EVALUATION DE LA CONFORMITE DE L ENCEINTE A VIDE D ITER AUX EXIGENCES DE L ARRETE DU 12 DECEMBRE 2005 RELATIF AUX ESPN PARTICULARITIES IN THE CONFORMITY ASSESSMENT OF THE ITER VACUUM VESSEL WITH THE FRENCH ESPN ORDER OF DECEMBER 12th 2005. A. Weyn, G. Vast, E. Rütze, W. Wijns AIB-Vinçotte International, Jan Olieslagerslaan 35, 1800 Vilvoorde, Belgique, nuclear@vincotte.be RESUME L enceinte à vide d ITER (VV : Vacuum Vessel) est un équipement sous pression nucléaire selon l arrêté français du 12 décembre 2005. Ceci implique que le fabricant du VV doit démontrer que ce dernier répond aux exigences essentielles de sécurité et de radioprotection applicables. Un organisme notifié et agréé par l Autorité de Sûreté Nucléaire doit évaluer la conformité du VV à ces exigences. Cette évaluation concerne toutes les phases du projet : conception, fabrication des secteurs et des portes dans les ateliers, assemblage et essais sur site. La construction du VV est un projet unique et plusieurs points requièrent une attention particulière dès la phase de conception pour assurer que l enceinte à vide répondra finalement aux exigences de la législation. Il est important que tous les participants au projet aient une bonne connaissance de la législation applicable et se rendent compte de l impact de leurs décisions sur la conformité finale de l enceinte à vide aux exigences essentielles de sécurité et aux exigences de radioprotection. ABSTRACT The ITER Vacuum Vessel (VV) is a nuclear pressure equipment according to the French Order of December 12th 2005. Therefore the VV manufacturer must demonstrate that the applicable essential safety requirements and radioprotection requirements are satisfied. An Agreed Notified Body by the French Safety Authority must evaluate the conformity of the VV with these requirements. This evaluation concerns all project phases : design, manufacturing of the sectors and the ports in the workshops and the assembling and testing on site. The building of the VV is a unique project and several aspects require a particular attention from the start in order to assure that the VV will finally comply with the legal requirements. It s important that all participants to the project have a good understanding of the applicable legislation and are aware of the impact of their decisions on the final conformity of the VV with the essential safety requirements and radioprotection requirements. AFIAP ESOPE 2010 1
INTRODUCTION L enceinte à vide d ITER (VV : Vacuum Vessel) est un équipement sous pression nucléaire à plusieurs compartiments dont la fonction la plus importante est le confinement du plasma dans une étanchéité spécifiée. Les composants principaux du VV sont les neuf secteurs, formant ensemble le réservoir principal (tore), les portes et les supports. La figure 1 donne une vue générale du VV. L enceinte est une structure à doubles parois du type caisson. Entre les deux parois se trouvent le fluide de refroidissement et les écrans de protection. Les raidisseurs poloïdaux et toroïdaux renforcent la structure de l enceinte. Figure 1 : Vue générale du Vacuum Vessel Les modules de couverture sont attachés à la paroi interne, côté plasma, du VV. Leur fonction est, entre autres, de fournir une protection contre les neutrons à haute énergie résultant des réactions de fusion. Une partie des modules de couverture seront utilisés dans les phases ultérieures du projet pour tester des matériaux générant du deutérium et du tritium pendant le procédé de fusion. La figure 2 est une section transversale poloïdale du VV montrant le réservoir principal, les portes et la structure des supports. Les conditions de pression et de température de l eau de refroidissement dans les différentes parties du VV, conduisent à le classifier comme un ensemble de plusieurs équipements sous pression nucléaires catégorie IV niveaux N2 et N3 selon la réglementation [1], [2], [3]. Dès lors, les exigences essentielles de sécurité et les exigences de radioprotection de la réglementation doivent être satisfaites. Un organisme notifié et agréé doit vérifier la conformité du VV avec ces exigences. AFIAP ESOPE 2010 2
NOMENCLATURE DESP : Directive Européenne pour les Equipements Sous Pression EES : Exigences Essentielles de Sécurité ERP : Exigences de Radioprotection ESPN : Equipement Sous Pression Nucléaire JET : Joint Experimental Torus VV : Vacuum Vessel (Enceinte à vide) Figure 2 : Section transversale poloïdale CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DU VACUUM VESSEL Le tableau 1 donne les dimensions principales et les conditions de fonctionnement. Les parties de l enveloppe sous pression sont en acier austénitique 316L(N)-IG qui est très proche du X2CrNi- Mo17-12-2 à l azote contrôlé spécifié dans le RCC-MR [5], mais avec des exigences supplémentaires. La figure 3 présente l arrangement global d un secteur 40 du VV. Les portes supérieures, équatoriales et inférieures permettent l accès aux composants internes pendant l entretien en service. Ils fournissent également le passage pour les systèmes d alimentation et du pompage, les diagnostiques, les équipements pour le chauffage du plasma, les modules de couverture et les éléments du divertor. Les supports du VV se trouvent en dessous des portes inférieures. AFIAP ESOPE 2010 3
La paroi du VV est une structure du type caisson constitué d une paroi interne jointe à la paroi externe par des raidisseurs soudés. Les supports des modules de couverture sont soudés aux parois interne/externe et contribuent également à la résistance structurelle du VV. Dimensions - Tore : diamètre externe - Tore : diamètre interne - Tore : hauteur - Epaisseur de paroi Température d entrée de l eau (secteurs) : - Fonctionnement normal - Chauffage périodique de l enceinte Pression d entrée de l eau (secteurs) : - Fonctionnement normal - Chauffage périodique de l enceinte Pression dans la chambre plasma en situation de fonctionnement Volume d eau de refroidissement dans les secteurs Fluide de refroidissement Masse totale du réservoir assemblé Masse totale en situation de fonctionnement Matière 19.4 m 6.5 m 11.3 m 60 mm 100 C 200 C pour VV 1.1 MPa abs 2.4 MPa abs 0 MPa abs (vacuum) 200 m 3 (9 secteurs) Eau ± 5000 ton ± 9000 ton 316L(N)-IG Tableau 1 : Caractéristiques principales ASPECTS REGLEMENTAIRES Comme le VV est un équipement sous pression contenant un fluide radioactif, les législations françaises [1], [2] et [3] s appliquent. Les deux derniers sont l implémentation de la Directive Européenne d Equipements Sous Pression en France. Le Guide [4], établi par l Autorité de Sûreté Nucléaire française, donne les lignes directrices à suivre par les Organismes Notifiés et Agréés dans leur évaluation de la conformité des Equipements Sous Pression Nucléaires (ESPN). Tenant compte des valeurs de pression, volume et radioactivité du fluide de refroidissement, le VV est classifié, selon [1], comme un ensemble des équipements sous pression nucléaires catégorie IV de niveaux N2 et N3. Le réservoir principal et la plus grande partie des portes forment un équipement multichambre niveau N2. Des parties limitées des portes supérieures et équatoriales sont de niveau N3. Ceci nécessite que le VV doit satisfaire les EES de [2] plus les EES et ERP de [1]. Un Organisme Notifié et Agréé par l Autorité de Sûreté Nucléaire française doit évaluer la conformité du VV avec ces exigences. ITER Organization, le fabricant du VV selon les termes des réglementations [1], [2] et [3], a opté pour le module d évaluation G pour démontrer la conformité du VV avec les EES et ERP. Ceci requiert que l Organisme Notifié et Agréé réalise des inspections dans toutes les phases du projet. Après une procédure de sélection, ITER Organization a confié le rôle de l Organisme Notifié et Agréé à AIB-Vinçotte International. Le scope de l évaluation comprend l approbation de la AFIAP ESOPE 2010 4
Figure 3 : Arrangement général du VV conception, les inspections chez les constructeurs dans les usines (Europe, Corée du Sud, Fédération Russe) et les inspections pendant l assemblage et les épreuves sur le site de Cadarache en France. PARTICULARITES DU PROJET ITER La fabrication du VV est un projet unique et plusieurs points nécessitent une attention particulière afin d assurer que le VV répondra finalement à toutes les exigences de la réglementation pour un équipement sous pression nucléaire : Définition précise des responsabilités des différents participants au projet : Plusieurs organisations participent au projet : ITER Organization, Agences Domestiques, contractants et souscontractants, fournisseurs des matières, Organisme Notifié et Agréé, Organismes Notifiés. Il est important que toutes les parties soient conscientes que ITER Organization est le fabricant du VV selon la terminologie de la législation et est en tant que tel le responsable pour que les exigences de la réglementation soient respectées. Les interfaces entre les différents participants au projet doivent être précisément définies et contrôlées afin que le VV réponde finalement à toutes les exigences de la réglementation. AFIAP ESOPE 2010 5
Figer une conception permettant l exécution de toutes les expérimentations de fusion envisagées: Le Tokamak ITER est toujours un réacteur expérimental et doit permettre d exécuter une grande variété d expérimentations de fusion. Puisque la science de fusion est constamment en développement, les conditions de conception sont continuellement remises en cause par les scientifiques. Par conséquent, c est un grand défi de figer une conception du VV, bien avant que le premier plasma se produise, qui réponde à l objectif de fournir une démonstration intégrale de la faisabilité scientifique et technologique de la production d énergie par fusion. Avant le démarrage réel de la fabrication, tous les paramètres de conception doivent être figés sans induire des restrictions sur le programme des expérimentations de fusion envisagées. Analyse de risque tenant compte des incertitudes liées aux expérimentations de fusion : Les réglementations exigent de réaliser une analyse de risque pour identifier toutes les risques liées au VV et à son utilisation. Parmi les plus grands risques se trouve la défaillance sous les charges dynamiques électromagnétiques pouvant se produire pendant les expérimentations de fusion : disruption du plasma, déplacement vertical du plasma et déchargement rapide des aimants. Comme d autres réacteurs de la grandeur d ITER Tokamak n existent pas, des incertitudes sur la magnitude de ces charges électromagnétiques doivent être considérées dans le cahier des charges. Des précautions additionnelles doivent être prises en opération comme le démarrage progressif et l installation de l instrumentation pour le monitoring des charges électromagnétiques. Exigences pour l inspection en service : La géométrie particulière du VV, la présence des structures autours du VV dans le Tokamak et l activation des matériaux requièrent le développement des techniques spéciales pour l inspection en service. La conception du VV doit permettre de réaliser ces inspections en service afin de limiter les risques lors du fonctionnement. Classification des éléments du VV : Le réservoir principal est composé des parois internes et externes, raidisseurs et goussets, boîtiers de support flexible, éléments de protection entre les parois, tôles de jonction, éléments de connexion pour les portes et composants spéciaux de grande épaisseur (tels que les structures de support pour le divertor). Tous les éléments doivent être classifiés selon leur fonction en éléments (principaux) résistant à la pression, éléments contribuant à la résistance à la pression, et d autres éléments. En fonction de cette classification des éléments, les réglementations et le Code de Construction RCC-MR imposent des exigences distinctes aux propriétés des matières, au type du certificat des matières à la catégorisation des contraintes, etc. Spécification des matières : Les spécifications des matières doivent prendre en compte les EES et ERP applicables. Les exigences pour les matières résultantes de l analyse de risque doivent être considérées également, par exemple des limites plus strictes sur la composition chimique pour certaines matières afin de limiter leur activation sous l irradiation. Des Evaluations Particulières de Matériaux doivent être établies pour démontrer que les matériaux répondent aux EES et ERP applicables. AFIAP ESOPE 2010 6
Justification de la tenue structurelle tenant compte de la complexité de l équipement et de la présence des charges électromagnétiques dynamiques : L enveloppe du VV a une structure du type caisson avec des parois renforcées par des raidisseurs et des boîtiers de support flexible. Une analyse linéaire élastique des contraintes de telles structures, caractérisées par la présence de beaucoup de discontinuités, conduit à de très hautes contraintes locales et l interprétation correcte des résultats est difficile pour les cas de charges primaires. Par contre, des analyses nonlinéaires telles que les analyses charges limites, permettent de déterminer les marges de sécurité présentes pour les charges primaires. Le poids, la pression d essai hydraulique et les charges électromagnétiques induisent les contraintes les plus hautes dans la structure. Les charges électromagnétiques sont extrapolées des charges observées lors des expérimentations dans d autres réacteurs de fusion tels que JET au Royaume-Uni. Les charges électromagnétiques sont dynamiques, peuvent agir dans différentes directions et sont généralement nonaxisymmétriques. En combinaison avec la grandeur et la complexité de la géométrie du VV, requérant des analyses nonlinéaires, l établissement du modèle de calcul est un vrai challenge. L évaluation de la variation totale des intensités de contraintes primaires plus secondaires ainsi que l analyse de fatigue demandent une sélection judicieuse des combinaisons des cas de charges. Les neuf supports en dessous des portes inférieures doivent être conçus pour le poids total du VV y compris les composants internes (± 9000 tonnes en conditions de fonctionnement) plus les charges électromagnétiques. Des goussets bien conçus doivent contribuer au transfert des charges entre le VV et les portes inférieures. Le cahier des charges prises en compte dans l analyse des contraintes, doit être consistant avec le contenu du rapport de sûreté. Respect des tolérances de fabrication sévères : Les tolérances de fabrication sont petites, en particulier si on les compare aux dimensions globales du VV. Ces tolérances sont principalement exigées pour des raisons fonctionnelles (jeux à l endroit des interfaces avec d autres composants) et des raisons d assemblage. Exemple : les tolérances de surface de la paroi côté plasma d un secteur 40 vis-à-vis de la géométrie de référence sont ± 10 mm après fabrication en usine. Les charges électromagnétiques peuvent induire des contraintes de compression dans la structure, en particulier dans la zone inférieure côté petit rayon du VV. Pour respecter dans cette région les marges de sécurité du RCC-MR vis-à-vis de l instabilité, les imperfections géométriques considérées dans les calculs ne peuvent pas dépasser ± 6 mm. Evaluation du code RCC-MR, tel qu appliqué pour le VV, pour sa conformité avec les EES et ERP : Le code nucléaire français RCC-MR, [5], a été choisi par ITER Organization comme code de construction pour le VV. Le fabricant doit démontrer que, en appliquant le RCC-MR pour le VV, les EES et ERP sont satisfaites. L appendice A18 du RCC-MR inclut des lignes directrices pour réaliser cette démonstration. Evaluation des procédures de fabrication et d essais alternatives : L ITER VV étant un équipement unique, certains détails nécessitent le développement des procédures de fabrication et d essais alternatifs. Le fabricant doit démontrer que ces alternatives fournissent au moins le même niveau de qualité et de sécurité que les procédures habituelles afin de pouvoir conclure que les EES et les ERP sont satisfaites. AFIAP ESOPE 2010 7
Un exemple est l accessibilité limitée pour l examen visuel pendant l épreuve hydraulique visuel. Des mesures compensatoires sont à définir y inclus des contrôles nondestructifs supplémentaires. CONCLUSION Il est important que tous les participants au projet possèdent une bonne connaissance de la réglementation en vigueur et qu ils se rendent compte de l impact de leurs décisions sur la conformité finale du Vacuum Vessel aux exigences essentielles de sécurité et aux exigences de radioprotection applicables. RECONNAISSANCES Les auteurs expriment leur reconnaissance à ITER Organization d avoir placé leur confiance à AIB-Vinçotte International pour le mandat de l Organisme Notifié et Agréé du Vacuum Vessel. Les auteurs expriment en particulier leur reconnaissance à K. Ioki, V. Barabash, B. Giraud, C. Jun et C. Bachman de ITER Organization pour le climat positif dans lequel l évaluation de conformité a lieu. Nous remercions ITER Organization pour avoir donné son accord pour l utilisation des figures incluses dans ce texte. REFERENCES [1] Arrêté du 12 décembre 2005 relatif aux équipements sous pression nucléaires. [2] Décret n 99-1046 du 13 décembre 1999 relatif aux équipements sous pression. [3] Arrêté du 21 décembre 1999 relatif à la classification et à l évaluation de la conformité des équipements sous pression. [4] Guide de l ASN n 8 du 31 mars 2009 pour l évaluation de la conformité des équipements sous pression nucléaires. [5] RCC-MR 2007, Règles de conception et de construction des matériels mécaniques des installations nucléaires applicables aux structures à haute température. AFIAP ESOPE 2010 8