Brevet FR2080956A1 — publié le 19711126

i 2080956 L'invention concerne un appareil pour collecter et emmagasiner les impuretés trouvées dans les circuits fermés de sodium ou d'autres métaux à haute température des réacteurs nucléaires. 5 Pendant le fonctionnement des circuits fermés à sodium liquide des réacteurs nucléaires, il se forme des impuretés par réaction du sodium avec des contaminants atmosphériques, par exemple 02, H20, N2 et C02, par réaction du sodium avec l'eau provenant de fuites dans le générateur de vapeur d'eau du sys-10 tème secondaire ou par réaction entre le sodium et son enceinte en acier. Quand la saturation est atteinte, ces impuretés forment des noyaux sous la forme de composés et des matières en particules. Ces matières en particules peuvent être entraînées à travers le circuit et provoquer un engorgement, une corrosion, 15 un fonctionnement confus des instruments et appareils de commande et d'autres effets nuisibles s'ils ne sont pas "piégés" ou éliminés par filtration. Un piège froid est habituellement utilisé pour établir une condition de température et provoquer des points de croissance de germes de noyaux d'impuretés pour 20 la formation et la retenue des impuretés afin de purifier le sodium. Un exemple de piège froid efficacement utilisé dans ce but est décrit dans la demande de brevet des Etats Unis d'Amérique n° 7^1 959 du 2 Juillet 1968. Dans la pratique courante, une partie de la masse 25 du courant de sodium réfrigérant est envoyée en by-pass à travers un économiseur de chaleur, et elle est ensuite dirigée dans un récipient dans lequel a lieu l'évacuation de la chaleur jusqu'à ce que la température soit convenablement abaissée. Pendant la chute de la température dans le piège froid, les 30 différentes impuretés en solution (NaH, Na20, etc.) atteignent la solubilité de saturation. Un refroidissement supplémentaire provoque une certaine sursaturation et les impuretés ont tendance à former des germes de particules et à se précipiter sur ' des points convenables de croissance de ces germes. Dans les 35 pièges froids habituels, pour augmenter l'efficacité une surface d'une grande superficie (typiquement sous la forme d'un garnissage en toile d'acier inoxydable) est utilisée pour faciliter la formation des germes et la précipitation. Le sodium purifié sort ensuite du piège pour retourner à la masse du COPY 71 03827 2 2080956 10 courant. De plus, dans le piège froid classique, l'écoulement est long ce qui est basé sur l'idée que le sodium "impur" doit avoir un temps de séjour suffisant (typiquement au moins 5 minutes) dans le piège pour permettre une croissance epitaxe des noyaux de dépôt. Le coefficient de transfert des masses K pour les impuretés se précipitant sur la paroi du piège froid peut être' exprimé par |f > KaA(C-C°) expression dans laquelle ^ - grammes de dépôt par seconde A = aire de la surface C = concentration des impuretés sursaturées 15 c° = solubilité à la saturation = coefficient de transfert des masses par diffusion L'équation ci-dessus montre que le rendement du piège froid peut être augmenté soit en augmentant la surface A pour la croissance des germes (par exemple de la toile en acier ino-20 xydable), soit en augmentant le coefficient de transfert des masses K^. Il a été constaté aussi que le coefficient de transfert des masses augmente avec l'augmentation de la vitesse (ou du nombre de Reynolds) du système quand le transfert des masses 25 est un processus commandé de diffusion. Il a aussi été établi que la formation des germes et la précipitation des impuretés (Na^O) est un processus commandé de diffusion aux températures habituelles du piège froid et aux débits habituels. Par suite, - la relation de transfert des masses données ci-dessus indique 30 en réalité qu'un temps de séjour important n'est pas nécessairement le critère en lui-même pour l'augmentation du rendement du piège froid. La raison de l'augmentation du coefficient de transfert des masses du fait de l'augmentation de N^e (turbulence) peut être expliqué de la façon suivante. Dans la région 35 de précipitation par diffusion l'augmentation de la turbulence (Nr ) du sodium circulant à travers le piège froid augmente le transfert des impuretés à travers la couche limite liquide aux endroits de formation des germes, et par suite le rendement 71 03827 3 2080956 du piège froid est augmenté» Cela peut bien entendu être obtenu en augmentant l'écoulement du sodium (c'est-à-dire en augmentant le débit à travers le piège froid). Cependant, les caractéristiques de transfert de la chaleur limitent cette possibilité pour 5 un piège de dimensions données (aire des surfaces de chauffage et de refroidissement). De plus, l'augmentation de l'écoulement, par exemple de dix fois seulement augmente le nombre de Reynolds dans les mêmes proportions pour une géométrie donnée en nécessitant en même temps l'extraction et la dissipation d'une quan-10 tité dix fois supérieure de chaleur» Cela nécessite à son tour un équipement sensiblement plus important pour le transfert et la dissipation de la chaleur ainsi qu'une perte de chaleur plus importante, La présente invention a pour objet un appareil pour 15 collecter; et emmagasiner les impuretés trouvées dans le sodium et d'autres métaux liquides à haute température des circuits des réacteurs nucléaires. Un procédé efficace pour la formation de germes de dépôt et la précipitation des impuretés dans des pièges froids 20 consiste conformément à l'invention à augmenter la Vitesse locale (et par suite le nombre de Reynolds) de 100 fois ou plus dans le piège par une circulation ou une agitation rapide du sodium liquide tout en maintenant le même débit global, La présente invention utilise une action d'agitation électromagnétique du 25 sodium dans l'espace annulaire entourant le piège proprement dit au moyen d'un champ magnétique tournant. Le champ tournant du stator rassemble le métal liquide tel que le sodium dans l'anneau par induction de courants de Foucault qui à leur tour produisent des couplages magnétiques avec le champ du stator. 30 Le métal liquide a tendance à suivre en synchronisme le champ du stator mais il en est empêché par des forces de freinage, et il en résulte un glissement. Cette action est analogue à~la rotation du rotor d'un moteur asynchrone triphasé classique. Les caractéristiques de l'invention ressortiront 35 plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel s - la figure unique représente schématlquement en coupe un appareil selon un mode de mise èn oeuvre de l'invention. 71 03827 4 2080956 Le piège froid perfectionné représenté comprend une cuve extérieure 10 placée dans une structure support ou enceinte 11 construite pour définir un conduit pour de l'.air de refroidissement 12 dans lequel la cuve 10 est positionnée pour établir 5 un passage annulaire 13 pour la circulation de l'air, cette circulation étant représentée par des flèches et ayant lieu dans le sens ascendant autour de la cuve 10„ Un stator polyphasé annulaire 14 est positionné dans, l'enceinte 11 à côté du conduit 12 et entouré la partie inférieure de la cuve 10, le stator 14 10 étant alimenté p.ar une source de courant polyphasé 15 à travers des conducteurs l6„ La cuve 10 est munie à son extrémité supérieure d'un couvercle 17 sur lequel est fixé un cylindre inférieur 18 contenant approximativement dans les deux tiers supérieurs une toile métallique 19, par exemple en acier inoxydable 15 ou en une autre matière convenable. Le cylindre 18 est placé dans; la cuve 10 pour définir un espace annulaire 20 entre le cylindre et la cuve. Un écran 21 est placé dans la cuve 10 entre l'extrémité inférieure du cylindre 18 et l'extrémité inférieure fermée de la cuve 10. Un thermocouple 22 traverse la paroi infé-20 rieure fermée de la cuve 10o Le couvercle 17 comporte deux ouvertures 23 et 24 dans lesquelles est monté un économiseur ou échangeur de chaleur 25, l'ouverture 24 étant, au centre du couvercle 17. L1économiseur 25 comporte un tube extérieur, de grand diamètre 26 dont l'extrémité inférieure est fixée dans l'ouver-25 ture 23, et un tube coudé 27 fixé dans l'ouverture 24 est fixé à son autre extrémité dans une ouverture 28 du tube 26» Un tube de petit diamètre 29 est fixé à l'intérieur du tube 26 pour former un passage annulaire 30 entre les deux. L'extrémité supérieure du tube extérieur 26 est fermée autour du tube intérieur 29 et 30 un tube ou raccord 31 est fixé dans une ouverture 32 près de 1'extrémité fermée du tube 26, Un joint étanche 33 est placé entre les tubes 26 et 29 près de leurs extrémités inférieures et à côté de l'ouverture 23 du couvercle 17 pour empêcher l'écoulement du liquide du tube 26 vers l'espace annulaire 20 de la 35 cuve 10. Pendant le fonctionnement de l'appareil décrit ci-dessus, le sodium ou autre métal contenant.des impuretés arrive par l'extrémité supérieure du tube intérieur 29 de 1'économiseur 71 03827 5 2080956 25 de la façon indiquée par les flèches orientées vers le bas, sous l'action d'une pompe extérieure, et le sodium passe du tube 29 dans l'anneau 20 formé entre la cuve 10 et le cylindre inférieur 18. Le sodium commence à circuler en spirale de la façon 5 indiquée par la flèche en trait plein avec augmentation de la vitesse de rotation à son approche dans la zone A-A de la région d'influence du champ tournant magnétique créé par le stator polyphasé 14. Pendant la rotation en spirale du sodium dans l'espace annulaire 20, le sodium est continuellement refroidi 10 par l'air circulant dans le sens ascendant à travers le passage 13 le long de la paroi de la cuve 10, et le refroidissement du sodium provoque la séparation des impuretés qui s'accumulent sur des points de croissance de germes d'impuretés sur la surface intérieure de la cuve 10 de la façon indiquée en 34, et 15 sur la toile en acier 19 quand celle-ci est utilisée. Au point B de la flèche de circulation du sodium près de l'extrémité inférieure du cylindre 18, le sodium est à la température minimale et il remonte à l'intérieur du cylindre 18 dans lequel d'autres impuretés s'accumulent sur la toile métallique 19, après 20 quoi le sodium purifié passe par l'ouverture 24 du couvercle 17 et ensuite à travers le tube 27 et le passage annulaire 30 pour sortir finalement de 1'économiseur 25 à travers le raccord 31. Le sodium purifié circulant vers l'extérieur à travers le passage annulaire 30 est en rapport d'échange thermique avec le so-25 dium impur entrant, de sorte que celui-ci est refroidi et le sodium sortant purifié est réchauffé. Une partie des impuretés agglomérées aux points de croissance des germes 34 se détache et se dépose au fond du piège ou bien est entraîné sous la forme de particules fines dans le courant. Comme les particules peu-30 vent ainsi être entraînées dans le courant principal, la toile métallique 19 est choisie suffisamment fine pour empêcher cet entraînement, et de plus l'écran 21 permet le passage des particules afin qu'elles ne restent pas dans la zone d'écoulement normal du sodium à l'intérieur du piège. Le thermocouple 22 peut 35 être connecté, bien que cela ne soit pas représenté, à un dispositif de commande de l'air de refroidissement pour régler le débit de l'air ou sa température autour de la cuve 10 afin de maintenir celle-ci à la température voulue. 71 03827 6 2080956 Des essais effectués avec un piège froid selon l'invention montrent que l'augmentation de la turbulence (NRe) accélère appréciablement la précipitation des produits de corrosion, ce qui est un progrès considérable par rapport aux tech-5 niques antérieures. Il résulte de ce qui précède que l'invention apporte les avantages suivants par rapport aux pièges froids' antérieurs 1„ La vitesse de purification est augmentée par rapport aux pièges froids classiques, en particulier dans le cas d'im-10 puretés difficiles à piéger, comme l'hydrogène, trouvées particulièrement dans le système secondaire du réacteur! 2. La capacité du piège froid est augmentée par l'utilisation plus efficace de surfaces refroidies pour les points de croissance des germes de séparation. Il est ainsi possible 15 d'utiliser un piège froid plus petit pour une capacité donnée d'extraction des impuretés, 3. Elle permet une température d'engorgement plus basse et a tendance à éliminer la rupture à haute température (dans le système principal) du fait d'une extraction plus importante 20 et plus efficace des composés de l'hydrogène, La suppression des coupures à haute température rend les températures indiquant 1'engorgement plus sûres en ce qui concerne la présence de 02 dans le sodium, 4. L'invention permet une plus grande souplesse pour le 25 fonctionnement du piège froid. Le rendement peut être modifié de la façon désirée (par exemple en cas d'urgence résultant de l'apparition d'une fuite dans le générateur de vapeur) sans augmentation du débit de traversée qui provoquerait une perte inutile d'énergie et qui nécessiterait une réserve de chaleur 30 "supérieure dans le système du réacteur. Bien que la description soit donnée ci-dessus en consi dérant le cas du sodium liquide comme réfrigérant, un piège froid selon l'invention peut être utilisé efficacement pour d'autres métaux liquides utilisés comme réfrigérants. 35 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 71 03827 7 2080956 REVENDICATIONS 1. Appareil pour collecter les impuretés d'un métal liquide utilisé comme réfrigérant, ces impuretés étant précipitées dans des conditions déterminées de température et pou- 5 vant engorger les constituants du système de réfrigérant, caractérisé par une cuve ouverte à une extrémité et fermée à l'extrémité opposée, un couvercle pour fermer l'extrémité ouverte de la cuve, un cylindre inférieur disposé à l'intérieur de la cuve et définissant avec celle-ci un espace annulaire, 10 un échangeur de chaleur fixé au couvercle amovible, cet échan-geur de chaleur étant monté pour diriger le métal liquide à haute température dans l'espace annulaire et étant connecté pour recevoir le métal liquide à basse température arrivant de l'intérieur du cylindre, un dispositif autour de la cuve 15 pour produire un champ tournant à partir du courant polyphasé pour provoquer une agitation du métal liquide dans l'espace annulaire, et un dispositif pour refroidir la cuve afin que le métal liquide à haute température soit refroidi au moins dans l'espace annulaire pour que les impuretés du métal liqui-20 de soient précipitées et collectées au molna sur certaines surfaces intérieures de la cuve, le réfrigérant purifié échappant ensuite à travers l'échangeur de chaleur. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle comprend une ouverture sensiblement cen- 25 traie et une ouverture près du bord du couvercle, 1'échangeur de chaleur étant connecté pour diriger le métal liquide à haute température à travers 1'ouverture située près du bord et pour recevoir le métal liquide à température plus basse à travers 1'ouverture•centrale. 30 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caracté risé en ce que le cylindre intérieur est garni au moins dans une partie de son volume intérieur d'un dispositif en une matière convenable telle que de la toile métallique pour former des points supplémentaires de formation et de croissance de 35 germes de précipitation des impuretés. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif produisant le champ tournant comprend un stator polyphasé situé près de l'extrémité fermée de la cuve et espacé de la cuve, le stator étant 71 03827 8 2080956 alimenté par une source de courant polyphasé o 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de .refroidissement comporte un dispositif pour diriger un courant d'air de refroi- 5 dissement autour de la cuve dans un sens allant de l'extrémité fermée de la cuve jusqu'à l'extrémité fermée par le couvercle. 6. Appareil selon l'unê quelconque des revendications 1 à 3s caractérisé par un écran situé à l'intérieur de la cuve entre l'extrémité fermée de celle-ci et le cylindre pour permet- 10 tre aux particules d'impuretés de traverser l'écran pour leur décantation dans l'extrémité fermée de la cuve afin que ces impuretés ne puissent pas être entraînées vers l'échangeur de chaleur. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 15 1 à 6, caractérisé par un dispositif détecteur de température dans l'extrémité fermée de la cuve pour mesurer la température à l'intérieur de celle-ci.