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L'invention concerne un ganérateur de vapeur à f~lscPau de tubes
en U et à surchauffe et un p- w ede d'utilisation dudit genérateur.
De tels ~énéra~eurs de vapeur sont par exemple utilisés dans le
cas des réacteurs nucléaires a eau sous pression et servent à la production
de vapeur en utilisant pour 1Q ~hauffage e~ la vaporisation de l'eau alimen-
taire, l'eau sous pression d~ réacteur co~me fluide primaire.
Ces g~nérateurs de vapeur comportent une boite à eau an deux par-
ties séparées par une clois~n~ pour l~alimentation des tubes du faisceau en
fluide primaire chaud et pour l'évacuation du fluide primaire refroidi après
passage dans le faisceau et mise en contact thermique avec l'eau alimentai-
re à vaporiser. Les tubes en U du faisceau sont fixes 5Ur une plaque ~ubulai-
re dont une face ou face d'entrée est si~uée du c8té de la boite a eau. Les
extrémités des tubes affleurent sur cette face d'entrée et sont ainsi en
cc ;cation, pour chacun des tubes, d'une part avec la partie d'alimenta-
tion et d'autre part avec la partie dlévacuation de la boite à eau.
L'autre face de la plaque tubulaire ou face de sortie est traver-
sée par le faisceau de tubes disposés verticalement à llintérieur de la par~
tie supérieure du générateur de vapeur dont llenveloppe externe est appelée
"enveloppe secondaire".
La boite à eau et l'enveloppe secondaire son~ soudées sur la pla-
que tubulaire, de part et dtautre de celle-ci, c'est~à-dire au niveau de sa
face d'entrée et au niveau de sa face de sortie respective~ent.
Le faisceau de tubes en U est lui-m~me disposé à l'intérieur d'une
enveloppe coaxlale à l'enveloppe secondaire ee disposée à l'intérieur de
celle-ci, de fa~on qu'un espace annulaire subsiste entre la paroi externe de
l'enveloppe du faisceau et la paroi interne de l'enveloppe seco~d~re.
Dan~ les générateurs de vapeur à surchauffe~ l'eau ali~entaire
est amenée par une tubulure à la base du ~aisceau du c8té de la branche froi-
de de celui-ci, c'est-à-dire du c~té par où sort le fluide primaire. Par
exemple, cet~e eau alimentaire peut être amenée par la tubulure dans l'es-
pace ~nnulaire entre enveloppe secondaire et enveloppe de faisceau puis in-
troduite à l'intérieur de l'enveloppe du faisceau, du coté de la branche
roide, par une ouveLLUre prévue dans l'enveloppe du faisceau au-dessus
de la plaque tubulaire.
Dans de tels génerateurs de ~apeur à surchauffe, la branche froi-
~`' `~`
~L2~4
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de et la branche chaude du faisceau sont separees par une cloi-
son liee à la plaque tubulaire qui permet de canaliser la cir-
culation de l'eau alimentaire puis de la vapeur le long du
faisceau.
L'eau alimentaire venant en contact avec la branche
froide du faisceau commence à s'echauffer et a s'elever le
long de cette branche froide jus~u'au moment ou la vaporisation
commence, la circulation du melange diphasique eau-vapeur puis
la circulation de la vapeur se poursuivant en descendant le
long de la branche chaude du faisceau apres contournement de
la partie superieure de la cloison. La circulation de la va-
peur le long de la branche chaude permet d'obtenir une vapeur
sèche, puis une vapeur surchauf ee qu~ est recuperee a la par-
tie inferieure de la branche chaude du faisceau par un recupe-
~ateur de vapeur debouchant dans une tubulure traversant l'en-
veloppe secondaire.
Le principal avantage de ces generateurs à surchauffe
est q~'il n'est pas necessaire de disposer sur le trajet de la
vapeur, avant sa sortie du generateur, de separateur eau-vapeur
pour l'assèchement de celle~ci.
Cependant, dans les generateurs de vapeur de type
classique utilises dans les centrales nucleaires à eau sous
pression où l'on n'effectue pas une surchauffe de la vapeur,
la partie supérieure de l'enveloppe secondaire renfermant les
2~ separateurs vapeur-eau permet de recupérer une partie de l'eau
alimentaire entrainee avec la vapeur qui constitue une réserve
d'eau de recirculation au-dessus de l'enveloppe de faisceau.
Cette reser~e d'eau pèrmet d'alimenter le generateur de vapeur
pendant un temps suffisant pour permettre aux opérateurs de
la centrale nucleaire d'intervenir dans le cas d'une interrup-
tion totale accidentelle de l'arrivee d'eau alimentaire au
generateur de vapeur.
Une telle reserve de securite n'existe pas dans le
cas des generateurs de vapeur à surchauffe.
Dans certains de ces genérateurs de vapeur ~
surchauffe, l'eau alimentaire de secours, en cas de mauvais
fonctionnement du circuit normal d'alimentation, est amenee
au genérateur de vapeur au voisinage de la plaque tubulaire,
ce qui cree un choc thermique en cas d'utilisation de ce
circuit de secours dont l'eau est a une temperature beaucoup
plus basse que la temperature du fluide primaire.
Un generateur de vapeur doit continuer a fonction-
ner pendant un temps suffisant après une interruption de
l'alimentation en eau ~our assurer l'extraction de chaleur
et pour permettre d'eviter une deterioration du coeur du
reacteur avant que n'intervienne une alimenta~ion de secours
tout en evitant un choc thermi~ue au niveau de la plaque
tubulaire.
lS Selon la presente invention, il est prevu un
génerateur de vapeur ~ faisceau de tubes en U et à sur-
. chauffe, comprenant une bo-Ite a eau et une enveloppe secon-
daire, soudees de part et d'autre d'une plaque tubulaire et
un faisceau de tubes fixe sur la plaque tubulaire et contenu
dans une enveloppe disposee a l'interieur de l'enveloppe
secondaire et menageant un espace annulaire compris entre
llenveloppe secondaire et l'enveloppe du faisceau. Un
espace libre est menage au dessus de l'enveloppe du faisceau
à l'interieur de l'enveloppe secondaire. Cet espace libre
con5titue une reserve d'eau alimentaire en communication
avec l'espace annulaire. La capacité d'eau ainsi constituée
peut etre alimentee par au moins un moyen d'alimentation.
Selon un aspect preférentiel de l'invention, il
est prevu un générateur de vapeur à faisceau de tubes en U
et ~ surchauffe comprenant une boîte à eau en deux parties
pour l'alimentation des tubes en fluide primaire chaud et
pour l'évacuation du flui~e primaire refroidi apres passage
dans le faisceau et mise en contact thermique avec l'eau
alimentaire ~ vaporiser, une enveloppe secondaire renfermant
~` `
; ~
9~
- 3a -
de l'eau alimentaire, une plaque tubulaire dans laquelle
sont ~ixés les tubes du faisceau, solidaire de la boite à
eau au niveau de sa face d'entrée sur laquelle les extremi-
tés des tubes affleurent et de llenveloppe secondaire, au
niveau de sa face de sortie tra~ersée par le faisceau et
une enveloppe renfermant le faisceau de tubes, disposée ~
l'intérieur de l'enveloppe secondaire de façon à menager un
espace annulaire avec l'enveloppe secondaire,espace dans
lequel debouche une tubulure d'arrivée d'eau alimentaire,
du coté de la branche de sortie du faisceau ou branche
froide, l'enveloppe du faisceau comportant au moins une ou-
verture au-dessus de la plaque tubulaire pour le passage de
l'eau alimentaire ~ l'interieur de l'enveloppe du faisceau
pour sa mise en contact avec la branche froide, une cloison
de separation liée a la plaque tubulaire et disposee entre la
branche froide et la branche chaude du faisceau par laquelle
arrive le fluide primaire permettant la canalisation de
l'eau alimentaire puis de la vapeur le long du faisceau et
un recupérateur de vapeur surchauffée etant dispose au voi-
~0 sina~e de l'extrémite de la branche chaude traversant laplaque tubulaire, pour l'evacuation de la vapeur surchauffee
par une tubulure debouchant dans l'espace annulaire, caracte-
rise par le fait qu'au-dessus de l'enveloppe du faisceau
est menage un espace libre a l'interieur de l'enveloppe se-
condaire, pour constituer une reserve d'eau alimentaire encommunication avec l'espace annula.ire et avec au moins un
moyen d'alimentation en eau a une temperature inferieure a
la temperature du fluide primaire.
Selon la presente invention, il est egalement
prevu un procede d'utilisation d'un genérateur de ~apeur
tel que decrit plus haut, permettat une modulation de l'ef-
fet de surchauffe du generateur, caracterise par le fait
qu'on fait varier au moins l'un des parametres, temperature,
pression et debit de l'eau alimentaire introduite dans le
- 3b -
generateur de vapeur pour modifier la longueur de la zone
de la branche chaude du faisceau le long de laquelle est
effectuee la surchauffe de la vapeur.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va
maintenant decrire, à titre d'exemple non limitatif, en se
referant aux figures jointes en annexe, un mode de reali-
sation d'un génerateur de vapeur a faisceau de tubes en U
et a surchauffe suivant l'invention.
La figure 1 represente dans une vue en coupe par
un plan vertical de symetrie un generateur de vapeur suivant
l'invention utilisable dans une centrale nucleaire a eau
sous pression,
La figure 2 represente une vue en coupe suivant
A de la figure 1,
La figure 3 représente une vue en coupe suivant
B de la figure 1,
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La figure 4 représQnte9 dans une w e en perspective, un premier
de de réalisation d'un récuperateur de vapeur équipant un générateur de
vapeur suivant l'inven~ion.
La figure 5 représente~ dans une w e en perspective, un second
mode de réalisa~ion d'un récupérateur de vapeur associé à un générateur
à surchauffe suivant l'invention.
Sur la figure 1, on voit un générateur de vapeur comportant ~ne
boite à eau 1 alimentée en eau sous pression, d'un cô~é ds la cloison 2
par une tubulure 3, lleau sous pression etant évacuée par une tubulure 4 de
la seconde partie de la boite à eau se trouvant de l'autre côté de la cloi-
son 2.
La boite à eau 1 est fixée sur une plaque tubulaire 5 traversée
par les 2xtrémités des tubes 6 du faisceau qui sont fixés à l'intérieur des
trous de cette plaque tubulaire.
Les ~xtrémltPs des tubes affleurent sur la face inérieure ou
face d'en~rée de la plaque 5 de fa~on qu'une extrémité de chaque tube commu-
nique avec une des parties de la boite à eau et l'autre extrémité avec l'au-
tre partie de cette boite à eau. De cette fa~on la circula~ion de l'eau
dans le faisceau est assurée dans le sens de la flèche 8, c'est-à-dire d'a-
bord par passage de bas en haut de l'eau à l'intérieur de la branche chaude
9 puis par passage de cette eau primaire de haut en bas à l'intérieur de la
branche froide 10.
Autour du ~aisceau de tubes 6 est disposée une enveloppe de fais-
ceau 12 cylindrique et fermée par un fond sphérique à sa partie supérieure.
L'enveloppe de faisceau 12 est elle-m~me disposée à l'interieur de l'enve-
loppe secondaire 14 fixée sur la plaque tubulaire et mënageant un espace
annulaire 15 autour de l'enveloppe de faisceau 12.
Alns~ qu'il est visible sur les figures 1 et 2, des entretoises
horizontales et verticales 17 permettent de centrer et de maintenir l'en-
ve~oppe de faisceau à l'intérieur de l'enveloppe second~lre.
A sa partie infériaure, L'enveloppe de faisceau ne repose pas di-
rectement sur la plaque tubulair~, si bien que du c~té de la branche froide 10 il
subsiste un passage 19 entre la partie inférieure de l'enveloppe de faisceau et la
plaque ~ubulaire.
Du c~té de la branche chaude 9, l'enveloppe du faisceau 12 est re-
liée au récupérateur de vapeur 20 qui sera decrit plus en détail en se réfé-
rant à la figure 4 ou à la figure 5.
L~enveloppe secondaire comporte une tubulure 21 pour l'amenee
d'eau alimentaire dans llespace annulaire 15, cette eau alimentaire descen-
dant ensuite jusqu'à la base de llespace annulaire pour s'introduire à l'in-
térieur de ltenveloppe de faisceau par le passage 19. L'enveloppe secondai-
re comporte également une tubulure 22 pour la sortie de la vapeur, cette
tubulure 22 étant en c~ ica~ion avec la sortie du récupérateur de vapeur
20.
Le volume intérieur de l'enveloppe de ~aisceau est séparé en
deux parties jusqu'à llextrémité supérieure de la partie droite des ~ubes
par une cloison médiane 24 perme~tant de canaliser la circulation de l'eau
alimentaire et de la vapeur à l'intérieur de l'enveloppe 12.
L'eau alimentaire, ainsi qu~il est visible aux figures 1 et 3,
introduite dans l'espace ~nn1~laire 15 par la tubulure 21, ~e sépare en deux
courants descendants dans cet espace annulaire et pénètre dans l'enveloppe
de faisceau par le passage inférieu~ 19 au-dessus de la plaque tubulaire.
L'eau alimentaire est ainsi parfaitement distribuee à la partie inférieure
de la branche froide du faisceau tubulaire au contact duquel cette eau ali-
mentaire s'échauffe.
L'eau alimentaire échauffée à l'intérieur de la partie branche
froide du faisceau tubulaire e~t canalisée par l'enveloppe de faisceau et
la cloison mediane 24~
Lors de sa circulation au contact de la branche 10 du faisceau,
l'eau alimentaire s'échauffe puis c~ ~ ce à se vaporiser et le ~élange di-
phasique eau-vapeur continue sa circulation le long du faiscP~u.
La vaporisation es~ totale après un certain parcours du mélange
diphasique le long de la partie supérieure de la branche chaude, de haut
en bas, si bien que la surchauffe de la vapeur a lieu pendant la dernière
partie du parcours de celle-ci le long de la branche chaude du faisceau,
avant le récuperateur de vapeur 20.
Ai~si qu'il est visible à la figure 3, la récupération de vapeur
se ait à la partie in~érieure de l'enveloppe de faisceau 12 par passage de
la vapeur à l'intérieur de l'enveloppe du réeupérateur~
L'enveloppe 14 a été prolongée sur une hauteur relativ0ment im~or-
tante au-dessus de ltenvelo~e de faisceau 12, de facaon à ménager un espace
libre 25 en c~ icPtion avec l'espace ~nul~ir2 15 et avec une tubulure
26 reliée à une canalisation 27 en dérivation sur la conduite dleau alimen_
taire principale et une canalisation 28 recevant lleau alimentaire de se-
cours du systè~e de sécurité du générateur de vapeur.
Dans le cas d'un générateur de vapeur d'un reacteur nucléaire à
~zo~9~ /
eau sous pression tel que construit actuellement d'une puissance thermi-
que ds l'ordre de 1000 MM, il est souhaitable d'avoir une réserve d'eau
alimentaire dans leespace 25 de l'ordre de 50 t pour perme~tre une alimenta-
tion temporaire de secours automa~ique du générateur de vapeur en cas de
manque d'eau alimentaire, pendant un temps suffisant pour permettre ltin-
tervention des opérateurs.
La section de ces générateurs de vapeur est telle qu'il est pos-
sible de stocker lOt d'eau par mètre linéaire de l'enveloppe secondaire,
au-dessus de l'enveloppé de faisceau.
- Il est donc nécessaire, pour disposer d'une réserve d'eau per-
mettant une interven~ion après accid~nt sur le réseau d'eau alimentaire
dans de très bonnes conditiong, de surélever l'eneloppe secondaire au-dessus
de l'enveloppe de faisceau, d'une hauteur de l'ordre de 5 mètres.
Cependant, on a également déterminé que pour un générateur de va-
peur d'une p~ssance de 1000 NW, il est possible, sans diminuer de fa~on
inacceptable la sécurité de fonctionn~ ~ du générateur de vapeur, de di-
minuer la ré~rve d'eau jusqulà 20 t~ Dans ce cas, et toujours pour le même
type de générateur de ~apeur, il est possible de ne surélever l'enveloppe
se&ondaire que dlune hauteur de deux mètres.
La puissance thermique du générateur de vapeur est dé~erminée à
partir du débit de fluide primsire et te la température d'entrée et de sor-
tie de ce fluide. Dans le cas des réacteurs nucléaires, ces paramètres sont
paraitsment définisJ si bie~ qu'il est possible de déterminer la capacité
dleau de secours nécessaire pour pouvoir intervenir en cas d'une interruption
d'alimen~ation en eau du générateur de vapeur et donc de déterminer la dimen-
sion nécessaire de la capacité 25 comprise à llintérieur de l'enveloppe se-
condaire et située au_dessus de l'enveloppe de faisceau.
Pendant la marche normale du générateur de vapeur, une partie de
l'eau alimentaire remplissant l'enveloppe secondaire 14 vien~ en contact
avec l'enveloppe de faisceau 12, dans l'espace annulaire 15, au voisinage d~
la branche chaude 9. Il se produit donc une vaporisation dlune partie de
cette eau alt t~ire et la vapeur vient s'ac~ ler à la partie la plus
haute de l'enveloppe 14~ Une introduction d'eau à la température d'entrée
par la tubulure 26 per~Let de condenser cette vapeur et de m~intenir un rem-
3S pli~sage complet en eau de la capacité de secours 25~ pendant le fonction -
nement normal du gfnérateur de vapeur.
D'autre part, en cas d'utilisation de l'alimentation de secours,
lleau ali~entaire de la conduite 28 pénètre dans l~e-Lveloppe 14 à sa partie
superieure par la tubulure 26, se mélange à lleau de la capacité 25 et se
~ J
.
réchauffe avan~ de descendre dans llespace annulaire 15.
On évi~e ainsi l~iinc~v~ient dlavoir un choc froid au niveau
de la plaque tubulaire ce qui était Ië cas lorsqu'on utilisait une ali-
mentation de secours au voisinage de cette-plaque tubulaire~
S Le de de réalisation représenté aux figures 1, 2 et 3 montre
l'utilisation diune cloison médiane 24 séparant le faisceau en deux par-
ties parfaitement symétriques ce qui n/était pas ie cas de~ générateurs à
surchauffe de l'art antérieur.
En effet, dans ces générateurs de vapeur de l'art antérieur, on
effectuait la vaporisation dans la par~ie montante de la eirculation de
l'eau alimentaire le long du faisceau et la surchauffe de la vapeur dans
la partie descendante.
Ceci nécessitait de diminuer l'importance de l'apport thermique
e~ donc le volume du faisceau utillsé pour la surchauffe, par rapport à
ceux utilisés pour la vaporisa~ion.
On slest aperçu qu'il était possible, en faisant varier la pres-
sion, la température et le debit de l~eau alimen~aire introduite dans l'en-
veloppe secondaire d'auv ~er ou de diminu~r la surchauffe tout e~ utili-
sant un faisceau parfaitement symétrique de construction beaucoup plus sim-
ple qu'un faisceau partagé; par une cloison de fac,on non symétrique.
Par e~emple, si llon atl~e~te la pression et le débit de lleau
allmentaire, on dlminue la surchauffe, en retardant le début de L;a vaporisa-
tion et en prolongeant la présence d'un état diphasique du fluide en circu-
lation le long de la branche chaude du faisceau.
On peut donc en faisant varier ces paramètres utiliser urle lon-
gueur plus ou moins importante de la branche chaude 9 du faisceau pour opé_
rer la aurchauffe.
On est ainsi amené à poursuivre la vaporisation sur une partie
deseendante de la circulation du fluide dans le faisceau, contrairement à
la technique d~ 1 t art antéricur~
Sur la figure 4, on voit un mode de réaLisation du récupérateur
de vapeur 20 où celui-ci constitue la partie inférieure de l'enveloppe de
faisceau 12.
La partie inférieure de la virole 12 de ltenveloppe de faisceau
est limitée de facon à ménager un espace 30 au-dessus de la plaque tubulai-
re 5. Le récupérateur de vapeur 20 comporte une virole externe 31 fermée à
sa partie supérieure et soudée sur la virole 12 par 19intermédiaire d'une
coulol~e 32. A sa partie inférieure, la virole 31 est soudée de fac,on conti-
~;
8nue sur toute sa périphérie sur la plaque tubùlaire 5. La cloison de sé-
paration 24 ferme ia boite de vapeur du récupérateur dans le plan diamé-
tral du générateur de vapeur.
Cette boite de vapeur est donc totalement atanche et constitue
la partie inférieure de ltenveloppe de faisceau 12. Lorsque la vapeur sur-
chauffée parvient à la base de la branche chaude du faisceau, cette vapeur
peut passer par l'ouverture 30 à l'intérieur de la boite de vapeur d'où
elle est évacuée vers la tubulure 22 par l'in~ermédiaire d'un manchon sou-
ple 34 de raccordement entre la boite de vapeur et llenveloppe secondaire
14.
Un limiteur de débit 33 est d'autre part interposé sur le pasSa_
ge de la vapeur à l'intérieur de la tubulure 22.
Le manchon souple 34 per~et de rattraper les dilatations diffé-
rentielles entre l'envaloppe de faisceau et llenveloppe secondaire.
lS Sur la ~igure 5, on voit un second mode de réalisation du récu-
pérateur de vapeur ZO où la boite de vapeur est solidaire de la partie infé-
rieure de l'en~eloppe de faisGeau 12 sur laquelle elle est soudée. Cette boi-
~e de vapeur 36 es~ en contact avec la plaque tubulaire 5 par l'intermediaire
d'un système d'étanchéité à rail 37, dans le plan diamétral du générateur,
et par l'intermédi ire d'un système d'étanchéité à lamelles38 à la base de
sa surface cylindrique. La boite de vapeur 36 est mise en ~ ;cation avec
la tubulure 22 par l'intermédiaire d'un ~nohon rigide 39 constituant un li-
miteur de debit 40 à l'intérieur de la tubulure 22.
Les systèmes d'étanchaité 37 et 38 permettent d'absorber les jeux
de montage et de dilatation du dispositif.
Ce dispositif n'est évidemment pas absolument étanche comme le
disposi~if représenté à la figure 4.
On voit que les principaux avantages du dispositif suivant l'in-
vention sont de permettre de réaliser simplement une réserve d'eau de se-
cours au_des~us du alsceau tubulaire et donc de permettxe aux opérateursd'in~ervenir de facon légèrement différée après une panne d'alimentation en
eau du générateur de vapeur, d9introduire l'eau alimentaire de secours dans
cette capacité où elle se mélange et se réchauffe avant de descendre dans
l'espace ~nn~ re jusqulau niveau de la plaque tubulaire, en~in dladopter
une construction entièrement symétrique du générateur de vapeur tout en au_
torisant un réglage de la surchauffe en agissant sur les paramètres de l'eau
ali taire introduite dans ltencente secondaire.
Mais l'invention ne se limite pas au de de réalisation qui vient
d'être décrit ; elle en com2orte au contraire toutes les variantes.
'~'''`7 ~E~99~
Clest ainsi qu'on peut prévoir une capacité d~un volume quel-
conque en fonction des conditions d'exploitation du générateur de vapeur.
Il su~fit de surélever l'enceinte secondaire d'une hauteur suffisante au-
dessus du faisceau ou de prévoi~ ~ne capacité accrue de forme tronconique
ou cylindro-conique à la partie supérieure du générateur de vapeur.
Il est également possible d'u~iliser un générateur de vapeur
suivant l'invention compor~ant une capacité de réserve, avec un faisceau
dont l~cloison nlest pas dispo4ée symétriquement, bien que cette disposi-
tion en facilite et en simplifie la construction.
Il est également possible d'utiliser un récup~rateur de vapeur
d~un type quelconque à la partie inférieure de la branche chaude du fais-
ceau.
Enin, le générateur de vapeur suivant l'invention s~applique
non seulement dans le cas des réacteurs nucléaires à eau sous pression mais
également dans le cas d'autres installations de grande puissance pouvant
nécessi~er une surchauffe de la vapeur produite.
