Brevet FR2112046A1 — publié le 19720616

La présente invention a pour objet une.boucle à gaz de réacteur, du type à trompe, pour irradiation de barreaux combustibles et de tous échantillons. Cette boucle permet d'irradier, dans un réacteur , des éléments combustibles sous hélium sous les températures les plus élevées sans apport calorifique autre que celui des éléments combustibles irradiés. De façon plus précise, l'invention concerne une boucle à gaz de réacteur, du type à trompe, pour irradiation, caractérisée par "le fait qu'elle comprend une enveloppe extérieure dont la partie inférieure se compose d'un tube de force logé dans le réacteur et baignant dans de l'eau à température modérée, de l'ordre de 60°C, et d'un tube intérieur, ou tube enceinte, délimitant avec ledit tube de force un espace annulaire dans lequel circule un gaz à conductance variable faisant office d'isolant thermique, et dont la partie supérieure est un tube raccordé, par une extrémité, à ladite partie inférieure, et, par une autre extrémité, au bouchon.d1 obturation de la boucle, le tube enceinte renfermant une trompe constituée par une série de tuyères fixes, à savoir par une tuyère motrice, ou injecteur, et par une tuyère, dite mélangeur, munie à son extrémité tournée vers cet injecteur d'un convergent dit collecteur et, à son autre extrémité, d'un divergent dit diffuseur, un manchon cylindrique ou panier à combustible, solidaire de ce divergent étant destiné à contenir un barreau de combustible à irradier, et ladite partie supérieuiEde l'enveloppe extérieure renfermant un récupérateur formé de deux échangeurs, à savoir, de bas en haut, un échangeur, dit échangeur haute température, formé de deux tubes épais concentriques en matériau réfractaire, et un échangeur, dit échangeur basse température, formé d'un serpentin, l'ensemble du récupérateur étant contenu dans une série de tubes minces concentriques servant au passage de lames de gaz, ce dernier étant solidaire du bouchon d'obturation de la boucle, le fonctionnement de cette boucle étant tel que le gaz injecté par le sommet de cette boucle constitue un circuit inducteur à faible débit et haute pression à travers le serpentin, puis le tube de l'échangeur haute température, jusqu'à la trompe qui induit grâce à celle-ci un circuit induit de 70 28978 2 2112046 faible perte de charge et de grand débit, auteur de l'élément combustible, qui remonte ensuite, le gaz étant échauffé au contact dudit élément combustible, le long de la paroi extérieure du panier à combustible et qui, au niveau 5 de 1'injecteur, se divise en trois courants, à savoir un premier courant qui pénètre dans le convergent où il se mélange au gaz injecté, un second courant qui circule dans une rainure en hélice comprise entre les deux tubes de l'échangeur haute température, puis le long de la paroi 10 extérieure du serpentin, ce second courant ayant pour rôle de céder des calories au gaz injecté et étant ensuite réinjecté par le sommet de la boucle après avoir été comprimé, et un troisième courant qui parcourt l'eSpace annulaire compris entre deux des tubes concentriques entourant le récupérateur, 15 ce troisième courant assurant l'isolation thermique de ce récupérateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard de la figure unique annexée, qui représente 20 en coupe longitudinale axiale, une forme de réalisation de la boucle selon l'invention. Cette boucle comprend essentiellement une enveloppe extérieure, et, de bas en .haut, un panier à combustible, une trompe, un récupératuur et un bouchon supérieur d'obtu-25 ration. L'enveloppe extérieure, de forme cylindrique, se compose d'une partie basse et d'une partie haute. a) la partie basse, qui pénètre dans le réacteur, est formée de deux tubes concentriques, à savoir un tube extérieur ou tube de force 1, par exemple en zircaloy 2, baignant dans 3D l'eau, la température de ce tube de force restant modérée (de l'ordre de 60°C) et sa paroi intérieure étant constamment soumise à une pression de l'ordre de 60 bars, et un tube enceinte, délimitant avec le tube de force 1, un espace annulaire 3 dans lequel circule une lame de gaz à conductance 35 variable faisant office d'isolant thermique ; ce gaz est un mélange en proportion variable d'hélium et d'argon. Le tube 2 est parcouru intérieurement par le gaz du circuit principal à son retour après passage sur l'échantillon 4 70 28978 3 2112046 à irradier. Il est donc à température élevée. Les pressions de la lame de gaz dans l'espace annulaire 3 et le circuit principal de gaz étant réglées à la même valeur, le tube intérieur 2 n'est soumis à aucun effort en marche normale. 5 Toutefois, le tube intérieur 2 doit être capable de supporter momentamément la pression exercée par le gaz du circuit principal, en cas de rupture du tube de force 1 ; c'est pourquoi il est en un matériau à limite élastique élevée à chaud, par exemple en niobium ou en hastelloy C. 10 Le tube de force 1 est logé dans un alvéole (non représenté) à section carrée ; il est complété extérieurement par des remplissages 5 en alliage léger, destinés à limiter le débit de l'eau de refroidissement. b) La partie haute de l'enveloppe extérieure est un tube 6 15 en acier inoxydable relié à la partie basse par des jonctions vissées 7 ou par des jonctions brasées. L'extrémité supérieure du tube 6, usinée dans la masse, est conformée de façon à recevoir le bouchon d'obturation B et diverses connections de la boucle avec l'extérieur. 20 Le panier à combustible qui est logé à l'intérieur du tube 2 et qui contient l'élément combustible 4 est un simple manchon cylindrique mince 9 en acier réfractaire fixé sur le tube 2 au moyen de pions 10 verrouillés par un fil métallique. Une telle disposition permet un démontage 25 facile en cellule chaude. La trompe est constituée par une série de tuyères fixes, à savoir une tuyère motrice 11, ou injecteur, en acier réfractaire, et une tuyère 12 dite mélangeur, munie, à son extrémité tournée vers l'injecteur 11, d'un convergent 13, 30 dit collecteur, et, à son autre extrémité, d'un divergent 14 dit diffuseur. Ce mélangeur 12 joue en particulier le rôle de débitmètre, grâce à des prises de pression (non représentées) convenablement disposées. 35 Le récupérateur est formé de deux échangeurs, à savoir, de bas en haut, un échangeur, dit échangeur haute-température, formé de deux tubes épais concentriques 15 et 16 en un matériau réfractaire, et un échangeur, dit échangeur 70 28978 H 4 2112046 basse température, formé d'un simple serpentin 17 en acier inoxydable. L'ensemble du récupérateur est contenu dans une série de tubes minces concentriques 18, 19 en acier inoxydable, servant au passage de lames de gaz qui assurent 5 l'isolation thermique du récupérateur. Le bouchon d'obturation 8 est solidaire du récupérateur qu'il entraîne dans ses manutentions. Ce bouchon comporte un verrou de fixation sur la boucle, un passage étanche 21 pour le passage des thermocouples attachés au récupérateur, 10 l'arrivée 22 du gaz dans la boucle, un dispositif d'accrochage 20 pour la manutention. Dans la partie haute 6 de l'enveloppe extérieure sont ménagées deux sorties de gaz 23 et 24 dont le rôle sera expliqué ci-après. 15 Le fonctionnement de la boucle selon l'invention est le suivant : La boucle étant disposée dans le réacteur (non représenté) et reliée à terre, on envoie le gaz par l'arrivée 22 (flèche ) sous une pression pouvant atteindre 180 bars. 20 Le gaz circule dans le serpentin 17 qui constitue le premier échangeur (basse température) puis (flèche F dans le tube intérieur 16 du second échangeur (haute température) ; il arrive dans l'injecteur 11 (flèche F^) ; il poursuit son chemin en direction de l'élément combustible 4 à irradier en 25 provoquant un effet de trompe dans le mélangeur 12 (flèche F^). Parvenu à l'extrémité inférieur de l'élément combustible 4, le gaz remonte autour de: 1'enveloppe cylindrique 9 constituant le panier (flèche F^) % puis le gaz se divise en trois parties : a) une partie qui alimente le mélangeur 12 en passant 30 (flèche Fg) par un orific:e; 25 ; ' b) une partie qui emprunte l'espace annulaire 26 et circule d'abord (flèche F-^) dans la rainure en hélice 27 comprise entre les tubes 15 et 16 constituant l'échangeur haute température puis autour du serpentin 17 (flèche Fg) 35 pour aboutir (flèche F^) à la sortie de gaz 24. Au cours de son passage dans la rainure 27 et autour du serpentin 17, le gaz de retour a cédé une partie de ses calories au gaz primaire injecté en 22 ; à sa sortie de l'orifice 24, il est comprimé puis réinjecté par l'orifice 22. QQpy a 70 28978 Sî *' 21 12046 Enfin, c) une partie du gaz de retour parcourt l'espace compris entre l'enveloppe extérieure froide 6 et le tube 19 formant écran thermique (flèche pour aboutir à l'orifice 5 de sortie 23 (flèche ). □n voit que par un jeu de vannes, on peut régler la température en réglant le débit des orifices 23 et 24. La boucle selon l'invention induit grâce à la trompe un circuit de faible perte de charge et de grand débit 10 autour de l'élément combustible, ce qui permet de confiner dans un petit espace le circuit induit qui est seul à haute température et ce qui limite les pertes thermiques et permet d'obtenir les plus hautes températures sans apport calorifique autre que celui de l'élément combustible. 15 Cette boucle ne comporte aucun organe mobile susceptible de se détériorer dans la partie logée dans la pile. Le réglage du débit de gaz se fait en agissant sur la pression du circuit inducteur. Pour régler la température, on dispose de deux paramètres indépendants, à savoir 20 le conducteur de la lame de gaz circulant dans l'espace circulaire 3 et faisant office d'isolant thermique et la température d'injection. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif et nullement limitatif 25 et qu'on pourra y apporter toutes modifications de détail sans sortir de son cadre. COPY 70 28978 6 2112046 REVENDICATION Boucle à gaz de réacteur du type à trompe pour irradiation, caractérisé par le fait qu'elle comprend une enveloppe extérieure dont la partie inférieure se compose d'un tube de force logé dans le réacteur et baignant dans de l'eau à température modérée, de l'ordre de 60°C et d'un tube intérieur, ou tube enceinte, délimitant avec ledit tube de force un espace annulaire dans lequel circule un gaz à conductance variable faisant office d'isolant thermique, et dont la partie supérieure est un tube raccordé, pour une extrémité, à ladite partie inférieure, et, par son autre extrémité, au bouchon d'obturation de la boucle, le tube enceinte ren-fferrnant une trompe constituée par une série de.tuyères fixes, à savoir par une tuyère motrice, ou injacteur, et par.une tuyère, dite mélangeur, munie à son extrémité tournée vers cet injecteur, d'un convergent dit collecteur et, à son autre extrémité, d'un divergent dit diffuseur, un manchon cylindrique ou panier à combustible, solidaire de ce divergent étant destiné à contenir un barreau de combustible à irradier, et ladite partie supérieure de l'enveloppe extérieure renfermant, un récupérateur formé de deux échangeurs* à savoir, de bas en haut, un échangeur, dit échangeur haute température, formé de deux tubes épais concentriques en matériau .réfractaire et, un échangeur, dit échangeur basse température, formé d'un serpentin, l'ensemble du récupérateur étant contenu dans une série de tubes minces concentriques servant au passage de lames de gaz, ce dernier étant solidaire du bouchon d'obturation de la boucle.