is 10 cm. With such a diameter based on the diameter of a vessel of a reactor according to the invention of about 15 m, the relative value of the hydraulic diameter is therefore equal to about 0.1: 1 or less than 0.7%.
  • FIG. 6 shows an optimized embodiment for measuring the thermal gradient in the internal space between horizontal portions 1500, 1510 of wall 150, 151.
  • the temperature acquisition means represented here consist of one or more perch 6 immersed (s) in the sodium and passing through the two horizontal portions 1500, 1510 of the two walls 150, 151.
  • thermocouples 60 intended to know the temperature of the sodium at different altitudes in the area internal wall height H between walls 150, 151.
  • Knowledge of the vertical temperature profile associated with a digital treatment to monitor the evolution of the thermal gradient and enslave the sodium flow passing through the core 11 at the flow rate of the one passing through the intermediate exchangers 16.
  • the zone of height H between the two walls 150, 151 constitutes a zone without flow or with low speed flows allowing the establishment of thermal stratification.
  • thermocouples or thermal probes 60 fixed at different altitudes to the pole (s) or by another method makes it possible, if necessary, to adjust the relative flow rate between the flow rate passing through the core 11 and flow through intermediate exchangers 16.
  • the efficiency of thermal stratification can be evaluated by the Richardson number defined by the following equation:
  • H is a characteristic dimension of the volume, typically the height of the volume
  • V is the speed of arrival of the fluid in the volume.
  • the number of Richardson Ri thus characterizes the ratio between the density or gravitational forces ( ⁇ g H) with the inertial forces (p V 2 ). If the forces of inertia are larger than the gravitational forces, Ri will be less than unity and forced convection will prevail, there is no stratification. If the gravitational forces are larger than the inertial forces, Ri will be greater than unity, which means that there is a stratification that is established within the volume.
  • the volume to be considered is the height space H situated between the two horizontal portions 1500, 1510 of the walls 150, 151. Since in normal operation, the flow rates through the core 11 and the intermediate exchangers 16 are equal, there is no flow in this space of height H, so the velocities are zero. In reality, there may be low flow because the two walls being perforated through the functional ones jl, j2, j3, it appears low flow velocities through said games. Evaluation of the Richardson Ri number in a reactor according to the invention
  • Reactor power 3600 MW.
  • Density of the cold Na ⁇ 857 kg / m 3 .
  • Relative size of the volume (corresponding to the height H between the two walls 150, 151): ⁇ 2 m.
  • j2, j3 is about 2.25 m 3 / s.
  • the speed is therefore approximately equal to 0.37 m / s.
  • the number of Richardson Ri is substantially equal to 6. This number being greater than unity, the flow in the space between walls 150, 151 of height H is well stratified.
  • Measuring the level of this stratification thus makes it possible to readjust the relative flow rates between the one through the core 11 and the one through the intermediate exchangers 16 by the regulation appropriate, preferably by the retraction of the blades of a wheel 30, 31.
  • This appropriate control can also be achieved by additional pumping means provided in the torus 21 to suck a portion of the sodium from the intermediate exchangers 16.
  • FIG. 7 shows a preferred arrangement of the two-wheel pump 30, 31 according to the invention with its drive motor 33 and the axial displacement mechanism 34 of the shaft 320 for retracting the blades of the impeller.
  • the drive motor 33 of the shaft line is arranged above the closure slab 24 of the reactor and the axial displacement control mechanism 34 for retracting the blades is arranged itself above the engine. 33.
  • this mechanism it is possible to use a proven mechanism of the screw-nut or hydraulic cylinder type. Also for reasons of simplification of its assembly, one can arrange the shaft 320 in the center of the shaft driven in rotation by the motor 33.
  • An integrated type SFR reactor according to the EFR project under study, according to the patent application WO 2010/0557720 is likely to have a diameter of the tank of the order of 17 to 18 m.
  • a SFR reactor of the same power as the EFR project under study, but whose architecture is based on the present invention (represented in FIG. 1) comprising a number of six intermediate exchangers 16, six second exchangers 25 and three centrifugal rotodynamic pumps 3 double-wheel 30, 31 is likely to have a tank diameter of between 15 and 16 m.
  • the illustrated embodiment advantageously provides, for a given pumping means 3, a double-wheel pump for pumping the hot zone 12 to the cold zone (wheel 30) and pumping the zone. cold 14 to the hot zone (wheel 31), one can also provide two separate pumps, that is to say, which are not coupled to each other in their operating regime. In such a mode, fluid communication is maintained from the inlet of the pump circulating the primary sodium from the hot zone to the cold zone with the torus according to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un perfectionnement à un réacteur SFR de type intégré selon la demande WO 2010/057720. Selon l'invention, ·les fenêtres de sortie (18) des échangeurs intermédiaires (16) sont entourées chacune dans une enveloppe (20) en communication fluidique avec un conduit conformé en tore(21), ·le groupe de pompage (30) pour faire circuler le sodium de la zone chaude (12) vers la zone froide (14) à travers les échangeurs intermédiaires a également chacune de ses entrées en communication fluidique avec le tore, de sorte que le sodium primaire provenant de la zone chaude et sortant des échangeurs intermédiaires circule à travers le tore pour être dirigé vers la zone froide par ledit groupe de pompage.

Description

REACTEUR N UCLEAI RE A N EUTRONS RAPI DES REFROI DI AU SODI UM ("SODI UM FAST REACTOR" ) DE TYPE I NTÉGRÉ
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne un réacteur nucléaire refroidi au sodium dénommé SFR (en anglais : Sodium Fast Reactor) , qui fait partie de la famille des réacteurs dits de quatrième génération.
Plus précisément, l'invention concerne un réacteur nucléaire refroidi au sodium, de type intégré, c'est-à-dire pour lequel le circuit primaire est totalement contenu dans une cuve contenant également les pompes primaires et des échangeurs de chaleur.
L' invention propose un perfectionnement à la demande WO 2010/057720 qui a proposé une architecture innovante du circuit primaire contenu dans la cuve du réacteur permettant d'en améliorer sa compacité, de faciliter la conception de certaines pièces et d'améliorer la convection naturelle du sodium dans la cuve.
E TAT DE L' ART ANTERIEUR
Les réacteurs nucléaires refroidis au sodium (SFR) comportent habituellement une cuve dans laquelle se trouve le cœur, avec au-dessus du cœur un bouchon de contrôle du cœur. L'extraction de la chaleur s'effectue en faisant circuler le sodium dit sodium primaire au moyen d'un système de pompage placé dans la cuve. Cette chaleur est transférée à un circuit intermédiaire, via un ou plusieurs échangeur(s) intermédiaire ( s ) (El), avant d'être utilisée pour produire de la vapeur dans un générateur de vapeur (GV) . Cette vapeur est ensuite envoyée dans une turbine pour la transformer en énergie mécanique, à son tour transformée en énergie électrique.
Le circuit intermédiaire comprend, en tant que caloporteur, du sodium et a pour but d'isoler (ou autrement dit contenir) le sodium primaire qui est dans la cuve, par rapport au générateur de vapeur et ce, en raison des réactions violentes susceptibles de se produire entre le sodium et l'eau-vapeur contenue dans le générateur de vapeur en cas d'une éventuelle rupture d'un tube de ce dernier. Ainsi, l'architecture met en évidence deux circuits en sodium : l'un dit primaire chargé de transférer la chaleur entre le cœur et un (des) échangeur(s) de chaleur intermédiaire ( s ) , l'autre dit secondaire chargé de transférer la chaleur de l' (des) échangeur(s) intermédiaire ( s ) vers le générateur de vapeur.
Tous les réacteurs refroidis au sodium (SFR) présentent des caractéristiques techniques communes. La cuve est fermée sur le dessus par une dalle de fermeture afin que le sodium primaire ne soit pas en contact avec l'air extérieur. Tous les composants (échangeurs, pompes, tuyaux, ...) traversent cette dalle verticalement pour pouvoir être démontés en les soulevant verticalement par un dispositif de levage. Les dimensions des trous de passage dans cette dalle sont fonction de la taille et du nombre de composants. Plus les trous sont importants (en dimension et en nombre) , plus le diamètre de la cuve sera important.
Les différentes solutions techniques retenues à ce jour peuvent être classées dans deux grandes familles de réacteurs : les réacteurs de type à boucles et les réacteurs de type intégré.
Les réacteurs SFR de type à boucles sont caractérisés par le fait que l'échangeur intermédiaire et les dispositifs de pompage du sodium primaire sont situés hors de la cuve.
Le principal avantage d'un réacteur SFR de type à boucles est, pour une puissance donnée, d'obtenir une cuve de plus petit diamètre que celle d'un réacteur SFR de type intégré, car la cuve contient moins de composants. La cuve est donc plus facilement fabricable et donc moins chère. Par contre, un réacteur SFR de type à boucles présente l'inconvénient majeur de faire sortir du sodium primaire de la cuve, ce qui complique l'architecture de circuit primaire et pose des problèmes de sûreté importants. Ainsi, les avantages liés à la taille réduite et la fabrication plus aisée de la cuve sont annulés par les surcoûts induits par l'ajout de dispositifs liés à la conception des boucles et de moyens spéciaux pour gérer les éventuelles fuites de sodium primaire.
Les réacteurs SFR de type intégré sont caractérisés par le fait que les échangeurs intermédiaires et les moyens de pompage du sodium primaire sont intégralement situés dans la cuve, ce qui permet d'éviter de faire sortir le circuit primaire hors de la cuve et constitue donc un avantage important en terme de sûreté par rapport à un réacteur SFR de type à boucles.
Les inventeurs de la présente demande ont proposé dans la demande WO 2010/057720 une solution visant à améliorer les réacteurs SFR de type intégré.
Plus précisément, la solution qu'ils ont proposée vise à résoudre les inconvénients des réacteurs SFR de type intégré qu'ils avaient identifié comme suit :
· une conception et une réalisation difficile du redan entre collecteur chaud et collecteur froid,
• une compatibilité délicate entre le fonctionnement normal en convection forcée et le fonctionnement en convection naturelle de l'évacuation de la puissance résiduelle lorsque les pompes électromécaniques sont défaillantes,
• une taille de cuve importante qui pénalise le concept d'un point de vue économique.
La solution selon la demande WO 2010/057720 n'est pas complètement satisfaisante. En effet, l'agencement d'un groupe de moyens de pompage à côté de chaque échangeur intermédiaire (en amont ou en aval), i-e celui dédié à la circulation du sodium de la zone chaude vers la zone froide en traversant les échangeurs intermédiaires, implique un encombrement.
Cet encombrement est susceptible de nuire à la compacité du réacteur qui se traduirait concrètement par une augmentation de la taille de la cuve du réacteur. Un autre inconvénient de la solution selon WO 2010/057720 est que le fait d'agencer un groupe de moyens de pompage à coté des échangeurs intermédiaires et en aval de ceux-ci peut compliquer l'installation du réacteur SFR. En effet, dans ce cas, les moyens de pompage sont ici en quelque sorte agencer en bout de l'échangeur intermédiaire et peuvent constituer un balourd, ce qui est pré udiciable pour la tenue mécanique aux séismes.
Le but de l'invention est donc de proposer un perfectionnement au réacteur SFR de type intégré selon la demande WO 2010/057720 qui vise à pallier tout ou partie de ses inconvénients mentionnés ci-dessus.
EXPOSÉ DE L' INVENTION Conformément à l'invention, cet objectif est atteint par un réacteur nucléaire SFR de type intégré, comprenant une cuve adaptée pour être remplie de sodium et à l'intérieur de laquelle sont agencés un cœur, des moyens de pompage pour faire circuler le sodium primaire, des premiers échangeurs de chaleur, dits échangeurs intermédiaires, adaptés pour évacuer la puissance produite par le cœur en fonctionnement normal des seconds échangeurs de chaleur adaptés pour évacuer la puissance résiduelle produite par le cœur à l'arrêt lorsque les moyens de pompage sont également à l'arrêt, un dispositif de séparation délimitant une zone chaude et une zone froide dans la cuve, comprenant :
• un dispositif de séparation constitué de deux parois chacune avec une partie sensiblement verticale agencée en entourant le cœur et une partie sensiblement horizontale, les parties sensiblement horizontales étant séparées l'une de l'autre d'une hauteur et l'espace délimité au dessus de la partie horizontale de la paroi supérieure formant la zone chaude tandis que l'espace délimité en dessous de la partie horizontale de la paroi inférieure forme la zone froide et les parties sensiblement horizontales sont agencées avec eux par rapport à la cuve,
• des échangeurs intermédiaires agencés sensiblement verticalement avec eux dans des premiers ajours pratiqués dans chaque partie horizontale de paroi du dispositif de séparation de manière à localiser leurs fenêtres de sortie en dessous de la partie horizontale de la paroi inférieure,
· des moyens de pompage à débit variable divisés en deux groupes en série hydraulique, l'un agencé en dessous de la partie horizontale de la paroi inférieure pour faire circuler le sodium de la zone froide vers la zone chaude en traversant le cœur, l'autre pour faire circuler le sodium de la zone chaude vers la zone froide en traversant les échangeurs intermédiaires ,
• des moyens d'acquisition de température agencés dans l'espace délimité entre les parties horizontales des deux parois en étant répartis selon un axe sensiblement vertical pour déterminer en temps réel la stratification thermique dans cet espace,
• des moyens d'asservissement reliés d'une part aux moyens d'acquisition de température et d'autre part aux deux groupes de pompage, pour modifier si nécessaire le débit d'au moins un groupe de pompage afin de maintenir un niveau satisfaisant de stratification en fonctionnement normal,
• des seconds échangeurs agencés sensiblement verticalement au dessus de la zone froide,
· des moyens pour permettre la convection naturelle du sodium primaire depuis les seconds échangeurs vers la zone froide lorsque le cœur et les moyens de pompage sont également à l'arrêt,
réacteur dans lequel l'ensemble des eux et la hauteur entre les parties horizontales des deux parois du dispositif de séparation sont préalablement déterminés pour, en fonctionnement normal, reprendre les déplacements différentiels entre les parois, échangeurs et cuve et pour permettre d'établir en fonctionnement normal une stratification thermique du sodium primaire dans l'espace délimité entre les parties horizontales des deux parois et pour, en cas d'arrêt inopiné d'un seul groupe de pompage, limiter les efforts mécaniques subis par les parois dus à la partie du débit de sodium primaire passant dans lesdits j eux .
Selon l'invention,
• les fenêtres de sortie des échangeurs intermédiaires sont entourées chacune dans une enveloppe en communication fluidique avec un conduit conformé en tore,
• le groupe de pompage pour faire circuler le sodium de la zone chaude vers la zone froide à travers les échangeurs intermédiaires a également chacune de ses entrées en communication fluidique avec le tore, de sorte que le sodium primaire provenant de la zone chaude et sortant des échangeurs intermédiaires circule à travers le tore pour être dirigé vers la zone froide par ledit groupe de pompage.
Comparativement à la solution selon la demande WO 2010/057720, on évite d'avoir à réaliser une nouvelle conception mixte d' échangeurs intermédiaires avec le groupe de moyens de pompage à côté. En corollaire, on peut utiliser dans un réacteur SFR de type intégré selon l'invention des échangeurs intermédiaires déjà éprouvés pour des réacteurs SFR de type intégré selon l'état de l'art. De plus, les moyens de pompage n'étant plus fixés en sortie de l' échangeur intermédiaire, le surplus de masse en extrémité inférieure de l' échangeur intermédiaire susceptible de créer un balourd n'existe plus, ce qui est favorable à la tenue mécanique de l' échangeur intermédiaire en cas de séisme. En fonction des conditions d'écoulements souhaités dans le tore, on peut ajuster le nombre de moyens de pompage, leurs caractéristiques, telles que débit, pression ... En outre, grâce au conduit torique selon l'invention, on peut homogénéiser plus facilement l'écoulement du sodium primaire à travers tous les échangeurs intermédiaires comparativement à la solution selon la demande WO 2010/057720.
Selon un mode de réalisation, les deux groupes de pompage à débit variable en série hydraulique sont mécaniquement indépendants et sont constitués chacun de pompes rotodynamiques , dont l'arbre d'entraînement s'étend verticalement sur la hauteur de la cuve en traversant la dalle de fermeture et les parties horizontales des deux parois du dispositif de séparation agencés sensiblement verticalement avec jeux, les eux entre le supportage des pompes et les deux parois du dispositif de séparation étant également préalablement déterminés pour, en fonctionnement normal, reprendre les déplacements différentiels entre eux et la cuve et pour permettre d'établir en fonctionnement normal une stratification thermique du sodium primaire dans l'espace délimité entre les parties horizontales des deux parois et pour, en cas d'arrêt inopiné d'un groupe de pompage, limiter les efforts mécaniques subis par les parois dus à la partie du débit de sodium primaire passant dans lesdits jeux.
Selon un mode de réalisation avantageux, les deux groupes de pompage à débit variable en série hydraulique sont mécaniquement dépendants et sont constitués d' au moins une pompe rotodynamique centrifuge à double-rouet dont un premier rouet agencé avec son entrée pour aspirer axialement le sodium primaire dans le tore et sa sortie pour refouler le sodium primaire dans la zone froide et le deuxième rouet, monté sur la même ligne d'arbre d'entraînement que le premier rouet, et agencé avec son entrée pour aspirer le sodium primaire dans la zone froide et sa sortie pour refouler vers le cœur. Le fait de coupler sur une même ligne d'arbre les deux rouets décrits ci- dessus permet de faire varier de façon similaire le débit de sodium primaire qui traverse le cœur et celui qui traverse les échangeurs intermédiaires, notamment dans les régimes d'écoulement intermédiaire. Cela a en outre pour avantage une simplification du mode de pilotage et d'ajustement des débits. Cette mise en commun permet enfin de réduire le nombre de composants dans la cuve et ainsi d'augmenter la compacité de la cuve. En outre, par rapport au mode où les deux groupes de pompage sont mécaniquement indépendants, il n'est pas ici nécessaire de définir un eu entre le supportage des pompes et parois du dispositif de séparation qui prenne en compte des efforts mécaniques supplémentaires sur ces dernières en cas d'arrêt d'un groupe de pompe à double-rouet. En effet, dans un tel cas, le débit moyen à travers le dispositif de séparation, c'est-à-dire entre ses deux parois est nul, et il n'y a donc pas d'efforts mécaniques préjudiciables sur celles-ci.
Une telle adaptation d'une pompe rotodynamique centrifuge à double-rouet est loin d'avoir été évidente. En effet, si les pompes de ce type avec deux rouets portés par un même arbre sont connues, elles fonctionnent usuellement pour augmenter la pression d'une roue à l'autre et donc avec l'entrée d'aspiration d'une roue ou rouet correspondant à la sortie d'aspiration d'une autre roue ou rouet montée en série. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle leur désignation technique usuelle est pompe multi- étagées. La pompe centrifuge à double-rouet selon l'invention se distingue de celles connues selon l'état de l'art par le fait qu'il y a une zone intermédiaire de grand volume entre les deux rouets d'une même pompe et que cette zone intermédiaire est commune à plusieurs pompes. Cette zone intermédiaire de grand volume est la zone froide du réacteur selon l'invention. Autrement dit, ici, contrairement aux pompes multi-étagées selon l'état de l'art, il y a addition directe des rapports de pression des étages constitués chacun par un rouet mais pas forcément avec le même débit, car le volume intermédiaire est en communication hydraulique avec d'autre éléments du réacteurs, par exemple via les ajours du redan. Ainsi dans un fonctionnement normal du réacteur, le débit traversant les échangeurs intermédiaires et celui traversant le cœur est le même, il est donc identique dans les deux rouets. Il y a donc toujours une addition des pressions comme dans une pompe classique à deux étages, mais le fait d'avoir un grand volume entre les deux rouets qui est constitué par le collecteur froid, implique qu'il y a un filtrage, c'est-à-dire un adoucissement d'éventuel choc thermique pouvant se produire si une défaillance de fonctionnement se produit. Ainsi, si par exemple le sodium sortant des échangeurs intermédiaires El et arrivant n'est plus suffisamment froid mais devient brutalement chaud suite à un arrêt intempestif du système d'extraction de chaleur du coté secondaire de l'échangeur intermédiaire, le premier rouet de la pompe (celui qui aspire dans le tore) subit en quelque sorte directement ce choc thermique, mais le second rouet subit une montée progressive de la température du sodium, car le sodium chaud sortant du premier rouet se mélange progressivement avec le sodium froid déjà présent dans le collecteur froid.
Une autre différence de fonctionnement de la pompe à double-rouet selon l'invention par rapport aux pompes classiques à deux étages est le mode de fonctionnement en régime d'évacuation de la puissance résiduelle. Dans une pompe classique à deux étages, le même débit traverse les rouets de la pompe et ce même si la pompe est arrêtée (le débit étant fourni par une convection naturelle par exemple) . Dans le cas de la présente invention, dans la situation d'évacuation de puissance résiduelle, il peut n'y avoir aucun débit qui traverse le premier rouet (celui qui a son entrée dans le tore) alors que tout le débit qui traverse le second rouet et qui alimente le cœur provient du collecteur froid. La boucle hydraulique est alors formée par les éléments suivants : cœur, collecteur chaud, échangeurs dédiés à l'évacuation de la puissance résiduelle, ajours dans le redan, collecteur froid, second rouet de la pompe et enfin le cœur. La circulation du sodium dans cette boucle s'effectue alors en convection naturelle.
En fonction des conditions de fonctionnement du réacteur, on peut prévoir avantageusement de mettre en œuvre au moins un moyen pour ajuster le débit de sodium primaire à travers le cœur par rapport au débit à travers les échangeurs intermédiaires, indépendamment l'un de l'autre et de la vitesse de rotation de la ligne d'arbre d'entraînement des deux rouets.
Cela peut être le cas dans une certaine plage de vitesse variable de rotation de l'entraînement de pompes indépendantes (non sur le même arbre) . Cela peut également survenir au cours de la durée de vie du réacteur. Ainsi, typiquement la durée de vie envisagée d'un réacteur dit de quatrième génération est de plusieurs dizaines d'années. Au cours de la vie du réacteur, les éléments combustibles constituant le cœur sont régulièrement changés. En fonction du contexte de gestion des matières nucléaires, de nouveaux types d'éléments de combustible nucléaire pourront être chargés dans le cœur du réacteur. Or, ces nouveaux éléments de combustible nucléaire peuvent induire des pertes de charge différentes des éléments de combustible présents initialement dans le cœur. Dans cette configuration, l'inventeur pense qu'il sera délicat d'obtenir un même débit entre celui traversant le cœur et celui traversant les échangeurs intermédiaires avec uniquement la pompe à double-rouet initialement agencée. Le moyen d'ajustement du débit entre le cœur et les échangeurs intermédiaires permet ainsi avantageusement de compenser efficacement les nouvelles pertes de charge induites. Cela ne peut par définition être résolu en modifiant la vitesse de rotation des deux rouets, puisque ceux-ci sont accouplés à la même ligne d'arbre.
Selon une variante avantageuse, le (s) moyen (s) d'ajustement de débit consiste (nt) en un (des) moyen (s) de pompage supplémentaire ( s ) , distinct (s) de la (des) pompe (s) électromécanique à deux rouets, et dont l' (leur) entrée est (sont) en communication fluidique avec le tore, la somme des débits de sodium primaire fournis par le (les) moyen (s) de pompage supplémentaire ( s ) et la pompe à double-rouet étant approximativement égale au débit traversant les échangeurs intermédiaires. De préférence, la valeur du débit fourni par le rouet de la pompe à double rouet ayant son aspiration dans le tore peut être comprise entre 90 à 95 % de celle du débit traversant les échangeurs intermédiaires. Il va de soi que le débit fourni par la pompe à double-rouet peut dépendre de la vitesse de rotation de la ligne d'arbre d'entraînement. Ainsi, en fonction de la valeur du débit fourni par la pompe à double-rouet, le (s) moyen (s) de pompage (s) supplémentaire ( s ) fournit le complément de débit en l'ajustant pour que le débit traversant les échangeurs intermédiaires soit égal à celui traversant le cœur. On s'assure de préférence que le moyen de pompage supplémentaire fournisse un faible débit, typiquement d'une valeur de 5 à 10 % du débit traversant les échangeurs intermédiaires.
Avantageusement, le (s) moyen (s) de pompage supplémentaire ( s ) est (sont) constitué (s) par une pompe rotodynamique et/ou une pompe électromagnétique.
L'avantage d'utilisation de ces pompes est leur faible puissance requise, et donc un faible encombrement, ce qui favorise encore la compacité du réacteur.
Selon une autre variante avantageuse :
- la ligne d'arbre d'entraînement des deux rouets de la pompe comprend au moins deux arbres coaxiaux solidaires en rotation et aptes à être déplacés axialement l'un par rapport à l'autre, l'extrémité inférieure de l'un des arbres supportant au moins une partie des aubes du rouet tandis que l'extrémité inférieure de l'autre des arbres supporte l'autre partie du rouet ;
- le (s) moyen (s) d'ajustement de débit consiste (nt) en l'arbre d'entraînement à l'extrémité inférieure de laquelle la au moins une partie des aubes du rouet est fixée, dont le déplacement axial par rapport à l'autre arbre d'entraînement permet la rétractation de la au moins une partie des aubes. Une pompe rotodymanique centrifuge à double-rouet est fabriquée pour avoir une circulation hydraulique dans un rouet compris entre deux disques. L'un de ces disques est fixe tandis que l'autre est fixé sur le rouet supportant les aubes. Ainsi, usuellement, pour obtenir le maximum de rendement on prévoit un eu de montage minimal entre les bords des aubes du disque mobile et le disque fixe. Ici, judicieusement, en réalisant un montage d'aubes rétractables dans le disque mobile, on peut ajuster le jeu entre celles-ci et le disque fixe et par là, dégrader plus ou moins le rendement de la pompe c'est-à-dire ses caractéristiques de pression en fonction du débit.
A des fins de sûreté, on prévoit avantageusement d' agencer le mécanisme de commande de déplacement de l'arbre permettant la rétraction de la au moins une partie des aubes, au dessus du moteur d'entraînement de la ligne d'arbres lui-même agencé au dessus de la dalle de fermeture. Cette réalisation est en outre plus simple qu'une réalisation selon laquelle le mécanisme de commande serait agencée ailleurs. Un réacteur SFR de type intégré selon l'invention peut comprendre un nombre de six échangeurs intermédiaires, six second échangeurs et trois pompes rotodynamiques centrifuges à double-rouet. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l'invention faite en référence aux figures suivantes dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un réacteur SFR de type intégré selon l'invention,
- la figure 1A est une vue schématique en coupe longitudinale partielle d'un réacteur SFR de type intégré selon l'invention illustrant une variante d' agencement entre un échangeur intermédiaire et un conduit conformé en tore selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique illustrant une solution de collecte du sodium en sortie d' échangeurs intermédiaires dans un tore et de pompage du sodium selon l'invention, avec en tant que moyens de pompage deux pompes centrifuge à double-rouet,
- la figure 3 montre les courbes caractéristiques de la pression en fonction du débit d'une pompe centrifuge à double rouet selon 1 ' invention,
- la figure 4 est une autre vue schématique en coupe longitudinale d'un réacteur SFR de type intégré selon l'invention, sur laquelle l'agencement d'une pompe à double rouet est montré, - la figure 5 est une vue de détail en coupe d'un rouet de la pompe centrifuge avec un moyen d'ajustement du débit de sodium,
- la figure 6 est une vue schématique en coupe longitudinale partielle d'un réacteur SFR de type intégré selon l'invention illustrant l'agencement relatif entre échangeur dédié à l'évacuation de puissance résiduelle, moyens d'acquisition de température et dispositif de séparation entre zone chaude et zone froide selon l'invention,
- la figure 7 est une autre vue analogue à la figure 4, sur laquelle en plus du moteur d' entraînement , est représenté le mécanisme de commande de déplacement des aubes d'un rouet d'une pompe selon l'invention.
EXPOSÉ DÉ TAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans l'ensemble de la présente demande, les termes « horizontale », verticale », « inférieur », « supérieur », « dessous » et « dessus » sont à comprendre par référence à une cuve du réacteur agencée à la verticale et à l'agencement par rapport à la zone froide ou chaude. Ainsi, la paroi supérieure selon l'invention désigne la paroi la plus proche de la zone chaude, tandis que la paroi inférieure désigne celle la plus proche de la zone froide. De même, une pompe selon l'invention agencée au dessous de la paroi inférieure est celle la située dans la zone froide.
De même, dans l'ensemble de la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont à comprendre par référence au sens de l'écoulement du sodium. Ainsi, un groupe de moyens de pompage en amont d'un échangeur intermédiaire est traversé d'abord par le sodium qui circule ensuite à travers l' échangeur intermédiaire. Un groupe de moyens de pompage en aval d'un échangeur intermédiaire est traversé par le sodium qui a au préalable traversé l' échangeur intermédiaire.
Sur la figure 1, on peut voir le schéma global d'un réacteur SFR de type intégré selon l'invention. Le réacteur intégré comprend un cœur 11 dans lequel la chaleur est dégagée suite aux réactions nucléaires. Ce cœur 11 est supporté par un supportage 110. Ce supportage 110 comprend un sommier 1100 dans lequel sont enfoncés les pieds des assemblages 111 constituants le cœur, ce sommier 1100 étant supporté par un platelage 1101 reposant sur le fond 130 de la cuve 13. Au-dessus du cœur se trouve le bouchon de contrôle du cœur (BCC) comprenant l'instrumentation nécessaire au contrôle et au bon fonctionnement des réactions nucléaires.
Le circuit d'évacuation de la chaleur suivi par le sodium primaire en fonctionnement normal du cœur 11 est schématiquement représenté par les flèches en traits pleins CN : à la sortie du cœur, le sodium débouche dans un collecteur chaud 12. Le collecteur chaud 12 est séparé du collecteur froid 14 en dessous, par un dispositif de séparation approprié 15.
Ce dispositif de séparation entre collecteurs (ou zones) chaud 12 et froid 14 est constitué de deux parois 150, 151 ajourées. Ces deux parois 150, 151 ajourées sont chacune avec une partie sensiblement verticale 1501, 1511 agencée en entourant le cœur et une partie sensiblement horizontale 1500, 1510. Les parties horizontales 1500, 1510 sont séparées d'une hauteur H. Dans les modes illustrés, elles sont reliées entre elles par un arrondi. Les parties verticales de chaque paroi 150, 151 sont fixées au supportage 110 du cœur 11. L'espace délimité au dessus de la partie horizontale 1500 de la paroi supérieure 150 forme la zone chaude tandis que l'espace délimité en dessous de la partie horizontale 1510 de la paroi inférieure 151 forme la zone froide.
Comme montré en figures 1A et 6, les parties sensiblement horizontales 1500, 1510 sont agencées avec eux jl par rapport à la cuve 13.
Chaque échangeur intermédiaire 16 est disposé verticalement au travers de la dalle de fermeture 24. Le sodium primaire alimentant en fonctionnement normal les échangeurs intermédiaires 16 est pris dans le collecteur chaud 12 et est rejeté dans le collecteur froid 14. Les échangeurs intermédiaires 16 traversent les deux parties horizontales 150, 151 de paroi avec jeu fonctionnel j2 et sans aucune étanchéité particulière .
Dans le réacteur SFR selon l'invention, tout comme dans celui de la demande WO 2010/057720, des moyens de pompage 3 à débit variable divisés en deux groupes 30, 31 en série hydraulique sont prévus. Un des groupes 31 est prévu pour faire circuler le sodium de la zone froide 14 vers la zone chaude 12 en traversant le cœur 11, l'autre des groupes 30 est prévu pour faire circuler le sodium de la zone chaude 12 vers la zone froide 14 en traversant les échangeurs intermédiaires 16.
Selon l'invention, on prévoit tout d'abord d'entourer chacune des fenêtres de sortie 18 des échangeurs intermédiaires 16 dans une enveloppe 20 en communication fluidique avec un conduit conformé en tore 21.
On prévoit aussi que le groupe de pompage 30 pour faire circuler le sodium de la zone chaude 12 vers la zone froide 14 a également chacune de ses entrées en communication fluidique avec le tore 21, de sorte que le sodium primaire provenant de la zone chaude 12 et sortant des échangeurs intermédiaires 16 circule à travers le tore 21 pour être dirigé vers la zone froide par ledit groupe de pompage 30.
Comme représenté en figure 2, un mode de réalisation avantageux consiste à réaliser au moins un moyen de pompage 3 en commun entre les deux groupes 30, 31 constitué par une pompe rotodynamique centrifuge à double-rouet. Le premier groupe est constitué par le rouet 30 de la pompe 3 et est agencé avec son entrée 300 pour aspirer axialement le sodium primaire dans le tore 21 et avec sa sortie 301 pour refouler le sodium primaire dans la zone froide 14. Le deuxième groupe est constitué par le rouet 31 de la même pompe 3 et est monté sur la même ligne d'arbre d'entraînement 32 que le premier rouet 30, et il est agencé avec son entrée 310 pour aspirer radialement le sodium primaire dans la zone froide 14 et avec sa sortie 311 pour refouler vers le cœur 11. Ainsi, en couplant sur une même ligne d'arbre 32 les deux rouets 30, 31, on peut faire varier de façon similaire le débit de sodium primaire qui traverse le cœur 11 et celui qui traverse les échangeurs intermédiaires 16, notamment dans les régimes d'écoulement intermédiaire.
Cela ressort mieux de la figure 3 qui est un schéma caractéristique des courbes de débit en fonction de la pression pour les deux rouets 30, 31 de la même pompe 3 avec une zone commune 14. On voit ici que :
- pour une vitesse de rotation de la ligne d'arbre 32 (vitesse nominale Qnom ou vitesse réduite réduit ) , les courbes du rouet 30 et du rouet 31 sont quasiment parallèles entre elles,
- la variation du débit de sodium primaire traversant le cœur 11 est égale à la variation du débit de sodium traversant les échangeurs intermédiaires 16.
La figure 4 montre l'agencement d'une même pompe centrifuge à double rouet 30, 31 dans le réacteur. Le supportage 321 de la pompe à double rouet dans lequel se trouve la ligne d'arbre 32 s'étend verticalement sensiblement sur toute la hauteur de la cuve 13 en traversant la dalle de fermeture 24 et les parties horizontales 1500, 1501 des deux parois 150, 151 du dispositif de séparation agencés sensiblement verticalement avec eux. Comme expliqué par la suite, les eux entre le supportage 321 de la pompe dans lequel se situe la ligne d'arbre 32 de la pompe et les deux parois du dispositif de séparation sont préalablement déterminés pour, en fonctionnement normal, reprendre les déplacements différentiels entre eux et la cuve 13 et pour permettre d'établir en fonctionnement normal une stratification thermique du sodium primaire dans l'espace délimité entre les parties horizontales des deux parois 150, 151. En outre, sur cette figure, on peut préciser que le sodium provenant du collecteur froid 14 parvient radialement à l'entrée du rouet 31 avant d'être aspiré axialement par celui-ci .
En fonction des conditions de fonctionnement du réacteur, on peut prévoir avantageusement de mettre en œuvre au moins un moyen pour ajuster le débit de sodium primaire à travers le cœur 11 par rapport au débit à travers les échangeurs intermédiaires 16, indépendamment l'un de l'autre et de la vitesse de rotation de la ligne d'arbre d'entraînement des deux rouets. La figure 5 montre une réalisation avantageuse d'un tel moyen. Comme représenté, la ligne d'arbre d' entraînement comprend au moins deux arbres coaxiaux 320, 321 aptes à être déplacés axialement l'un par rapport à l'autre.
L'extrémité inférieure de l'arbre 320 supporte les aubes tandis que l'extrémité inférieure de l'autre arbre 321 supporte l'autre partie du rouet qui est fixe axialement. Ainsi, en déplaçant axialement l'arbre 320 par rapport à l'arbre 321 on réalise une rétractation des aubes 3000. On augmente ainsi le eu entre les bords des aubes 3000 et le disque fixe 302, ce qui permet de dégrader plus ou moins le rendement de la pompe c'est-à-dire ses caractéristiques de pression en fonction du débit. On ajuste ainsi le débit à travers les échangeurs intermédiaires 16 par rapport au débit à travers le cœur 11 et ce indépendamment de la vitesse de rotation de la ligne d'arbres 320, 321.
On a représenté en figure 5 la rétractation des aubes 300 sur le rouet 30 qui aspire le sodium du tore 21 pour ajuster le débit à travers les échangeurs intermédiaires 16 par rapport au débit à travers le cœur 11. Dans le cadre de l'invention, on peut bien entendu réaliser de manière alternative ou cumulative une rétractation d'au moins une partie des aubes de l'autre rouet 31.
La figure 6 présente un mode de réalisation optimisé pour améliorer l'efficacité de la stratification thermique dans l'espace de hauteur H séparant les deux parties horizontales 1500, 1510 des parois supérieures et inférieure 150, 151 et ainsi d'améliorer la convection naturelle Cr (circulation résiduelle) du sodium primaire en fonctionnement d' arrêt des réactions nucléaires. Un ajour 15000 est prévu dans la partie horizontale 1500 de la paroi supérieure 150 sous chaque échangeur. La zone d'échange des échangeurs 25 dédiés à l'évacuation de puissance résiduelle est entièrement placée dans le collecteur chaud. La fenêtre de sortie 250 est positionnée juste en dessous de la partie horizontale 1500 de la paroi supérieure 150. Un jeu fonctionnel j3 entre l' ajour 15000 de la paroi supérieure 150 et l' échangeur 25 permet le déplacement différentiel entre ces composants.
Les avantages de cet agencement sont en mode de fonctionnement d'évacuation de la puissance résiduelle du cœur 11 (à l'arrêt ainsi que le système de pompage 3), sont les suivants :
• la fenêtre de sortie 250 de l'échangeur secondaire 25 étant placée juste sous la partie horizontale 1500 de la paroi supérieure 150, le sodium froid sortant de cet échangeur 25 en fonctionnement descend plus facilement vers le collecteur froid 14 puisque une des parois 150 est déjà franchie, et ceci sans se mélanger avec le sodium du collecteur chaud 12, en d'autres termes, le chemin hydraulique lors du fonctionnement à l'arrêt en convection naturelle est amélioré,
• le sodium traverse la partie horizontale 1510 de la paroi inférieure 151 via des ajours 15100 aménagés sous l'échangeur dédié à l'évacuation de puissance résiduelle et via les trous constitués par les jeux fonctionnels entre paroi inférieure et les échangeurs intermédiaires et le jeu fonctionnel entre paroi du redan et cuve du réacteur.
La hauteur H de l'espace entre parties horizontales 1500, 1510 des deux parois 150, 151 est relativement importante (de l'ordre de deux mètres) pour permettre une stratification correcte. La distance entre les parties verticales 1501, 1511 des deux parois est faible (de l'ordre de quelques centimètres) .
L'espace de hauteur H est en communication avec le collecteur chaud 12 et le collecteur froid 14 par les jeux fonctionnels suivants :
• jl défini entre les parties horizontales 1500, 1501 des deux parois et la cuve 13. Ce jeu fonctionnel jl est de l'ordre de quelques centimètres et permet de reprendre les déplacements différentiels entre les composants (parois 150, 151 et cuve 13),
• j2 défini au niveau des traversées entre échangeurs intermédiaires 16 et le système de supportage 321 des pompes 3 et parois 150, 151. Ce eu fonctionnel j2 est de l'ordre de quelques centimètres et permet de reprendre les déplacements différentiels entre les composants (entre parois 150, 151 et échangeurs intermédiaires 16, et entre parois 150, 151 et pompes 3 ) ,
• j3 défini au niveau des traversées entre échangeurs 25 dédiés à l'évacuation de la puissance résiduelle et la partie horizontale 1500 de la paroi supérieure 150. Comme dit précédemment, afin que le sodium sortant de ces échangeurs 25 rejoignent facilement le collecteur froid 14, des ajours supplémentaires 15100 sont aménagés à l'aplomb dans la partie horizontale 1510 de la paroi inférieure.
Pour dimensionner précisément le dispositif de séparation dans une configuration donnée, l'homme du métier veillera à faire en sorte que les espaces de communication ne présentent pas de sections de passage trop importantes avec un grand diamètre hydraulique afin de réaliser une séparation physique efficace.
L'objectif des parois est en effet de marquer une limite physique entre des zones 12, 14 où les écoulements sont à fortes vitesses : collecteur chaud 12 et collecteur froid 14, avec une zone calme où doit s'établir une stratification thermique sans qu'il y ait aucune nécessité d'avoir une étanchéité. En fonction de l'application de l'invention, des aménagements spécifiques peuvent être réalisés. Quoi qu'il en soit, les eux fonctionnels jl, j2 et j3 et la hauteur H entre les parties horizontales 1500, 1510 des deux parois du dispositif de séparation sont préalablement déterminés pour, en fonctionnement normal, reprendre les déplacements différentiels entre les parois 150, 151, échangeurs 16, 25, pompe 3 et cuve 13 et pour permettre d'établir en fonctionnement normal une stratification thermique du sodium primaire dans l'espace délimité entre les parties horizontales des deux parois 150, 151 et pour, en cas d'arrêt inopiné d'un groupe de pompage 30 ou 31 (lorsque ceux-ci sont découplés), limiter les efforts mécaniques subis par les parois dus à la partie du débit de sodium primaire passant dans lesdits eux. La stratification thermique ainsi déterminée consiste ainsi en quelque sorte à prévoir un volume suffisamment important sur la hauteur entre les deux parois 150, 151 et à limiter les débits parasites de sodium primaire entre zone chaude 12 et zone froide 14.
A titre indicatif, on donne ici un ordre de grandeur de la section de passage entre parois et collecteurs 12, 14. Pour cette évaluation, les jeux fonctionnels au niveau des communications jl, j2 et j3 sont estimés à environ 5 cm :
• jeu fonctionnel jl entre cuve 13 et parties de paroi 1500, 1510 : avec une cuve dont le diamètre est de l'ordre d'une quinzaine de mètres, la section totale est de 2,3 m2,
« jeu fonctionnel j2 entre échangeur intermédiaire 16 ou pompe 3 et parties de paroi 1500, 1510 : avec un nombre de six échangeurs 16 et un nombre de trois pompes 3 qui requièrent une section de passage correspondant environ à un anneau dont le diamètre intérieur correspond à celui des échangeurs intermédiaires et des pompes, soit environ 2 mètres, et donc la largeur de l'anneau est le eu j2, la section est environ de 2,5 m2,
• eu fonctionnel j3 entre échangeur d'évacuation de puissance résiduelle 25 et partie horizontale 1500 de la paroi supérieure 150 : avec un nombre de six échangeurs 25 d'un mètre de diamètre environ, la section est d'~l m2.
La section totale de passage de la partie horizontale de la paroi supérieure est environ de 6 m2.
Cette estimation totale est valable pour la paroi supérieure 150. La paroi inférieure 151 n'étant pas traversée par les échangeurs 25 dédiés à l'évacuation de la puissance résiduelle, seuls les ajours 15100 sont réalisés dans la partie horizontale 1510 de cette paroi. Ces ajours 15100 ont de préférence un diamètre hydraulique équivalent aux autres ajours, soit un diamètre d'environ 0,10 m. Le nombre de ces ajours 15100 est de préférence tel que leur section totale soit au moins égale (en ordre de grandeur) à la section totale créée par le jeu fonctionnel j3 autour des échangeurs 25 d'évacuation de puissance résiduelle.
Dans le mode de réalisation illustré, cette section étant de l'ordre de 1 m2, on prévoit au minimum une vingtaine d' ajours 15100 sous chaque échangeur 25 dédié à l'évacuation de puissance résiduelle. Quoi qu'il en soit, la section de passage à travers les parois ajourées 150, 151 est en ordre de grandeur, satisfaisante pour toutes les conditions différentes de fonctionnement suivantes :
o elle doit être suffisamment grande pour que les parois 150, 151 ne subissent pas d'effort mécanique trop important en cas d' arrêt total inopiné d'un groupe de pompage 30 ou 31 lorsque ces deux groupes sont indépendants mécaniquement (découplés) . En effet, pour un réacteur d'une puissance nominale de l'ordre de 3600MW, le débit de sodium en fonctionnement normal est de l'ordre environ de 22,5 m3/s. Ainsi par exemple, en cas d'arrêt inopiné d'un groupe de pompage 30 ou 31 alimentant les échangeurs intermédiaires 16, lorsque ces deux groupes sont indépendants mécaniquement, une partie du débit sodium continue à circuler dans les échangeurs intermédiaires 16 et l'autre partie à travers les eux jl, j2, j3 entre composants 3, 16, 25, 13 et parois 150, 151. La répartition entre les deux débits est fonction des pertes de charge relatives entre les échangeurs intermédiaires 16 et les deux parois 150, 151. Une estimation de ces pertes de charge conduit potentiellement à environ 70% du débit passant par les jeux jl, j2, j3 soit environ 16 m3/s. La vitesse moyenne entre les ajours des parois 150, 151 et les composants est donc de 2,7m/s. Cette vitesse est faible et ne conduit pas à des efforts mécaniques importants sur les parois 150, 151,
o elle est suffisamment grande pour ne pas casser la stratification thermique, c'est—à-dire conserver un profil de température vertical et des températures la plus élevée et la moins élevée qui puissent toujours être corrigé en fonctionnement normal par asservissement des pompes et maintenu en fonctionnement d'arrêt,
o en fonctionnement normal, pour limiter les débits parasites au travers les trous, le diamètre hydraulique doit être faible. Les sections de passage dans les parois 150, 151 sont de préférence de forme très allongée avec une largeur d'environ 5 cm. Dans ce cas, le diamètre hydraulique est sensiblement égal à deux fois la largeur soit 10 cm. Avec un tel diamètre rapporté au diamètre d'une cuve d'un réacteur selon l'invention d'environ 15 m, la valeur relative du diamètre hydraulique est donc égal à environ 0, 1/15 soit moins de 0,7 %.
La figure 6 présente un mode de réalisation optimisé pour mesurer le gradient thermique dans l'espace interne entre parties horizontales 1500, 1510 de paroi 150, 151. Les moyens d'acquisition de température représentés sont constitué ici d'une ou plusieurs perches 6 immergée (s) dans le sodium et traversant les deux parties horizontales 1500, 1510 des deux parois 150, 151. Sur cette (ces) perche (s) 6 sont disposés des thermocouples 60 destinés à connaître la température du sodium à différentes altitudes dans la zone interne de hauteur H entre parois 150, 151. La connaissance du profil vertical de température associée à un traitement numérique, permet de suivre l'évolution du gradient thermique et d'asservir le débit de sodium traversant le cœur 11 au débit de celui traversant les échangeurs intermédiaires 16.
En fonctionnement normal, on vise, comme vu précédemment, à ce que ces deux débits soient identiques. Dans ces conditions, la zone de hauteur H entre les deux parois 150, 151, constitue une zone sans écoulement ou avec des écoulements à faible vitesse permettant l'établissement d'une stratification thermique .
C'est cette stratification thermique qui fait office de séparation entre les deux collecteurs chaud 12 et froid 14.
La mesure de cette stratification thermique par les thermocouples ou sondes thermiques 60 fixées à différentes altitudes à la (aux) perche (s) ou par un autre procédé, permet en cas échéant d'ajuster le débit relatif entre le débit traversant le cœur 11 et le débit traversant les échangeurs intermédiaires 16.
Comme montré en figure 5, on peut alors utiliser comme moyen d'ajustement de ces débits la rétractation des aubes de l'un des deux rouets 30, 31 d'une pompe 3.
L'efficacité de la stratification thermique peut être évaluée par le nombre de Richardson défini par l'équation suivante :
Ri = g (Δρ/ p) H / V2
Où :
•g est l'accélération de la pesanteur ;
•Δρ/ p est la variation relative de densité ;
·Δρ = p froid - P chaud !
•p froid est la masse volumique du fluide froid ; •p chaud est la masse volumique du fluide chaud ;
•p est la masse volumique moyenne des fluides ;
•H est une dimension caractéristique du volume, typiquement la hauteur du volume,
*V est la vitesse d'arrivée du fluide dans le volume .
Le nombre de Richardson Ri caractérise ainsi le rapport entre les forces de densité ou gravitationnelles (Δρ g H) avec les forces d'inertie (p V2 ) . Si les forces d'inertie sont plus importantes que les forces gravitationnelles, Ri sera inférieur à l'unité et la convection forcée l'emporte, il n'y a pas de stratification. Si les forces gravitationnelles sont plus importantes que les forces d'inertie, Ri sera supérieur à l'unité, ce qui signifie qu'il y a une stratification qui s'établit à l'intérieur du volume.
Dans un volume comprenant des entrées et des sorties de liquide chaud et froid, on considère qu'il y a stratification si le nombre adimensionnel de Richardson est supérieur à l'unité.
Dans le cas particulier étudié, le volume à considérer est l'espace de hauteur H situé entre les deux parties horizontales 1500, 1510 des parois 150, 151. Puisqu'en fonctionnement normal, les débits traversant le cœur 11 et les échangeurs intermédiaires 16 sont égaux, il n'y a pas de débit dans cet espace de hauteur H, donc les vitesses sont nulles. En réalité, il peut y avoir de faible débit car les deux parois étant ajourées par l'intermédiaire des eux fonctionnels jl, j2, j3, il apparaît de faibles vitesses d'écoulement à travers lesdits jeux. Evaluation du nombre de Richardson Ri dans un réacteur selon l' invention :
Puissance du réacteur : 3600 MW.
Température entrée cœur (température froide) : ~ 390°C. Température sortie cœur (température chaude) : ~ 540°C.
Débit nominal sodium- 22,5 m3/s.
Masse volumique du Na chaud : - 821 kg/m3.
Masse volumique du Na froid : ~ 857 kg/m3.
Variation relative de densité : ~ 4,3%.
Accélération de la pesanteur : 9,81 m/s2.
Dimension relative du volume (correspondant à la hauteur H entre les deux parois 150, 151) : ~ 2 m.
Section de passage dans les parois 150, 151 dues à la présence des eux jl, j2, j3 : - 6 m2.
Si on estime un déséquilibre important de débit temporaire de 10% entre le débit traversant le cœur 11 et celui traversant les échangeurs intermédiaires 16, ceci signifie qu'il y a potentiellement un débit de 10% du débit nominal qui passent par les eux fonctionnels jl, j2, j3 soit environ 2,25 m3/s.
Avec une section d'environ 6 m2, la vitesse est donc environ égale à 0,37 m/s.
Dans ces conditions, le nombre de Richardson Ri est de sensiblement égal à 6. Ce nombre étant supérieur à l'unité, l'écoulement dans l'espace entre parois 150, 151 de hauteur H est bien stratifié.
La mesure du niveau de cette stratification permet donc de réajuster les débits relatifs entre celui à travers le cœur 11 et celui à travers les échangeurs intermédiaires 16 par la régulation appropriée, de préférence par la rétraction des aubes d'un des rouets 30, 31. Cette régulation appropriée peut aussi être réalisée par un moyen de pompage supplémentaire prévu dans le tore 21 pour aspirer une partie du sodium provenant des échangeurs intermédiaires 16.
La figure 7 représente un agencement préféré de la pompe 3 à deux rouets 30, 31 selon l'invention avec son moteur d'entraînement 33 et le mécanisme de déplacement axial 34 de l'arbre 320 de rétractation de aubes du rouet.
Dans cet agencement, le moteur d'entraînement 33 de la ligne d'arbres est agencé au dessus de la dalle de fermeture 24 du réacteur et le mécanisme de commande de déplacement axial 34 pour rétracter les aubes est agencé lui-même au dessus du moteur d'entraînement 33. Pour des raisons de simplification de ce mécanisme, on peut utiliser un mécanisme éprouvé du type vis-écrou ou vérin hydraulique. Egalement pour des raisons de simplification de son montage, on peut agencer l'arbre 320 au centre de l'arbre entraîné en rotation par le moteur 33.
Un réacteur SFR de type intégré selon le projet EFR à l'étude, selon la demande de brevet WO 2010/0557720 est susceptible de présenter un diamètre de la cuve de l'ordre de 17 à 18 m.
Un réacteur SFR de même puissance que le projet EFR à l'étude, mais dont l'architecture est basée sur la présente invention (représenté en figure 1) comprenant un nombre de six échangeurs intermédiaires 16, six second échangeurs 25 et trois pompes rotodynamiques centrifuges 3 à double-rouet 30, 31 est susceptible de présenter un diamètre de cuve compris entre 15 et 16 m.
D'autres améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de 1 ' invention .
Ainsi, par exemple, si le mode de réalisation illustré prévoit avantageusement, pour un moyen de pompage donné 3, une pompe à double rouet pour réaliser le pompage de la zone chaude 12 vers la zone froide (rouet 30) et le pompage de la zone froide 14 vers la zone chaude (rouet 31), on peut tout aussi prévoir deux pompes distinctes, c'est-à-dire qui ne sont pas couplées l'une à l'autre dans leur régime de fonctionnement. Dans un tel mode, on conserve la communication fluidique de l'entrée de la pompe faisant circuler le sodium primaire de la zone chaude vers la zone froide avec le tore selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Réacteur nucléaire SFR de type intégré, comprenant une cuve (13) adaptée pour être remplie de sodium et à l'intérieur de laquelle sont agencés un cœur (11), des moyens de pompage pour faire circuler le sodium primaire, des premiers échangeurs (16) de chaleur, dits échangeurs intermédiaires, adaptés pour évacuer la puissance produite par le cœur en fonctionnement normal des seconds échangeurs (25) de chaleur adaptés pour évacuer la puissance résiduelle produite par le cœur à l'arrêt lorsque les moyens de pompage sont également à l'arrêt, un dispositif de séparation délimitant une zone chaude (12) et une zone froide (14) dans la cuve, comprenant :
• un dispositif de séparation constitué de deux parois (150, 151) chacune avec une partie sensiblement verticale (1501, 1511) agencée en entourant le cœur et une partie sensiblement horizontale (1500, 1510), les parties sensiblement horizontales étant séparées l'une de l'autre d'une hauteur (H) et l'espace délimité au dessus de la partie horizontale (1500) de la paroi supérieure (150) formant la zone chaude tandis que l'espace délimité en dessous de la partie horizontale (1510) de la paroi inférieure (151) forme la zone froide et les parties sensiblement horizontales (1500, 1510) sont agencées avec eux (jl) par rapport à la cuve,
• des échangeurs intermédiaires (16) agencés sensiblement verticalement avec eux (j2) dans des premiers ajours pratiqués dans chaque partie horizontale de paroi du dispositif de séparation de manière à localiser leurs fenêtres de sortie (18) en dessous de la partie horizontale de la paroi inférieure,
· des moyens (3) de pompage à débit variable divisés en deux groupes en série hydraulique, l'un (31) agencé en dessous de la partie horizontale de la paroi inférieure pour faire circuler le sodium de la zone froide vers la zone chaude en traversant le cœur, l'autre (30) pour faire circuler le sodium de la zone chaude vers la zone froide en traversant les échangeurs intermédiaires ,
• des moyens d'acquisition de température (6, 60) agencés dans l'espace délimité entre les parties horizontales (1500, 1510) des deux parois en étant répartis selon un axe sensiblement vertical pour déterminer en temps réel la stratification thermique dans cet espace,
• des moyens d'asservissement reliés d'une part aux moyens d'acquisition de température et d'autre part aux deux groupes de pompage, pour modifier si nécessaire le débit d'au moins un groupe de pompage afin de maintenir un niveau satisfaisant de stratification en fonctionnement normal,
· des seconds échangeurs agencés sensiblement verticalement au dessus de la zone froide (14) ,
• des moyens pour permettre la convection naturelle du sodium primaire depuis les seconds échangeurs vers la zone froide lorsque le cœur et les moyens de pompage sont également à l'arrêt, réacteur dans lequel l'ensemble des eux (jl, j2) et la hauteur (H) entre les parties horizontales (1500, 1510) des deux parois du dispositif de séparation sont préalablement déterminés pour, en fonctionnement normal, reprendre les déplacements différentiels entre les parois (150, 151), échangeurs (16, 25) et cuve (13) et pour permettre d'établir en fonctionnement normal une stratification thermique du sodium primaire dans l'espace délimité entre les parties horizontales des deux parois (150, 151) et pour, en cas d'arrêt inopiné d'un seul groupe de pompage, limiter les efforts mécaniques subis par les parois dus à la partie du débit de sodium primaire passant dans lesdits jeux,
caractérisé en ce que :
• les fenêtres de sortie (18) des échangeurs intermédiaires (16) sont entourées chacune dans une enveloppe (20) en communication fluidique avec un conduit conformé en tore (21),
· le groupe de pompage (30) pour faire circuler le sodium de la zone chaude (12) vers la zone froide (14) à travers les échangeurs intermédiaires (16) a également chacune de ses entrées en communication fluidique avec le tore, de sorte que le sodium primaire provenant de la zone chaude et sortant des échangeurs intermédiaires circule à travers le tore pour être dirigé vers la zone froide par ledit groupe de pompage.
2. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 1, dans lequel les deux groupes de pompage à débit variable en série hydraulique sont mécaniquement indépendants et sont constitués chacun de pompes rotodynamiques , dont l'arbre d'entraînement s'étend verticalement sur la hauteur de la cuve (13) en traversant la dalle de fermeture (24) et les parties horizontales (1500, 1501) des deux parois (150, 151) du dispositif de séparation agencés sensiblement verticalement avec eux (j2), les eux entre le supportage (321) des pompes et les deux parois du dispositif de séparation étant également préalablement déterminés pour, en fonctionnement normal, reprendre les déplacements différentiels entre eux et la cuve (13) et pour permettre d'établir en fonctionnement normal une stratification thermique du sodium primaire dans l'espace délimité entre les parties horizontales des deux parois (150, 151) et pour, en cas d'arrêt inopiné d'un groupe de pompage, limiter les efforts mécaniques subis par les parois dus à la partie du débit de sodium primaire passant dans lesdits jeux.
3. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 1, dans lequel les deux groupes de pompage à débit variable en série hydraulique sont mécaniquement dépendants et sont constitués d' au moins une pompe rotodynamique (3) centrifuge à double-rouet dont un premier rouet (30) agencé avec son entrée (300) pour aspirer axialement le sodium primaire dans le tore (21) et sa sortie (301) pour refouler le sodium primaire dans la zone froide (14) et le deuxième rouet (31), monté sur la même ligne d'arbre d'entraînement que le premier rouet, et agencé avec son entrée (310) pour aspirer le sodium primaire dans la zone froide et sa sortie (311) pour refouler vers le cœur.
4. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 3, comprenant au moins un moyen pour ajuster le débit de sodium primaire à travers le cœur par rapport au débit à travers les échangeurs intermédiaires, indépendamment l'un de l'autre et de la vitesse de rotation de la ligne d'arbre d'entraînement des deux rouets.
5. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 4, dans lequel le (s) moyen (s) d'ajustement de débit consiste (nt) en un (des) moyen (s) de pompage supplémentaire ( s ) , distinct (s) de la (des) pompe (s) électromécanique à deux rouets, et dont
1' (leur) entrée est (sont) en communication fluidique avec le tore, la somme des débits de sodium primaire fournis par le (les) moyen (s) de pompage supplémentaire ( s ) et le rouet (30) de la pompe à double-rouet étant approximativement égale au débit traversant les échangeurs intermédiaires.
6. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 5, dans lequel le (s) moyen (s) de pompage supplémentaire ( s ) est (sont) constitué (s) par une pompe rotodynamique et/ou une pompe électromagnétique .
7. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 4, dans lequel :
- la ligne d'arbre d'entraînement (32) des deux rouets de la pompe comprend au moins deux arbres coaxiaux aptes à être déplacés axialement l'un par rapport à l'autre, l'extrémité inférieure de l'un des arbres (320) supportant au moins une partie des aubes d'un rouet tandis que l'extrémité inférieure de l'autre des arbres (321) supporte l'autre partie du rouet ;
- le (s) moyen (s) d'ajustement de débit consiste (nt) en l'arbre d'entraînement à l'extrémité inférieure de laquelle la au moins une partie des aubes d'un rouet est fixée, dont le déplacement axial par rapport à l'autre arbre d'entraînement permet la rétractation de la au moins une partie des aubes.
8. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 7, dans lequel le mécanisme de commande (34) de déplacement de l'arbre permettant la rétraction de la au moins une partie des aubes d'un rouet est agencé au dessus du moteur d'entraînement (33) de la ligne d'arbres lui-même agencé au dessus de la dalle de fermeture (24) .
9. Réacteur nucléaire SFR de type intégré selon la revendication 8, comprenant un nombre de six échangeurs intermédiaires (16), six second échangeurs (25) et trois pompes rotodynamiques centrifuges (3) à double-rouet (30, 31) .
PCT/EP2011/067206 2010-10-04 2011-10-03 Réacteur nucléaire à neutrons rapides refroidi au sodium ("sodium fast reactor" ) de type intégré WO2012045691A1 (fr)

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