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E L E C T R I C I T E O E F R A N C E DIRECTION DES ÉTUOES ET RECHERCHES
SMVÎCB R4actaurs NsscMairas M Échaftfturs (R.N.E.)
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F Pv &6 oo\6o
Datt: 11 A v r i l 1934
Oéparttnwnt Technologie del Composants Division Grands Essais tn Sodium Les Renardières, routa dfl Sens ÊCUELLES
77250 MORET-SUR-LOING Tél. : 070.68.20
Département Transferts Thermiqui
•t Aérodynamique Division Métaux Liquidas 6, quai Watier 78400 CHATOU Tél. : 071.72.44
Libra EDF-GDF X Rutnintt Confidintitl
FONTAINE J . P . , LLORY M . , QUINET J . L . DIX ANNEES D ' E S S A I S DE GENERATEURS DE VAPEUR
CHAUFFES AU SODIUM SUR LE C.G.V.S.
SYNTHESE DES RESULTATS OBTENUS SUR CES APPAREILS ET EXPERIENCE D'EXPLOITATION D'UN MOYEN D'ESSAI
DE TAILLE INDUSTRIELLE HT/23/84-11
HT/30/84-03 84 pages
33 figures
De 1970 à 1980, ELECTRICITE DE FRANCE a procédé aux e s s a i s de q u a t r e g é n é r a t e u r s de vapeur de l a f i l i è r e des r é a c t e u r s h n e u t r o n s r a p i d e s s u r un moyen d ' e s s a i de t a i l l e i n d u s - t r i e l l e , l e C i r c u i t d ' e s s a i de grande p u i s s a n c e des G é n é r a t e u r s de Vapeur c h a u f f é s au Sodium
( C . G . V . S . ) .
Après une p r é s e n t a t i o n de l ' i n , , t a l l a t i o n d ' e s s a i , des types d ' e s s a i s e f f e c t u é s e t des a p p a r e i l s t e s t é s , on d r e s s e l e b i l a n des e n s e i - gnements t i r é s de l ' e x p l o i t a t i o n des c i r c u i t s , e t des p r i n c i p a u x r é s u l t a t s o b t e n u s sur l e s a p p a r e i l s e s s a y é s e t s u r l e s moyens de c a l c u l développés au a d o p t é s pour simuler Le f o n c t i o n - nement des g é n é r a t e u r s de v a p e u r .
E L E C T R 1 C I T E D E F R A N C E OIRECTION DES ETUDES ET RECHERCHES
Servit» Réactatrra Nucléaires « EchKigeurs IR.N.E.)
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Date: Il A v r i l 1984
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Département Technologie des Composants Division Grands Essais en Sodium Les Renardières, route de Sens ÉCHELLES
77250 MORET-SUR-LOING Tél. : 070.68.20
Département Transferts Thermiques et Aérodynamique
Division Métaux Liquidas 6, quai Watier 7B4O0 CHATOU Tél. : 071 J 2 . «
Libre EDF-GDF y.
Restreinte Confidentiel
FONTAINE J . P . , LLORY M-, QUTNET J . L . DIX ANNEES D'ESSAIS DE GENERATEURS DE VAPEUR
CHAUFFES AU SODIUM SUR LE C.G.V.S.
SYNTHESE DES RESULTATS OBTENUS SUR CES APPAREILS ET EXPERIENCE D'EXPLOITATION D'UN MOYEN D'ESSAI
DE TAILLE INDUSTRIELLE HT/23/84-11
HT/30/84-03 94 pages
33 f i g u r e s Résumé
De 1970 à 1980, ELECTRICITE DE FRANCE a procédé aux e s s a i s de q u a t r e g é n é r a t e u r s de vapeur de l a f i l i è r e des r é a c t e u r s à n e u t r o n s r a p i d e s sur un moyen d ' e s s a i de t a i l l e i n d u s - t r i e l l e , l e C i r c u i t d ' e s s a i de grande p u i s s a n c e des G é n é r a t e u r s de Vapeur c h a u f f é s au Sodium
(C.G.V.S.) .
Après une p r é s e n t a t i o n de l ' i n s t a l l a t i o n d ' e s s a i , des t y p e s d ' e s s a i s e f f e c t u é s e t des a p p a r e i l s t e s t é s , on d r e s s e l e b i l a n des e n s e i - gnements t i r é s de l ' e x p l o i t a t i o n des c i r c u i t s , e t des p r i n c i p a u x r é s u l t a t s o b t e n u s sur l e s a p p a r e i l s e s s a y é s e t s u r l e s moyens de c a l c u l développés ou a d o p t é s pour s i m u l e r l e f o n c t i o n - nement des g é n é r a t e u r s de v a p e u r .
- 2 -
SOMMAIRE
NOTATIONS AVANT-PROPOS
1ÈRE PARTIE - PRESENTATION DES APPAREILS ET DES ESSAIS
1 - MJYEN D'ESSAIS
1.1. - CIRCUITS
1.1.1. - CIRCUIT DE SODIUM 1.1.2. - CIRCUIT EAU-VAPEUR 1.1.3. - CIRCUITS DE REFRIGERATION
1.1.4. - CIRCUIT DE RECUPERATION DES PRODUITS DE REACTION SODIUM-EAU
1 . 2 , - FONCTIONNEMENT
2 - NATURE DES ESSAIS
2 . 1 . - ESSAIS DE FONCTIONNEMENT OU TRANSITOIRES NORMAUX 2 . 2 . - ESSAIS THERMIQUES EN REGIME PERMANENT
2 . 3 . - ESSAIS DE STABILITE STATIQUE 2 . 1 . - ESSAIS DE STABILITE DYNAMIQUE 2 . 5 , - ESSAIS D'ANALYSE I N D I C I E L L E
2 . 6 , - ESSAIS DE TRANSITOIRES DE GRANDE AMPLITUDE 2 . 7 , - ESSAIS DE SURETE
2.8, - ESSAIS D'ENDURANCE
3 - ORGANISATION ET TRAITEMENT DES f-ESURES 4 - GENERATEURS DE VAPEUR EXPERIMENTES
<
..,/
D I F F U S I O N
- H. CASEAU - Mme ISRAEL
SERVICE R.N.E.
JANOIR DE MONTARDY BRACHET
• MM. SONNEVILLE LLORÏ BOIVIN LECOEUVRE RIBON SIMEON CICERO Mme FEBURIE MM. DESMAS
KONG Mme CZOP
PERRIN ANCELIN
HEDIM BERGER DOREY LABOUREY
- MM. MACfiUEROM RICARD
Mme DAURES M. LE NCC
MM. LIDA BABY B O I S S I E R FONTAINE OBERLIN VIGNAUD AUSANGEE BROUILLET BEAUPIED GUINOT GÂTÉ COUSIN CARON LE BOURGEOIS MILLE PETIN
CE.A. - S.D.G.V.
- MM. CAMBILLARD VALETTE
CENTRALE DE CREYS-MALVHL5 - MM. LA6AT
VIALA
CENTRALE PHENIX - MM. CONTE
BOURRIERES
PHYSIQUE DES REACTEURS - MM. ISRAEL
VILLEMEUR Mme ANCELIN
M. BOISSEAU
EDF INTERNATIONAL
SERVICE DOCUMENTATION ( 2 e x . ) CLASSEMENT CHRONOLOGIQUE CLASSEMENT THEMATIQUE - M. PUGNET
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- 3 -
4.1. - GENERATEUR DE VAPEUR PROTOTYPE D£ PHENIX
4.2. - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL 45 NW STEIN INDUSTRIE 4.3, - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL 45 MW BABCOCK ATLANTIQUE 4.4, - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL NIRA
5 - DISPOSITIFS DE SURVEILLANCE DES GENERATEURS DE VAPEUR
5.1. - DETECTION DE L'HYDROGENE 5.1.1. - DETECTION DANS LE SODIUM 5.1.2. - DETECTION DANS L'ARGON 5.1.3. - CIRCUIT D'ETALONNAGE 5.2. - DETECTION ACOUSTIQUE
2ÈME PARTIE - RESULTATS OBTENUS
1 - EXPERIENCE T I R E DE L'EXPLOITATION ET DE L'ENTRETIEN DU lOTEN D'ESSAIS
1.1. - MISE EN SERVICE
1.2. - FONCTIONNEMENT DU C.G.V.S,
1.2.1. - ETUDE STATISTIQUE DU FONCTIONNEMENT 1.2.2. - COMPORTEMENT DES MATERIELS 1.3. - FEUX DE SODIUM
2 - MESURES EXPERIMENTALES
2.1, - CAPTEURS ET RESEAU DE MESURES 2.2. - ACQUISITION ET TRAITEMENT
4,
3 - RESULTATS OBTENUS AU COURS DES ESSAIS DE GENERAIEURS DE VAPEUR
3.1. - RESULTATS RELATIFS AU FONCTIONNEMENT THERMOHYDRAULIQUE 3.1.1. - GENERATEUR DE VAPEUR DE PHENIX
3.1.2. - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL ÛE 45 MW STEIN INDUSTRIL 3.1.3. - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL DE 45 MM 6ABC0CK ATLANTIQUE 3.1.4. - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL DE 45 MW NIRA
3.2. - RESULTATS REUTIFS AU FONCTIONNEMENT DES DISPOSITIFS DE SURVEILLANCE DES GENERATEURS DE VAPEUR
3.2.1. - DETECTION D'HYDROGENE 3.2.2. - DETECTION ACOUSTIQUE
H - INTERPRETATION CES ESSAIS - SIMULATION DU FONCTIONNEMENT DES GENERATEURS DE VAPEUR
4.1. - DESCRIPTION DES DIFFERENTS TYPES DE CODES DE CALCULS UTILISES 4.1.1. - CODES DE CALCULS EN REGIME PERMANENT
4.1.2. - LE CODE SICLE 4.1.3. - LE CODE LINEAIRE COPI
1.2. - RESULTATS OBTENUS
4.2.1. - LES PERFORMANCES THERMIQUES A CHARGE ELEVEE
4.2.2. - LE COMPORTEMENT THERMOHYDRAULIQUE STATIQUE A BASSE CHARGE
i
- 5 -
4 . 2 . 3 . - STABILITE DYNAMIQUE
4 . 2 . 4 . - COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES GENERATEURS DE VAPEUR SOUS L'INFLUENCE DE PERTURBATIONS DE FAIBLE AMPLITUDE
4 . 2 . 5 . - LES GRANDS TRANSITOIRES
5 - CONCLUSIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Annexe 1 - Paramètres de f i a b i l i t é des matériels en sodium
Annexe 2 - Manoeuvres d'ouverture et da fermeture des principales vannes du c i r c u i t sodium
Annexe 3 - Feux sodium
Annexe 4 - Caractéristiques principales de 1'instrumentation
Tableau 1 - Caractéristiques thermiques et géométriques des générateurs de vapeur de PHENIX
Tableau 2 - Caractéristiques géométriques du générateur de vapeur expérimental 45 M W STEIN INDUSTRIE
Tableau 3 - Principales caractéristiques géométriques du générateur de vapeur expérimental 45 MW BABCOCK ATLANTIQUE
Tableau 4 - Principales caractéristiques géométriques et thermiques du géné- rateur de vapeur expérimental NIRA
Tableau 5 - Corrélations de transfert thermique et de frottement utilisées dans les codes de calcul.
<
- 6 -
Figure I : CGVS - C i r c u i t sodium Figure 2 : CGVS - C i r c u i t eau-vapeur
Figure 3 : Ense-nble du système d ' a c q u i s i t i o n e t de t r a i t e m e n t des mesures du CGVS
Figure 4 : Générateur de vapeur p r o t o t y p e PHENIX
Figure 5 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l 45 MW STEIN INDUSTRIE j Figure 6 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l 45 MW 3ABC0CK ATLANTIQUE
Figure 7 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l NIRA
Figure 8 : Schéma de p r i n c i p e de l ' i n s t a l l a t i o n de d é t e c t i o n d'hydrogène du g é n é r a t e u r de vapeur p r o t o t y p e PHENIX
Figure 9 : Schéma de p r i n c i p e de l ' i n s t a l l a t i o n de d é t e c t i o n d'hydrogène du g é n é r a t e u r de vapeur e x p é r i m e n t a l 45 MW BABCOCK ATLANTIQUE Figure 10 : Schéma de p r i n c i p e de l ' i n s t a l l a t i o n de d é t e c t i o n d'hydrogène du
g é n é r a t e u r de vapeur e x p é r i m e n t a l 45 MW STEIN INDUSTRIE Figure 11 : Schéma de p r i n c i p e de l ' i n s t a l l a t i o n de d é t e c t i o n de l ' h y d r o g è n e
du g é n é r a t e u r de vapeur e x p é r i m e n t a l 45 MW NIRA (PGV 1) Figure 12 : Diagramme de marche du CGVS de 1970 à 1980
Figure 13 : P r e s s i o n p a r t i e l l e d'hydrogène pendant l ' e s s a i de r é g é n é r a t i o n Figure 14 : A l l u r e non monotone (en "S") de l a c a r a c t é r i s t i q u e s t a t i q u e h y d r a u -
l i q u e d'un tube ou d'un module de g é n é r a t e u r de vapeur
F i g u r e 15 : Générateur de vapeur p r o t o t y p e PHENIX : c a r a c t é r i s t i q u e s s t a t i q u e s e t courbes de v a r i a t i o n de l a température de s o r t i e vapeur pour l e s é c o n o m i s e u r s - é v a p o r a t e u r s à 140 bar
Figure 16 : Générateur de vapeur p r o t o t y p e PHENIX : c a r a c t é r i s t i q u e s s t a t i q u e s e t courbes de v a r i a t i o n de l a température de s o r t i e vapeur pour 1'éconoraiseur-évaporateur c e n t r a l à deux niveaux de p r e s s i o n Figure 17 : Générateur de vapeur p r o t o t y p e PHENIX : e s s a i s d ' a n a l y s e i n d i c i e l l e
au régime nominal "PHENIX" _ 512°C
Figure 18 : Générateur de vapeur expérimental 45 MW STEIN INDUSTRIE : d i s t r i b u t i o n des t e m p é r a t u r e s de s o r t i e de vapeur des t u b e s à deux cas de charge
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Figure 19 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l BABCOCK ATLANTIQUE : c a r a c t é r i s - t i q u e s s t a t i q u e s en f o n c t i o n de l a charge
Figure 20 : D i s t r i b u t i o n s l o n g i t u d i n a l e s des t e m p é r a t u r e s moyennes dans le GV e x p é r i m e n t a l BABCOCK ATLANTIQUE
Figure 21 : G é n é r a t e u r de vapeur e x p é r i m e n t a l BABCOCK ATLANTIQUE : l i m i t e de s t a b i l i t é au v o i s i n a g e du régime SUPER PHENIX à 20 7. de charge Figure 22 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l BABCOCK ATLANTIQUE : exemple d ' e n r e g i s t r e m e n t en f o n c t i o n du temps de deux g r a n d e u r s g l o b a l e s e t du d é b i t d ' e a u d'un tube
Figure 23 : Maquette 45 MW du g é n é r a t e u r de vapeur SUPER PHENIX : s e n s i b i l i t é des d i s p o s i t i f s de d é t e c t i o n d'hydrogène en f o n c t i o n de l a tempé- r a t u r e du sodium
Figure 24 : E v o l u t i o n , en f o n c t i o n du temps, du taux moyen de d i f f u s i o n d ' h y d r o - gène par u n i t é de s u r f a c e d'échange en a c i e r f e r r i t i q u e
Figure 25 : Maquette 45 MW du g é n é r a t e u r de vapeur SUPER PHFSIX : comparaison e n t r e la réponse des d i s p o s i t i f s de d é t e c t i o n d'hydrogène e t de d é t e c t i o n a c o u s t i q u e à une i n j e c t i o n de vapeur de 0,5 g / s au régime nominal
Figure 26 : S c h é m a t i s a t i o n s du g é n é r a t e u r de vapeur dans l e s modèles SICLE e t CODALU
Figure 27 : Maquette de 6 MW BABCOCK ATLANTIQUE : v a r i a t i o n s du c o e f f i c i e n t de f r o t t e m e n t en f o n c t i o n du nombre de REYNOLDS
Figure 28 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l de 45 MW STEIN INDUSTRIE : v a r i a - t i o n s de l a t e m p é r a t u r e de s o r t i e vapeur en f o n c t i o n du d é b i t d ' e a u , pour d i f f é r e n t e s v a l e u r s de l a p r e s s i o n de vapeur
Figure 29 : Maquette de 45 MW BABCOCK ATLANTIQUE : c o n p a r a i s o n des p r o f i l s l o n g i t u d i n a u x des t e m p é r a t u r e s des f l u i d e s mesurées e t c a l c u l é e s Figure 30 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l BABCOCK ATLANTIQUE : s i m u l a t i o n
des i n s t a b i l i t é s dynamiques
Figure 31 : Générateur de vapeur e x p é r i m e n t a l BABCOCK ATLANTIQUE : s i m u l a t i o n du comportement dynamique
Figure 32 : Générateur de vapeur expérimental BABCOCK ATLANTIQUE : s i m u l a t i o n d'un a r r ê t t o t a l de d é b i t d ' e a u . Comparaison des réponses c a l c u l é e s e t mesurées
Figure 33 : Générateur de vapeur expérimental BABCOCK ATLANTIQUE : s i m u l a t i o n d'un r e p l i automatique de p u i s s a n c e . Comparaison des réponses c a l c u l é e s e t mesurées.
<
NOTATIONS
d . , d d i a m è t r e s i n t e r n e e t e x t e r n e d ' u n tube d'échange (•)
L ' e °
i t c o e f f i c i e n t de f r o t t e m e n t de FANNING
h c o e f f i c i e n t de t r a n s m i s s i o n thermique g l o b a l e n t r e le sodium e t l ' e a u (W. m ~ \ K"1)
- -2 - 1
h , h coefficients d échange coté eau, côté sodium (W. m .S ) P P r e s s i o n a b s o l u e de l ' e a u (bar)
P, P r e s s i o n absolue de s o r t i e de vapeur (bar) Q, Q Débit massique d ' e a u ( k g / s )
Q Débit massique de sodium ( k g / s ) R Nombre de Reynolds de l ' é c o u l e m e n t d'eau T , T Températures d ' e n t r é e e t de s o r t i e du sodium (CC)
e ' s r
t Temps ( s )
AP P e r t e de charge g l o b a l e du g é n é r a t e u r de vapeur (bar)
•x C o n d u c t i v i t é thermique J^ l a p a r o i des tubes (W. m . K ) m
j
0 Température moyenne de l ' e a u dans une s e c t i o n d'un tube d'échange (°C 0 , 0 Températures d ' e n t r é e d ' e a u e t de s o r t i e de vapeur (°C)
0 Température de s a t u r a t i o n de l ' e a u (°C) 0 . Température de s o r t i e de vapeur du tube i (°C)
<
AVANT-PROPOS
La c o n c e p t i o n , la r é a l i s a t i o n e t l ' e x p l o i t a t i o n des g é n é r â t . u r s de vapeur chauffés au sodium posent des problèmes de q u a l i t é , de f i a h i l i t é e t de fonctionnement qui ne pouvaient pas tous ê t r e r é s o l u s i n i t i a l e m e n t par Le c a l c u l ou par l ' e x p é r i m e n t a t i o n sur des maquettes d ' a p p a r e i l s de p e t i t e t a i l l e . I l s ' a v é r a i t n é c e s s a i r e d'accumuler des c o n n a i s s a n c e s , ou d ' a m é l i o r e r c e l l e s - c i , notamment dans l e domaine de la theirmohydraulique ut de l a s û r e t é de ce type d ' é c h a n g e u r de c h a l e u r .
ELECTRICITE DE FRANCE a donc décidé en 1967 de c r é e r une s t a t i o n d ' e s s a i s de t a i l l e i n d u s t r i e l l e , d'une p u i s s a n c e thermique de 45 MU, conçue pour éprouver des g é n é r a t e u r s de vapeur chauffés au sodium dans l e s c o n d i t i o n s de fonctionnement l e s p l u s r e p r é s e n t a t i v e s p o s s i b l e s de c e l l e s r e n c o n t r é e s dans l e s c e n t r a l e s n u c l é a i r e s , en c o n s t r u c t i o n ou en p r o j e t , de la f i l i è r e des r é a c - t e u r s à n e u t r o n s r a p i d e s . C e t t e i n s t a l l a t i o n esc l e C i r c u i t d ' e s s a i s de grande p u i s s a n c e des G é n é r a t e u r s de Vapeur c h a u f f é s au Sodium ( C . G . V . S . ) ; e l l e a é t é implantée sur l e Centre des RENARDIERES de l a DIRECTION DES ETUDES ET RECHERCHES.
Le programme expérimental de c e t t e i n s t a l l a t i o n , pendant s e s dix années de fonctionnement, s o i t de 1970 à i960, s ' e s t trouvé é t r o i t e m e n t l i é au développement de l a f i l i è r e des r é a c t e u r s à n e u t r o n s r a p i d e s . Quatre a p p a r e i l s ont é t é a i n s i successivement t e s t é s sur l e C G A ' . S . ;
- de 1970 à 1972, t r o i s modules en v r a i e grandeur des g é n é r a t e u r s de vapeur modulaires de la C e n t r a l e PHENIX, composés chacun d'un étage économiseur- é v a p o r a t e u r , d'un étage s u r c h a u f f e u r e t d'un étage r e s u r c h a u f f e u r , ont subi
13 000 heures de fonctionnement, dont 6 800 heures de fonctionnement en p u i s s a n c e . C o n s t r u i t s par la S o c i é t é STEIN INDUSTRIE, ces modules comportent t o u s 7 tubes agencés en p a r t i e s d r o i t e s faiblement i n c l i n é e s par r a p p o r t à l ' h o r i z o n t a l e , r e l i é e s e n t r e e l l e s par des p o r t i o n s en d e m i - c e r c l e . L'ensemble, d i s p o s é dans un plan v e r t i c a l , a la forme d'un " S " p o r r l e s é t a g e s s u r c h a u f f e u r et r e s u r - chauffeur e t d'un double " S " pour l ' é t a g e éconoraiseur-évaporateur. Ces é t a g e s ne d i f f è r e n t que par l e s dimensions géométriques des tubes e t le matériau : a c i e r f e r r i t i q u e pour l e s é c o n o m i s e u r s - é v a p o r a t e u r s , a c i e r inoxydable a u s t é n i - t i q u e pour l e s s u r c h a u f f e u r s e t l e s r e s u r c h a u f f e u r s .
1
- de 1973 à 1975, deux maquettes d'une p u i s s a n c e thermique de 45 MW ont f a i t l ' o b j e t d'un programme e x p é r i m e n t a l r e s t r e i n t , mais t o u t e f o i s s u f f i - s a n t pour a p p o r t e r des éléments de d é c i s i o n , en vue du choix des g é n é r a t e u r s de vapeur u n i t a i r e s devant é q u i p e r l a C e n t r a l e de CREYS-MALVILLE ( r é a c t e u r SUPER PHENIX). La p r e m i è r e , c o n s t r u i t e par l a S o c i é t é BABCOCK-ATLANTIQUE, é t a i t com- posée d ' u n f a i s c e a u de 24 t u b e s e n r o u l é s en h é l i c e , en Incoloy 800. E l l e a subi 5 204 heures de fonctionnement, dont 1 001 h e u r e s de fonctionnement en p u i s s a n c e . La deuxième, c o n s t r u i t e par l a S o c i é t é STEIN INDUSTRIE, é t a i t com- l
posée de deux a p p a r e i l s p l a c é s en s é r i e , à tubes d r o i t s : un économiseur-éva- p o r a t e u r en a c i e r f e r r i t i q u e e t un s u r c h a u f f e u r en a c i e r a u s t é n i t i q u e . C e t t e maquette a subi 4 088 h e u r e s de fonctionnement, dont 1 507 h e u r e s en p u i s s a n c e .
Le choix du type de g é n é r a t e u r de vapeur d e s t i n é à l a C e n t r a l e de CREYS-MALVILLE s ' é t a n t p o r t é sur l ' a p p a r e i l à tubes e n r o u l é s en h é l i c e , le g é n é r a t e u r de vapeur c o n s t r u i t par l a S o c i é t é BABCOCK-ATLANTIQUE a subi a l o r s un important programme d ' e s s a i s complémentaires de 1975 à 1978. Le temps t o t a l de fonctionnement de c e t a p p a r e i l a é t é a i n s i de 18 460 h e u r e s , dont 5 610 heures en p u i s s a n c e .
- E n f i n , de 1979 à 1980, un g é n é r a t e u r de vapeur à t u b e s d r o i t s , d é v e - loppé par l a S o c i é t é i t a l i e n n e "COMITATO NAZIONALE PER L'ENERGIA NUCLEARE"
(CNEN) ec c o n s t r u i t par la S o c i é t é i t a l i e n n e "NUCLEARE ITALIANA REATTORI AVANZATI" (NIRA) pour la f i l i è r e à n e u t r o n s r a p i d e s a f a i t l ' o b j e t d ' e s s a i s sur l e C.G,V.S., à l a demande du CNEN. L ' a p p a r e i l é t a i t c o n s t i t u é de deux module t. p l a c é s en s é r i e : un économiseur-évaporateur en a c i e r f e r r i t i q u e e t un s u r c h a u f f e u r en a c i e r a u s t é n i t i q u e . Les d i f f é r e n c e s e s s e n t i e l l e s e n t r e le g é n é - r a t e u r de vapeur de c o n c e p t i o n NIRA e t c e l u i de c o n c e p t i o n STEIN INDUSTRIE, p r o - posé pour SUPER PHENIX, t i e n n e n t , d'une p a r t , à ce que 1 ' é c o n o m i s e u r - é v a p o r a t e u r e t l e s u r c h a u f f e u r c o n s t r u i t s par NIRA sont pratiquement i d e n t i q u e s , e x c e p t é la longueur d'échange - c e qui n ' e s t pas l e cas de l ' a p p a r e i l STEIN INDUSTRIE- e t , d ' a u t r e p a r t , à l ' a b s e n c e de d i s p o s i t i f s de r e p r i s e des d i l a t a t i o n s d i f f é - r e n t i e l l e s e n t r e tubes e t v i r o l e sur l e s a p p a r e i l s NIRA. Le g é n é r a t e u r de vapeur1
NIRA a t o t a l i s é H 767 h e u r e s de fonctionnement, dont 1 690 h e u r e s en p u i s s a n c e . Tous ces a p p a r e i l s sont du même type ,"once through", à une seu'.e passe : l ' e a u c i r c u l e à l ' i n t é r i e u r des tubes du f a i s c e a u e t le sodium à l ' e x t é r i e u r . Ces g é n é r a t e u r s de vapeur d i f f è r e n t par l'agencement du f a i s c e a u , l e s dimen- s i o n s géométriques e t l e matériau des t u b e s .
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- 10 -
Ces échangeurs de chaleur, modulaires ou unitaires, à tubes droits ou enroulés en hélice, et de différents matériaux, posaient a priori des problèmes dont la nature générale est la même :
- validité et précision du dimensionneTnent
- s t a b i l i t é de fonctionnement, notamment à basse charge
- fonctionnement en régime incidentel ou lors des démarrages-arrêts - possibilité de simulation correcte par Le calcul du fonctionnement.
en régime permanent et en régime transitoire
- assurance d'une surveillance satisfaisante de 1'intégrité de la paroi des tubes d'échange
- absence d'anomalies dans le comportement thermohydraulique, t e l l e s que débits de contournement du sodium et hétérogénéités de répar- tition des températures de sortie de vapeur des tubes.
Ces différents problèmes fixent les principaux objectifs des programmes expérimentaux r é a l i s é s .
On présente, ci-dessous, l'expérience acquise au cour? des dix années d'essais sur le C.G.V.S., qui ont permis d'améliorer très nettement la connais- sance des générateurs de vapeur chauffés au sodium, mais également celle rela- tive à l'exploitation d'un moyen d'essais â l'échelle industrielle e t , plus particulièrement, à la technologie des composants u t i l i s é s en sodium : pompes, vannes, mélangeurs, pièges froids, e t c .
La synthèse présentée comporte deux parties principales :
- dans une première partie, on présente successivement l ' i n s t a l l a t i o n expérimentale, les différents types d'essais effectués sur les générateurs de vapeur, l'instrumentation généralement u t i l i s é e et le traitement des mesures e t , enfin, les appareils testés, ainsi que les dispositifs de surveillance qui leur étaient associés,
<,
- dans une deuxième partie, on dresse un bilan des principaux résultats obtenus et enseignements t i r é s , au cours des quatre campagnes d'essais, tant sur le plan de l'exploitation des c i r c u i t s , de la fiabiLité des composants en sodium, de l'expérience acquise sur les mesures et Leur traitement, que sur les appareils eux-mêmes et leurs dispositifs de détection de fuîtes d'eau dans le sodium. On présente enfin les moyens de calculs qui ont été dévelop- pés ou adaptes, au cours de cette décade de fonctionnement du C.G.V.S., pour simuler le fonctionnement des générateurs de vapeur chauffes au sodium et inter- préter les résultats expérimentaux.
4.
1ÈRE PARTIE - PRESENTATION DES APPAREILS ET DES ESSAIS 1 - MOYEN D'ESSAIS
( 1 )L'installation comprend deux circuits principaux : un circuit de sodium destiné à fournir de la chaleur au générateur de vapeur et un circuit d'eau-vapeur servant à extraire cette chaleur ; ce dernier est complété par un circuit de réfrigération capable d'éliminer la puissance maximum, soit 50 M W . Enfin, u n circuit particulier assure la protection du matériel en cas de fuite d'eau importante survenant dans le générateur de vapeur.
Le pilotage de l'installation est assuré par un système centralisé de contrôle-commande fonctionnant à l'aide de logiques câblées, en automa- tismes séquentiels.
Un centralisateur de mesures assure le traitement et le stockage des informations provenant du générateur de vapeur.
1.1. " CIRCUITS
1.1.1. - CIRCUIT DE SODIUM (FIGURE 1)
Il comprend une boucle principale, un circuit de contournement froid, deux circuits de contournement chauds dont un peut être refroidi, un circuit de purification, un circuit de remplissage et de vidange, un réservoir de stockage et un réservoir d'expansion qui lui est relie, un circuit d'argon.
De tout cet ensemble, on peut retenir :
- Le réchauffeur, d'une puissance maximum de 50 MW, capable de porter la température du sodium jusqu'à 6 5 0aC . Il est composé d'une chambre de rayon- nement, d'un échangeur par convection, d'un réchauffeur d'air et de deux v e n t i - lateurs (tirage - soufflage). Il est chauffé au gaz naturel.
- Les deux pompes mécaniques centrifuges, à arbre vertical muni d'un palier fluide à la partie inférieure et d'un roulement à la partie supérieure.
Une atmosphère d'argon recouvre le niveau libre du sodium. La rotation des pompes est assurée par un moteur à courant continu à vitesse variable (de 300
<
- 13 -
à 1500 tr/mn, alimenté par un dispositif à thyristors. A 1500 tr/mn, le débiL est de 1000 m5/h et la hauteur de refoulement de 100 m.
- Le refroidisseur sodium-air, capable d'évacuer une puissance th-rmique de 15 MW, IL est destiné à la préparation et à la réalisation des différents régimes transitoires et i l permet de protéger le rechautfeur des chocs thermi- ques dus aux variations brutales des conditions de fonctionnement.
- Les deux mélangeurs, situés à la jonction du circuit principal et des circuits de contournement. Ils comportent une zone d'échange par convec- tion et une zone de mélange
- Les vannes d'arrêt à opercules et joint solidifié, les vannes d'arrêt d'équerre à clapet et à soufflet, les vannes de régulation à papillon et joint s o l i d i f i é . Leurs diamètres vont de 80 à 350 mm.
- Les pompes électromagnétiques du circuit de remplissage et du circuit de purification.
- Le piège froid du circuit de purification, à circulation et à écono- miseur incorporé. Il est refroidi par une circulation d'huile échangeant la chaleur avec un circuit d'eau.
- Un indicateur de bouchage
- Enfin, on peut signaler que tous les appareils, capacités et tuyau- teries sont réalisés en acier inoxydable austénitique Z 8 CNDT 18-12, à l ' e x - ception des tubes du réchauffeur qui sont en Z 10 CNT 18-10.
1 . 1 . 2 . - CIRCUIT EAU-VAPEUR (FIGURE 2 )
Il comprend un poste d'eau classique et un ensemble de déverseurs, - désurchauffeurs et séparateurs simulant les différents étages de la turbine que l'on trouve dans une cantraLe thermique. On peut noter :
- Un premier ensemble de décente-désurchauffe qui prend la vapeur à la sortie du surchauffeur pour la porter dans les conditions nécessaires au soutirage HP destiné au réchauffeur d'eau.
i
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- Un deuxième ensemble de détente-désurchauffe qui met la vapeur dans les conditions nécessaires au soutirage MP destiné au réchauffeur d'eau, puis dans celles du dégazeur, et enfin dans celles de l'admission au condenseur.
- Le condenseur-dégazeur par surface qui transfère la chaleur à un circuit de réfrigération à eau. Ce condenseur travaille à ui.e pression variable suivant la charge et cette pression peut atteindre 1 bar absolu à pleine charge.
Il est muni d'un extracteur d'air.
- Deux électropompes d'extraction d'un débit unitaire de 100 t/h.
- Un poste de traitement de l'eau reprenant la totalité des condensats.
- Un dégazeur avec bâche de réserve de 50 m , complétant le dégazage commencé au condenseur.
- Deux pompes alimentaires d'un débit unitaire de 105 t/h entraînées par des moteurs électriques (5,5 kV) par l'intermédiaire de coupleurs hydrau- liques qui permettent d'ajuster la vitesse à la pression de fonctionnement.
L'ensemble du circuit d'eau d'alimentation est susceptible de fonctionner à la pression de 250 bar.
1.1.3. - CIRCUITS DE REFRIGERATION
Ils évacuent à l'atmosphère, par l'intermédiaire de deux tours de réfrigération, les calories apportées au condenseur et celles dissipées par le fonctionnement des divers auxiliaires. L'eau d'appoint est traitée.
Enfin, une chaudière auxiliaire capable de fournir un débit de 7 t/h de vapeur saturée à 12 bar, un circuit de prélèvement et d'analyse de l'eau, un circuit d'azote et des circuits de purges, d'évents et de vidange complètent l'installation.
1.1.4. - CIRCUIT DE RECUPERATION DES PROOUITS DE REACTION SODIUM-EAU
L'essai des générateurs de vapeur soumis à des régimes qui peuvent être très sévères impose de prendre en considération l'éventualité d'une réaction sodium-eau. L'installation est donc munie de dispositifs capables
.../...
<
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de la protéger contre les effets d'une fuite d'eau dans le sodium.
Ce système comprend essentiellement les membranes de rupture placées au plus près du générateur de vapeur ; les collecteurs de décharge des produits de réaction vers le séparateur ; le séparateur cyclone permettant de contenir les produits solides et liquides et d'évacuer les produits gazeux ; la cheminée d'évacuation des produits gazeux,avec un clapet permettant d'éviter l'introduction d'air dans la cheminée en cours de réaction ; le dispositif de mise sous azote de tout le système de décharge, y compris la cheminée et le générateur de vapeur ; enfin, le réservoir de décompression permettant, dès la détection de rupture des membranes, d'évacuer l'eau contenue dans le générateur de vapeur.
1.2. - FONCTIONNEMENT
Le C.G.V.S. a pour objet la réalisation des différents régimes de fonctionnement auxquels sont soumis les generaceurs de vapeur d'une centrale à neutrons rapides.
Ces régimes d e fonctionnement peuvent se regrouper en quatre types fondamentaux, quelle que soit la constitution particulière de l'appareil :
- Les régimes permanents, pour lesquels les conditions de températures, de débits et de pressions sont établies et maintenues.
- Les régimes transitoi r*>s nnr-p->--v. tols %MS 1= ùïsjzrage, la prise de charge et l'arrêt.
- Les régimes transitoires exceptionnels ou "chocs" destinés à simuler les incidents prévisibles sur une centrale et à éprouver le générateur de vapeur.
- Les petites perturbations des paramètres de fonctionnement : tempé- ratures d'entrée sodium et eau, débits sodium et eau, pression sortie vapeur du générateur de vapeur-
4
La réalisation de ces nombreux régimes nécessite une grande souplesse de manoeuvre, et les régimes transitoires rapides comme les chocs et les petites perturbations imposent 1'automatisation de certaines opérations. De plus, en cas de réaction sodium-eau, l'installation doit être mise rapidement en configuration de sécurité.
Ces conditions ont conduit à centraliser les moyens de commande et de contrôle et à automatiser les opérations successives conduisant au mode de fonctionnement désiré, l'exploitant gardant simplement l'initiative de l'enchaînement des différents fonctionnements.
En définitive, l'exploitant dispose, en salle de contrôle, des commandes manuelles de séquences, des commandes pour la sélection des organes doublés, des signalisations d'état des séquences et de positions des organes, des défauts et alarmes. Il peut, pour des raisons de maintenance, commander tout actionneur directement sans passer par I'automatisme.
2 - NATURE DES ESSAIS
Un grand nombre d'essais regroupés par famille sont susceptibles d'être effectués sur les générateurs de vapeur expérimentés au C.G.V.S.
2.1. - ESSAIS DE FONCTIONNEMENT OU TRANSITOIRES NORMAUX
Ces essais ont pour objet de reproduire les conditions thermohydrau- liques envisagées durant le démarrage, les variations de puissance, les arrêts normaux et d'observer le comportement de l'appareil.
2.2. - ESSAIS THERMIQUES EN REGIME PERMANENT
Ces essais consistent à établir, pour chacun des fluides, les conditions de température, débit et pression prévues aux entrées de l'appareil et à effectuer les examens suivants :
- Vérification du bon dimensionnement de L'appareil et par conséquent de la validité des hypothèses de calcul adoptées et des formules ou corrélations utilisées pour déterminer l?s cneJficients de perte de pression et de transfert thermique.
<
- 17 -
- Vérification de l'absence d'anomalies de fonctionnement, telles que débits de contourneraent (effets de bords), hétérogénéité des températures du sodium dans une [terne section droite, déséquilibres d'alimentation en eau des • tubes du faisceau pouvant entraîner des écarts importants de température de la vapeur à la s o r t i e .
2 , 3 . - ESSAIS DE STABILITE STATTQUE
Ces essais consistent à tracer la caractéristique statique d'un élément du générateur de vapeur, c'est-â-dire la courbe de variation de la perte de pression en fonction du débit d'eau circulant dans l'élément considéré.
Cet élément peut être :
- un tube pris indépendamment, - un ensemble de tubes du faisceau, - le générateur de vapeur tout entier.
2M, - ESSAIS DE STABILITE DYNAMIQUE
Dans certaines conditions de fonctionnement, les débits d'eau circulant dans les tubes du générateur de vapeur peuvent présenter des oscillations à caractère périodique, ce qui entraîne une fatigue thermique supplémentaire de la paroi d'échange. On recherche donc, à partir d'un régime de fonction- nement stable, d'une façon systématique, le seuil d'apparitions des o s c i l l a - tions en baissant la pression de vapeur ou en augmentant le débit ou la tempé- rature d'entrée de sodium, ou en diminuant le débit d'eau. Ainsi, i l est pos- sible de définir les 2ones de fonctionnement interdites pour le générateur de vapeur commercial.
2 , 5 , - ESSAIS D'ANALYSE INDICIELLE
Ces essais ont pour but d'étudier le comportement naturel du générateur de vapeur et de déterminer sa matrice de transfert, suite à des perturbations du type en échelon et de faible amplitude, par exemple + 10 % du débit sodium.
Ils permettent d'éprouver le modèle de simulation numérique du comportement dyna- mique de l'appareil autour d'un point de fonctionnement, afin d'effectuer ensuite des calculs en tenant compte des dispositifs de régulation.
(,
2.6. - ESSAIS DE TRANSITOIRES 'DE GRANDE AMPLITUDE
Ces essais permettent de vérifier le bon comportement thermohydraulique de l'appareil dans des situations particulières, telles que :
- Arrêt de débit d'eau sans arrêt de débit sodium, - Arrêt de débit sodium sans arrêt de débit d'eau, - Réalimentation en eau,
- Déclenchement du poste d'eau HP, - Séquence de réaction sodium-eau.
Ces essais permettent également de tester le modèle de simulation numérique indiqué dans le paragraphe précédent (§ 2 . 5 . ) .
2.7. - ESSAIS DE SURETE
La surveillance de l'étanchêicé du faisceau tufculaire est assurée par deux dispositifs complémentaires : la détection d'hydrogène et la détection acoustique.
Les essais de sûreté consistent d'une part à étalonner ces dispositifs et d'autre part à vérifier leur bon comportement dans: les différentes condi- tions de fonctionnement du générateur de vapeur.
2.8. - ESSAIS D'ENDURANCE
Ces essais ont pour objet de créer une fatigue significative de l'appareil pour s'assurer de l'absence de faiblesse mécanique et/ou de défauts métallurgiques.
Ils consistent donc à solliciter l'appareil en répétant un grand nombre de fois un cycle de fonctionnement comportant par exemple à partir d'une marche à pleine charge : un arrêt de débit d'eau, un refroidissement accéléré du sodium, une réalimentation en eau, un démarrage rapide et une montée en charge rapide.
3 - ORGANISATION ET TRAITOBfT DES MESURES (FIGURE 3)
Les essais de générateur de vapeur mettent en jeu un nombre important de points de mesure qui, dans l'étude des régîmes t r a n s i t a i r e s , nécessitent
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une cadence de scrutation élevée. Ces deux impératifs de capacité et de cadence ont conduit à adopter un centralisateur a 500 voies d'entrée et pouvant scruter 50 voies par seconde ; ces voies font l'objet d'un stockage convenable permettant un traitement scientifique ultérieur.
A ce système centralisateur est associé un calculateur en temps réel qui permet l'acquisition des mesures, les diverses corrections et les mises
à l'échelle. ^
Les mesures ainsi prétraitées sont enregistrées sur bande magnétique, imprimante rapide ou écran de visualisation.
Des calculs préliminaires comme la détermination des débits, des puissances ou des bilans thermiques sont réalisés sur ce calculateur.
Les enregistrements sur bande magnétique sont ensuite traités sur un calculateur plus puissant. On effectue alors les calculs de moyennes, d'écarts types, de débits sodium et eau-vapeur, de bilans thermiques et d'in- certitudes de mesures.
Les résultats de ces calculs sont présentés sous forme d e tableaux, de courbes et peuvent également être stockés sur bande magnétique en vue de leur diffusion à l'extérieur.
4 - GENERATEURS DE VAPEUR EXPERIfOTES
4,1, - GENERATEUR DE VAPEUR PROTOTYPE DE PHENIX (FIGURE 4)
La Centrale PHENIX comporte trois circuits de sodium secondaires équipés chacun d'un générateur de vapeur constitué de douze modules . Chaque module est composé de trois appareils : un économiseur-évaporateur- présurchauffeur, un surchauffeur et un resurchauffeur. Côté sodium, les étages surchauffeur et resurchauffeur sont alimentés en parallèle, puis, après mélange, l'ensemble du débit sodium traverse 1'économiseur-évaporateur.
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- 20 -
Chaque appareil est un échangeur de chaleur méthodique à courants parallèles dont l'enveloppe contient un faisceau de sept tubes : un tube central et six tubes disposés sur une circonférence de diamètre 120 mm.
L'enveloppe a la forme d'un " S " pour te surchauffeur et le resurchauffeur et de deux " S " superposés pour 1'éconoiniseur-évaporateur. Les tubes traversent l'enveloppe aux extrémités de l'appareil et sont raccordés à deux sous-collec- teurs. Des manchons protègent les soudures de traversée contre les chocs thermiques. Les tubes d'entrée eau dans 1'économiseur-évaporateur sont munis d'un diaphragme, afin d'assurer la stabilité de fonctionnement. Les principales caractéristiques thermiques et dimensionnelles des appareils sont données dans le tableau 1.
L'appareil prototype expérimenté sur l'installation C.G.V.S, est composé de trois modules dont les caractéristiques sont identiques à celles des modules équipant la Centrale PHENIX. L'ensemble est disposé à l'intérieur d'un caisson rigide, calorifuge intérieurement, et constituant une enceinte de sécurité. Les premiers économiseurs-ëvaporateurs testés étaient réalisés en acier ferritique stabilisé au niobiun 3 HK5S. Puis, deux appareils ont été remplacés l'un par un élément en acier ferritique 7 CD 9-10, l'autre par un élément en acier KM 3 3 .
4.2. - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL 45 MW STEIN INDUSTRIE (FIGURE 5)
Le générateur de vapeur est constitué de deux modules disposés en - - (5)
serre :
. Un économiseur-évaporateur qui assuré une légère surchauffe de la vapeur, de l'ordre de 20°C,
- Un surchauffeur qui porte la température de la vapeur à la valeur désirée à l'admission de la turbine.
Les deux appareils sont du type à circulation forcée et méthodique, à une seule passe. L'eau ou la vapeur s'écoule à l'intérieur d'un faisceau de tubes droits, raccordés aux extrémités à deux plaques tubulaires fixes.
Les tubes,en acier ferritique dans 1'économiseur-évaporateur et en acier austénitique dans le surchauffeur,sont munis de lyres de dilatation à la partie supérieure.
<
Dans chaque appareil, l'entrée ou la sortie du sodium est assurée par une tubulure située au voisinage du plan médian horizontal. Une enveloppe interne, concentrique à la virole, délimite deux régions principales d'écou- lement :
. L'intérieur de l'enveloppe interne où le sodium s'écoule de haut en bas, le long des tubes du faisceau,
/
. L'espace annulaire compris entre la virole et l'enveloppe interne qui permet, d'une part, l'accès du sodium "chaud" à la partie supérieure du faisceau et, d'autre part, la sortie du sodium "froid" depuis la base du faisceau. Ces deux zones d'écoulement du sodium dans l'espace annulaire sont séparées par une paroi étanche située dans le plan médian horizontal, entre les tubulures d'entrée et de sortie.
Chaque module présente un niveau libre de sodium recouvert d'argon.
La protection des plaques tabulaires contre les chocs thermiques est assurée, à la partie supérieure par le gaz de couverture, à la partie inférieure par un écran thermique.
le' deux nodules sont géométriquement semblables, la seule différence est const-tuée par un cylindre central disposé dans 1'économiseur-évaporateur.
Les principales caractéristiques géométriques de ces appareils sont rassemblées dans le tableau 2.
4.3. - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL 4 5 M W BABCOCK-ATLANTIQUE (FIGURE 6 )
L'appareil est un générateur de vapeur à une seule passe et à circu- lation des fluides forcée et m é t h o d i q u ev . Le sodium pénètre à la partie supérieure et s'écoule entre un cylindre central et la virole externe qui cons- tituent un espace annulaire dans lequel est disposé le faisceau tubulaire.
L'eau ou la vapeur circule à contre-courant dans les tubes d'échange enroulés * en hélice suivant trois diamètres : 630, 720 et 810 mm et comportant respec- tivement 7, 8 et 9 tubes.
Les tubes sont en alliage fer-nickel-chrome (INCOLOY 800) ; ils ont un diamètre extérieur de 25 mm, une épaisseur de 2,5 mm et une longueur développée de 80 m environ. Ils sont répartis en deux demi-faisceaux et
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alimentés par deux boîtes à eau différentes. Chaque tube est muni d'un dia- phragme de stabilisation.
Le cylindre central de diamètre extérieur 587 mm est rempli ds sodium stagnant. La virole externe est protégée des chocs thermiques grâce à deux enveloppes concentriques successives, délimitant deux zones annulaires, l'une remplie de sodium stagnant, l'autre d'argon. A la partie supérieure, l'appareil présente une surface libre de sodium recouverte d'un ciel d'argon.
Les principales caractéristiques géométriques du générateur de vapeur sont portées dans le tableau 3-
4 A - GENERATEUR DE VAPEUR EXPERIMENTAL NIRA (FIGURE 7)
Le générateur de vapeur oéveloppë par la Société italienne MIRA est constitué de deux modules : un économiseur-évaporateur et un sur^.hauff eur disposés en série . Les deux appareils sont semblables, ils ne diffèrent que par la nature du matériau et la longueur du tube d'échange. L'évaporateur est en acier ferritique 2,25 % Cr - 1 7, Mo stabilisé au niobium et le TJ rehaut- feur est en acier inoxydable austénitique.
Chaque appareil est constitué de tubes droits, verticaux, soudés aux extrémités à deux plaques tubulaires. La particularité de ces échangeurs est l'absence de dispositif pour compenser les dilatations différentielles entre les tubes ou entre les tubes et la virole. En outre, chaque plaque tubulaire est protégée des variations brutales de température du sodium par un écran thermique qui maintient un volume de sodium statique contre la paroi.
Les conditions thermohydrauliques de dimensionnement des appareils, ainsi que les principales caractéristiques géométriques sont indiquées dans le tableau 4.
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- :3 -
5 - DISPOSITIFS DE SURVEILLANCE DES GENERATEURS DE VAPBJR
La s u r v e i l l a n c e de L ' é t a n c h e i t é de la p a r o i d'échange thermique des géné- r a t e u r s de vapeur e s t a s s u r é e par deux d i s p o s i t i f s complémentaires :
. l a d é t e c t i o n d'hydrogène dans le sodium e t dans l ' a r g o n , . l a d é t e c t i o n a c o u s t i q u e .
5 , 1 . - DETECTION D'HYDROGENE
C e t t e méthode c o n s i s t e Ô mesurer à l ' a i d e d'un s p e c t r o m è t r e de masse l ' h y d r o g è n e d i f f u s é à t r a v e r s une membrane de n i c k e l p l a c é e dans le f l u i d e : sodium ou argon, q u i baigne le f a i s c e a u t u b u l a i r e ^ ) .
5 . 1 . 1 . - DETECTION DANS LE SÛDIUMt 9 )
Chaque c i r c u i t a s s o c i é à un g é n é r a t e u r de vapeur ( f i g u r e s 8, 9, 10 e t 11) comporte :
. d i f f é r e n t s prélèvements de sodium, à l ' e n t r é e , a la s o r t i e e t en c e r t a i n e s zones de chaque module,
. un échangeur de c h a l e u r à c i r c u l a t i o n des f l u i d e s anciméthodique, . un système de d i s t r i b u t i o n des é c h a n t i l l o n s de sodium,
. un r é c h a u f f e u r à f a i b l e temps de r é p o n s e , . deux d é t e c t e u r s d'hydrogène d i s p o s é s en p a r a l l è l e .
Chaque d é t e c t e u r comporte q u a t r e tubes de n i c k e l (de diamètre e x t é r i e u r 7,2 cm, d ' é p a i s s e u r 0 , 3 mm, ce qui c o n s t i t u e une surface de ? , 3 dm2) d i s p o s é s dans une enveloppe. Les tubes sont p a r c o u r u s par le sodium à a n a l y s e r qui e s t maintenu à 450°C t 1°C à l ' a i d e du r é c h a u f f e u r . Leurs faces e x t e r n e s s o n t sou- mises au vide (10 à 10 P a s c a l ) par l ' i n t e r m é d i a i r e d'une pompe ionique équipée d1u n e t ê t e d ' a n a l y s e q u a d r i p o l e c a l é e sur 1'hydrogène.
5 . 1 . 2 . - DETECTION DANS L'ARGûV1 0 5
La d é t e c t i o n de l'hydrogène dans l ' a r g o n de c o u v e r t u r e des a p p a r e i l s à s u r f a c e l i b r e de sodium e s t a s s u r é e par un d é t e c t e u r c o n s t i t u é de deux tubes de n i c k e l îde diamètre e x t é r i e u r 7,2 mm, d ' é p a i s s e u r 0 , 3 mm, ce qui donne une surface de 2 dm1) maintenus sous vide e t dont la température e s t r é g u l é e à 5003C t 1"C à l ' a i d e de r é s i s t a n c e s c h a u f f a n t e s é l e c t r i q u e s .
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La concentration en hydrogène est déterminée à partir des deux signaux : pression totale et pression p a r t i e l l e , délivrés respectivement par la pompe ionique et la tête d'analyse quadripole.
5.1.3. - CIRCUIT D'ETALONNAGE
Ce dispositif permet d'introduire un débit constant et connu d'hydro- gène ou de vapeur d'eau dans le sodium ou dans l'argon de couverture. On simule ainsi des fuites d'eau de débit inférieur ou égal à 50 mg/s et à partir de l'évolution des signaux : pression p a r t i e l l e et pression totale observées au cours des injections, i l est possible de définir les performances : sensibilité, temps de réponse des détecteurs et d'établir les consignes d'exploitation
• • • t ( 9 )
en cas d apparition d'une fuite d eau dans un générateur de vapeur 5 . 2 . - DETECTION ACOUSTIQUE^
La détection de fuites par méthode acoustique consiste à capter et à t r a i t e r les signaux électriques délivrés par des acceléromêtres fixés sur des antennes solidaires de la virole du générateur de vapeur.
Une chaîne d'enregistrements comporte notamment :
- Un convertisseur de charge couplé à un amplificateur qui délivre un signal proportionnel à la charge apparaissant aux bornes du c r i s t a l de l'accé- léromètre.
- Un accéléromètre piézoélectrique, fabriqué par la Société EMDEVCO, donc les caractéristiques principales sont les suivantes :
. Sensibilité . Gamme de température
. Température maximale d'ucllisation
10 pC/g 0 - 500 g 750°C.
- Un f i l t r e passe-haut pour éliminer les bruits parasites.
- Un enregistreur magnétique qui enregistre les signaux en modulation de fréquence avec une bande passante de 20 kHz.
- Enfin, comme le spectre des signaux captés se trouve dans Le domaine audible, une chaîne d'écoute est disposée parallèlement à la chaîne d'enregis- trement .
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2 È T € PARTIE - RESULTATS OBTENUS
1 - EXPERIENCE D'EXPLOITATION H D'ENTRETIEN DU f'DYEN D'ESSAIS
1,1. - MISE EN SERVICELe démarrage de l'installation qui constituait une opération délicate a justifié la création d'un organisme mixte comprenant les représentants d'EDF et des Sociétés du Groupement des Constructeurs : CAAA, ALCATEL, BABCOCK ATLANTIQUE, STEIN INDUSTRIE.
La mise en service industriel des circuits s'est faite sensiblement selon le planning prévu. Elle a consisté à faire fonctionner séparément chaque circuit, le générateur de vapeur étant isolé : fonctionnement en régime iso- therme à 600°C du circuit sodium et fonctionnement avec la chaudière auxiliaire des circuits eau-vapeur (185°C).
Ces opérations se sont déroulées sans problèmes importants. Le grippage d'une pompe mécanique sodium à la fin des essais isothermes à 60O°C, et le blocage de vannes sodium à joint solidifié ont été les principales difficultés rencontrées, mais elles ont été facilement surmontées.
Pour assurer la mise en service de l'ensemble constitué par le C.G.V.S.
et le générateur de vapeur prototype de PHENIX, on a cherché à atteindre au plus vie- la puissance nominale, afin de mettre à jour rapidement les problèmes qui risquaient de se poser sur l'ensemble de l'installation-
Le premier objectif a été de ne mettre en service que les appareillages d'automatisme et de régulation strictement nécessaires pour faire les essais préliminaires du réchauffage et de remplissage du générateur de vapeur, puis pour assurer sa montée en puissance en toute sécurité.
Le 27 Juin 1970, le générateur de vapeur fournissait sa première vapeur et la puissance nominale était atteinte le 31 Juillet 1970. Au cours de cette période, on n'a rencontré que des problèrnss mineurs facilement résolus et la vérification a été faite que l'installation pouvait fonctionner aux conditions nominales.
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Après cette montée en puissance, les raises en service et les réglages d'appareils, automatismes et régulations, ainsi que le raccordement des capteurs à la centrale de mesures et au calculateur ont été achevés.
1.2. - FONCTIONNEMENT DU C.G.V.S.
L'analyse du fonctionnement présentée est établie sur la période qui commence le 27 Juin 1970, date de fourniture de la prsmière vapeur par l'ensemble C.C.V.S. - GV et qui s'étend jusqu'au 27 Août I9d0, date de la fin des essais du générateur de vapeur PGV 1 de la Société NIRA,
1.2.1. - ETUDE STATISTIQUE DU FONCTIONNEMENT
Une campagne d'essai de générateur de vapeur comporte trois phases principales :
- le montage de l'appareil sur l'installation
- la campagne d'essai proprement dite comprenant : . les fonctionnements en sodium isotherme
. les fonctionnements en puissance 4 -
. les indisponibilités -*-'.~
- la impose de l'appareil.
Dès que l'ensemble C.G.V.S.-GV fournit de la vapeur, il est considéré comme fonctionnant en puissance.
L'analyse de l'activité globale de l'installation conduit aux résultats suivants :
- Fonctionnement en puissance : 15 611 h, soit 17,8 % - Fonctionnement en sodium : 40 315 h , soit 46 7..
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Si on affine l'analyse en définissant la disponibilité de 1'installatio au cours de chaque campagne d'essai, on obtient :
GENERATEUR DE VAPEUR EN SERVICE
STEIN INDUSTRIE PHENIX
CREUS0T-L0IRE SUPER-PHENIX
STEIN INDUSTRIE SUPER PHENIX
N1RA PGV I
Fonctionnement en sodium
13 000 h 70,3 %
18 460 h 61,4 S
4 088 h 71,6 S
4 767 h 64,5 S
Dont fonction- nement en puissance
6 800 h 36,8 %
5 614 h 18,7 %
1 507 h 26,4 %
1 690 h 22,9 ï
Si on comptabilise les temps d'arrêts et les temps durant lesquels l'installation n'est pas en puissance (donc hors production de v a p e u r ) , le temps global ainsi défini est de 73 753 heures.
Les différentes causes d'arrêts en pourcentage de ce tenps global sont les suivantes :
- Arrêts programmés pour travaux d'entretien, congés - Arrêts pour contraintes d'exploitation ou dus
aux problèmes rencontrés lors de la réalisation des essais (capteurs...)
- Arrêts dus au matériel se décomposant comme suit :
. Matériels du circuit sodium : 10 £ . Matériels du circuit eau-vapeur : 15 % . Matériels de contrôle-commande : i %.
21 % 26 %
Il y a eu au total "82 démarrages et arrêts ; pour ces derniers, 182 résultent de déclencher -tnts de l'installation.
Le circuit sodium a été l'objet de 23 vidanges normales et 107 vidanges
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La figure 12 permet d'analyser la disponibilité de l'installation quel que soit le niveau de puissance.
1.2.2. - COMPORTEMENT DES MATERIELS
Les statistiques précédentes font apparaître un nombre d'arrêts ayant pour origine les composante de la boucle eau-vapeur plus important que pour les autres composants. Ce paradoxe apparent s'explique ainsi : la boucle eau- vapeur que l'on pourrait croire très classique, d'une part, met en oeuvre des appareils prototypes et, d'autre part, présente un schéma très complexe. Il faut souligner également qu'il s'agit avant touc d'une installation d'essais, avec pour conséquence le passage fréquent d'un point de fonctionnement à un autre, ce qui accélère la fatigue des matériels.
La boucle sodium, bien qu'ayant posé des problèmes nouveaux de par sa taille, est constituée d'un nombre réduit de matériels, pour la plupart extrapolés de matériels bien connus et de plus, son schéma est assez simple.
Pompes principales sodium
Ces pompes totalisent respectivement 19 141 et 20 072 heures de fonc- tionnement, avec 329 et 349 démarrages arrêts chacune. Le défaut de fonction- nement le plus important a été le grippage du palier hydrostatique d'une des pompes après 285 heures de fonctionnement et 40 démarrages (fin de l'essai isotherme à 600°C lors de la mise en service du C . G . V . S . ) .
Les paramètres de fiabilité de ces matériels sont donnes en annexe I
Pompes électromagnétiques sodium Elles sont de deux types :
- à induction : elles servent au remplissage du circuit sodium. Globa- lement, Leur fonctionnement a été satisfaisant.
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- à conduction : elles servent à La circulation du sodium dans le circuit de purification. On a noté deux incidents identiques sur deux pompes identiques, vraisemblablement dus à la technologie de construction de ces matériels,
(35) Les paramètres de fiabilité sont donnés en annexe'1•
Réchauffeur de sodium
Un certain nombre d'interventions ont eu lieu sur cet appareil : nettoyage du faisceau, remise en place de tôles, réfection de matériaux réfractaires, etc.
Deux interventions majeures ont eu l:eu :
- l'une en Août 1972 pour réparer des désordres apparus dans les tubes écrans (déformations importantes) et leur supportage,
- l'autre en 1979 concernant la réfection complète des automatismes gérant cet appareil. On est passé d'un relayage de type statique à un relayage électromagnétique.
Enfin, on peut noter qu'aucune fuite de sodium n'est apparue sur cet appareil.
Mélangeurs de sodium
Ces matériels ont provoqué les incidents les plus importants de la boucle sodium. Des fuites de sodium sont apparues en cours de fonctionnement en Juillet 1972 et Août 1973, après 7 000 heures de marche en puissance, respectivement sur le corps du mélangeur ME1 et sur la tuyauterie d'arrivée du sodium froid du mélangeur ME2 (figure 1 ) .
Les examens effectués sur ces appareils ont permis de conclure à une rupture par fatigue plastique initiée par des cyclages thermiques importants dans le cas du mélangeur MEI et des cyclages plus faibles, mais inities dans des zones singulières (angles vifs, zones délardées ou meulëes, empreintes d'un repère de contrôle) pour le mélangeur M E 2 .
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Après r é p a r a t i o n e t m o d i f i c a t i o n s (pose d ' é c r a n s thermiques p a r e x e m p l e ) , ces a p p a r e i l s o n t donné t o u t e s a t i s f a c t i o n j u s q u ' à l ' a r r ê t de l ' i n s t a l l a t i o n .
Robinetterie de sodium et argon
Le matériel installé sur le C.G.V.S. comporte trois types d'appareils :
- vannes à joint solidifié de type "BOUVIER" de diamètres 150, 200 et 250 m:
- vannes à joint solidifié en rotation de type "DUCROUX" (papillon) de diamètres 7 0 , 115, 150 et 2 0 0 m m ,
- vannes à soufflets du type "GACHOT" de diamètres 200 et 340 m m .
L'annexe 2 indique le nombre de sollicitations en ouverture et ferme- ture auxquelles ont été soumis ces appareils.
Les principaux incidents relevés sont les suivants ;
- Vannes à joint solidifié de type BOUVIER
Ce sont des vannes à opercules avec tige en translation. L'étanchéité /ers l'extérieur au droit de la tige est assurée par un joint de sodium soli- difié qui est créé lors du premier remplissage du circuit.
Ces appareils ont posé peu de problèmes, excepté lors des premières utilisations (revêtement en chrome dur de la tige de mauvaise qualité, m o t o r i - sation trop faible, jeu insuffisant entre la tige et le fourreau).
- Vannes "GACHOT" à soufflet
Ce sont des vannes d'équerre à clapet. L'étanchéité vers l'extérieur est assurée par deux soufflets métalliques en série, solidaires à la fois de la tige et du corps de vanne. L'étanchéité entre le corps et le chapeau est assurée par un joint soudé à lèvres du type SARLUN.
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Les difficultés rencontrées ont été les suivantes : . fuite consécutive à la fissuration du joint SARLUN,
. détérioration mécanique des internes : traces de grippage, défaut d'alignement entre clapet et corps, soufflets de longueurs différentes au repos.
- Vannes OUCROUX à joint solidifié en rotation
Ces vannes papillon possèdent une tige tournante dont 1'écanchéité est réalisée par un joint d e sodium solidifié.
De nombreux incidents ont émaillé le fonctionnement de ces appareils dont le mode de défaillance préférentiel semble être le blocage en position intermédiaire.
Le remède apporté à ces défaillances, après vidange du sodium et injection d'argon dans la tuyauterie sur laquelle ces vannes sont montées, est le chauffage vers 550 - 600°C à l'aide de chalumeaux, de la zone du joint solidifié jusqu'à ce que la vanne retrouve sa liberté de manoeuvre. Dans quelques cas, cette méthcîe n'a pas été efficace et on a dû procéder au remplacement de l'appareil.
(35) Les paramètres de fiabilité de ces matériels figurent dans l'annexe I.
Echangeur sodium-air
Cet appareil, mis en place sur un by-pass chaud, permet de maintenir constante la température à l'entrée des pompes principales, quels que soient les types de fonctionnement rencontrés, y compris les régimes transitoires les plus violents.
On a constaté un bon fonctionnement du dispositif de contrôle-commande ; par contre, un nombre important de défaillances mécaniques est apparu sur le ventilateur (blocage de la commande mécanique d'ouverture des pales du venti- lateur, usure prématurée des roulements, paliers, butées, problèmes d'étan- chéité sur les paliers...).
(35) Les paramètrps de fiabilité sont donnés en annexe 1.
